Anpassung der Taylor-Dispersion zur Messung des Dispersionskoeffizienten von Elektrolytlösungen über einen zugänglichen mikrofluidischen Aufbau

Der Umfang unserer Arbeit besteht darin, eine zugängliche Mikrofluidik-Experimentierplattform zu entwerfen und zu implementieren, die geeignet ist, ein breites Spektrum grundlegender Fragen der Fluidik zu beantworten. Die größte Herausforderung besteht darin, einen reproduzierbaren und dennoch flexiblen Fertigungsprozess für Mikrokanäle mit ausreichender Präzision und kostengünstigem Equipment zu entwickeln. Unsere Forschung zielt darauf ab, den derzeitigen Mangel an leicht zugänglichen und genauen Versuchsaufbauten und -protokollen zur Messung der erhöhten Diffusivität einer Elektrolytspezies zu beheben.

Unsere Plattform ermöglicht auch die Visualisierung von Ionenwechselwirkungen mit mehreren Spezies. Unser Versuchsaufbau und unser Protokoll sind kostengünstig, leicht zugänglich und genau. Die eingesetzte kostengünstige Mikrokanal-Fertigungstechnik ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen Chips in wenigen Minuten.

Starten Sie zunächst die Craft Cutter Design-Software auf dem angeschlossenen Computer. Entwerfen Sie das Mikrokanal-Top direkt in der Software oder importieren Sie ein kompatibles Design aus externer Software. Befestigen Sie dann ein 21 Zentimeter mal fünf Zentimeter großes Polyester-Rechteck an der klebrigen Seite der Schneidematte.

Kleben Sie mit Kreppband alle vier Umfangskanten ab, um das Rechteck zu sichern. Legen Sie anschließend die Schneidematte in den Bastelschneider ein, indem Sie die markierten Kanten mit den Pfeilanzeigen auf dem Gerät ausrichten. Setzen Sie die Klinge in den ersten Schlittenschlitz des Bastelschneiders ein.

Klicken Sie auf Senden oben rechts auf der Designseite auf dem Monitor, um zum Überprüfungsbildschirm zu gelangen. Stellen Sie dann die Klingentiefe auf neun, die Kraft auf 33, die Pässe auf eins und die Geschwindigkeit auf eins ein. Klicken Sie nun auf Senden, um den Auftrag an den Bastelschneider zu senden und den Schneidvorgang zu starten.

Nachdem Sie die Schneidematte vom Cutter entfernt haben, verwenden Sie eine Pinzette, um das negative Polyestermaterial vom geschnittenen Blatt zu entfernen. Entwerfen Sie anschließend Donut-förmige Polyamiddichtungen mit der Craft Cutter Design-Software oder importieren Sie das Dichtungsdesign aus einer kompatiblen Software. Befestigen Sie ein 21 Zentimeter langes Stück Polyamidband mit der klebrigen Seite nach oben auf der Schneidematte und befestigen Sie es mit Kreppband an allen vier Kanten.

Geben Sie die Schnitteinstellungen für das Polyamidband mit einer Klingentiefe von neun, einer Kraft von eins, einem Durchgang von eins und einer Geschwindigkeit von eins ein. Klicken Sie auf Senden, um den Dichtungsschneidauftrag an den Bastelschneider zu senden. Legen Sie dann die geschnittene Polyesterplatte mit den Vorsprüngen nach oben auf eine saubere, ebene Fläche.

Ziehen Sie mit einer Pinzette eine Dichtung vom geschnittenen Polyamidband ab und legen Sie sie auf die flache Unterseite eines 3D-gedruckten Anschlusses. Richten Sie den Anschluss an der Strömungseinlassöffnung aus und befestigen Sie ihn mit der Dichtung an der flach verlegten Polyesterfolie. Tragen Sie nun in einem Abzug eine kleine Menge Sekundenkleber entlang des Umfangs des Anschlusses auf, während Sie ihn nach unten drücken, um eine wasserdichte Abdichtung zu erzielen.

Für die Herstellung des Polyamid-Mikrokanalkörpers entwerfen Sie den Mikrokanalkörper mit der Craft Cutter Designsoftware oder durch Importieren eines kompatiblen externen Designs. Befestigen Sie den 21 Zentimeter langen Streifen Polyamidband mit der klebrigen Seite nach oben auf der Schneidematte. Legen Sie dann die Schneidematte in den Bastelschneider ein, indem Sie die markierten Kanten mit den Pfeilanzeigen auf dem Gerät ausrichten.

Klicken Sie oben rechts auf der Designseite auf Senden, um die Material- und Schnitteinstellungen zu überprüfen. Verwenden Sie die gleichen Schnittparameter wie für die Dichtungen. Klicken Sie auf Senden, um den Schneideauftrag an den Bastelschneider zu senden.

Entfernen Sie dann die Schneidematte vom Cutter und entfernen Sie mit einer Pinzette das negative Polyamidmaterial aus dem Kanaldesign. Legen Sie nun das Polyamidband mit der klebrigen Seite nach oben auf eine ebene, saubere Fläche. Positionieren Sie das Polyester-Rechteck vorsichtig auf dem freiliegenden Polyamidband und zentrieren Sie den Polyamidstreifen über die gesamte Breite des Polyesters.

Üben Sie mit einer Walze gleichmäßigen Druck nach unten aus, um große Luftblasen zu beseitigen und visuell auf Schmutz oder Verformungen zu prüfen. Drehen Sie anschließend die Polyamidbandbaugruppe um und entfernen Sie die Schutzabdeckung von der Klebeseite. Richten Sie die obere Polyesterplatte, die mit dem 3D-gedruckten Anschluss montiert ist, am Ein- und Auslass des Polyamidbandes aus und legen Sie dann die Polyesterplatte vorsichtig über die Polyamidschicht.

Füllen Sie für die Einrichtung der Spritzenpumpe eine 0,5-Milliliter-Glasspritze mit entionisiertem Wasser. Montieren Sie die Spritze auf eine programmierbare Spritzenpumpe und drücken Sie die Schnellvorlauftaste, bis Wasser aus der Spritzenspitze auszutreten beginnt. Schneide dann ein 50 Zentimeter langes Stück Polytetrafluorethylen-Schlauch ab.

Verbinden Sie mit einer Pinzette die beiden Enden des Schlauchs mit den 27-Gauge-Spritzenspitzen, indem Sie den Schlauch über die Spitzen führen und nach unten ziehen. Füllen Sie die angeschlossene Spritzenspitze und den Schlauch mit deionisiertem Wasser, bis sich an der Spitzenöffnung ein konvexer Meniskus bildet. Befestigen Sie die Spitze an der an der Pumpe montierten Glasspritze und stellen Sie sicher, dass weder in der Spritze noch in der Spitze Luftblasen vorhanden sind.

Stellen Sie die Spritzenpumpe nur auf den Infusionsmodus ein. Geben Sie den Spritzentyp und die Spritzengröße als 0,5 Milliliter in die Schnittstelle der Pumpe ein. Kleben Sie die vollständig montierte mikrofluidische Spitze mit einem 2,54 Zentimeter breiten Kreppband auf die Lichtplatte.

Montieren Sie als Nächstes ein 20-Millimeter-F2-Makroobjektiv an der Kamera und verbinden Sie es mit einem Fernauslöser. Stellen Sie ein Stativ auf und montieren Sie die Kamera über der Lichtplatte, nach unten geneigt, um das Experiment zu zeigen. Zentrieren Sie die Ansicht auf den Erfassungspunkt, der in das Polyamidband geschnitten wurde.

Programmieren Sie die Kamera über den Fernauslöser so, dass sie alle eine Sekunde Bilder aufnimmt. Tragen Sie eine Schicht transparentes Klebeband über das Einlassloch des Tracers auf, um zu verhindern, dass Flüssigkeit austritt, und stellen Sie sicher, dass eine Kante des Klebebandes umgeklappt ist, um eine kleine Lasche zum einfachen Entfernen zu bilden. Schließen Sie die programmierbare Spritzenpumpe an und lassen Sie sie laufen, um den Mikrokanal sanft mit deionisiertem Wasser bei sehr geringer Durchflussrate zu fluten.

Füllen Sie dann eine 0,5-Mikroliter-Mikropipettenspitze mit einer vorbereiteten Tracerlösung. Ziehen Sie mit der gefalteten Lasche das Klebeband ab, das das Tracer-Einlassloch abdeckt. Leiten Sie mit der Ecke eines fusselarmen Tuchs überschüssiges deionisiertes Wasser leicht aus dem Einlassloch ab und warten Sie 30 Sekunden, bis sich die Uferpromenaden stabilisiert haben.

Geben Sie die Tracerlösung nach 30 Sekunden mit der Pipette in das Einlassloch. Glätten Sie das Klebeband sofort wieder mit minimalem Druck und einer kontinuierlichen Bewegung, um den Einlass wieder zu verschließen. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Spritzenpumpe auf den Zielvolumenstrom programmiert ist, starten Sie die Spritzenpumpe und lösen Sie gleichzeitig die Remote-Kamera aus, um mit der Bildgebung zu beginnen.

Wenn die horizontalen Kanten der Rechtecküberlagerung nicht an den Mikrokanalwänden ausgerichtet sind, bewegen Sie den Mauszeiger über eine rechteckige Ecke, klicken Sie auf das Bild, und drehen Sie es, bis die horizontalen Wände parallel zu den Kanalwänden ausgerichtet sind. Drücken Sie eine beliebige Taste, um fortzufahren. Das Bild-Popup wird geschlossen und mit der korrigierten Ausrichtung wieder geöffnet.

Klicken und ziehen Sie, um einen quadratischen Bereich auszuwählen, dessen Seiten der Kanalbreite entsprechen und am Aufnahmepunkt zentriert sind. Drücken Sie eine beliebige Taste, um fortzufahren, und das Bild-Popup wird geschlossen. Extrahieren Sie dann die Intensität des Blaukanals an jedem Pixel innerhalb des ausgewählten Zuschneidebereichs aus dem RGB-Bild.

Invertieren Sie die Werte, indem Sie jeden Wert von 255, dem maximalen Wert für den Blaukanal, subtrahieren. Berechnen Sie den mittleren Intensitätswert des invertierten Blaukanals über alle Pixel im beschnittenen Bereich. Speichern Sie jeden berechneten Wert, um eine Zeitreihe der durchschnittlichen Intensität des invertierten Blaukanals am Erfassungspunkt zu generieren.

Verwenden Sie die Toolbox nonlinear curve fitter im Code, um die Vollzeitreihe der durchschnittlichen invertierten Blaukanalintensitäten einzugeben. Die gemittelten invertierten Intensitäten des blauen Kanals über die Zeit wurden aufgetragen und zeigten eine enge Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und der theoretischen Anpassung der Dispersion, wobei Zeitpunkte bei 140 Sekunden, 150 Sekunden und 200 Sekunden deutlich dargestellt wurden. Die Ergebnisse des Dispersionsfaktors aus Experimenten mit drei verschiedenen Aspektverhältnissen zeigten eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen.