התאמת פיזור טיילור למדידת מקדם הפיזור של תמיסות אלקטרוליטים באמצעות מערך מיקרופלואידי נגיש

סיכום

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להתאמת ניסוי הפיזור של טיילור למיקרוסקאלה באמצעות מיקרו-ערוצים המיוצרים בתוך הבית עם חותך מלאכה שולחני. ניתן להשתמש בפלטפורמת הניסוי כדי לחשב את מקדם הדיפוזיה של עוקבים פסיביים של מין יחיד וכדי להמחיש אינטראקציה והפרדה של יונים מרובי מינים.

תקציר

תחום המיקרופלואידיקה הפך לבולט יותר ויותר מכיוון שהוא מאפשר שליטה מהירה ומדויקת בנוזלים וחלקיקים, מה שמקל על סינתזה של תרכובות ותערובות נפרדות. שיכללנו התאמה נגישה וניתנת לחזרה בקנה מידה מיקרו של ניסוי פיזור טיילור באמצעות מיקרו-ערוצים שיוצרו בתוך הבית עם חותך מלאכה שולחני. העלות ההתחלתית של טכניקת קסרוגרפיה מיקרופלואידית מהירה ונגישה זו היא כ-300 דולר, בסדר גודל נמוך יותר משיטות פוטוליתוגרפיה טיפוסיות. זרימה למינרית מונעת לחץ ממשאבת מזרק ניתנת לתכנות מעבירה תמיסת מעקב מוזרקת במורד הזרם במיקרו-ערוץ, שם מצלמת רפלקס דיגיטלית עם עדשה אחת (D-SLR) עם עדשת מאקרו לוכדת את התפתחות ריכוז העוקב לאורך זמן במיקום קבוע. באמצעות פלטפורמה ניסויית זו, אנו יכולים לחשב את מקדמי הדיפוזיה עבור עוקבים פסיביים של מין יחיד בתנאי ניסוי משתנים. לאחר מכן הרחבנו את הפרוטוקול לתערובות אלקטרוליטים, תוך התבוננות בעדויות ראשוניות לשינויים בדיפוזיביות הנובעים מהשפעות צימוד יונים-יונים לא טריוויאליות. שיטה ניסויית נגישה זו מספקת כלי מעשי לחקירת הובלה מרובת מינים ומציעה תובנות לגבי האינטראקציות המורכבות השולטות בניידות יונית.

מבוא

בשנים האחרונות התמקדו מאמצי מחקר משמעותיים בחקירה ופיתוח של התקנים מיקרופלואידיים חסכוניים המציעים שליטה מדויקת על זרימה, חלקיקים והובלת מומסים. פתרונות אלקטרוליטים רב-מינים ממלאים תפקיד קריטי במגוון רחב של יישומים, החל מאחסון אנרגיה ואבחון ביו-רפואי ועד לניטור סביבתי וטיהור מים. הבנת האופן שבו מיני יונים שונים מתפזרים ומתקשרים במערכות אלו חיונית לאופטימיזציה של ביצועים ויציבות בתהליכים אלקטרוכימיים ומונעי תחבורה.

כאשר תמיסת אלקטרוליטים מכילה יונים בעלי מקדמי דיפוזיה שונים, נדידתם הלא שווה גורמת לשדה חשמלי פנימי, גם בהיעדר מתח המופעל חיצונית. יונים המתפשטים מהר יותר נוטים להיפרד מאלה האיטיים יותר, ויוצרים לרגע חוסר איזון במטען. כדי לשמור על אלקטרוטרליות, המערכת מייצרת פוטנציאל חשמלי המושרה על ידי דיפוזיה. שדה זה מאט את היונים המהירים יותר ומאיץ את האיטיים יותר. הפוטנציאל החשמלי המתקבל תלוי בניידות היונים היחסית ובשיפועי הריכוז ומתואר היטב על ידי משוואות נרנסט-פלאנק תחת אילוצי אלקטרו-ניטרליות. מודלים אלקטרוכימיים קלאסיים, כגון משוואות הנדרסון ונרנסט, מכמתים תופעה זו על ידי קישורה למספרי הובלת יונים והפרשי ריכוז¹.

ניתוח פיזור טיילור הוא כבר מזמן טכניקה רבת עוצמה למדידת דיפוזיות מולקולרית על ידי התבוננות כיצד מומס מתפשט בזרימה למינרית מונעת לחץ דרך תעלה ישרה ^2,3. הוא מסביר את יחסי הגומלין בין אדבקציה לדיפוזיה ומאפשר הסקה מדויקת של מקדמי דיפוזיה מולקולרית משיעורי פיזור אפקטיביים. שיטה זו אטרקטיבית במיוחד מכיוון שהיא משלבת דיוק, דרישות דגימה מינימליות ורכישת נתונים מהירה. הרחבות תיאורטיות עדכניות, המשמשות באופן מסורתי לעוקבים של מינים בודדים, מאפשרות כעת את יישומו במערכות מרובות מינים, ומאפשרות לחוקרים להסיק באופן תיאורטי דיפוזיביות יונים בודדים על סמך התנהגות ההובלה המשולבת⁴.

עם זאת, העלות הגבוהה והמורכבות הטכנית של הגדרות מיקרופלואידיות קונבנציונליות - המבוססות לרוב על פוטוליתוגרפיה תלויה בחדר נקי - מהוות חסמים משמעותיים לאימוץ רחב יותר של שיטה זו. בעבודה זו, אנו מציגים התאמה זולה, נגישה וניתנת לשחזור של טכניקת הפיזור של טיילור, המשתמשת במיקרו-ערוצים המיוצרים באמצעות קסרוגרפיה עם חותך מלאכה שולחני. גישה זו, עם עלות הפעלה של כ-300 דולר, מאפשרת אב טיפוס מהיר וייצור ערוצים עקבי ללא צורך במתקנים מיוחדים יקרים⁵. באמצעות הדמיית שדה בהיר באמצעות מצלמת D-SLR ועדשת מאקרו, הפרוטוקול בונה סדרת זמן של התפתחות ריכוז העוקב בנקודת לכידה קבועה במורד הזרם מאתר ההזרקה⁶. אנו מדגימים כי פלטפורמה זו יכולה למדוד במדויק מקדמי דיפוזיה עבור עוקבים פסיביים של מינים בודדים ולהרחיב את השיטה לניתוח מערכות אלקטרוליטים מרובות מינים. התוצאות חושפות חתימות ברורות של וריאציות דיפוזיביות הנובעות מהשפעות צימוד יונים-יונים. שיטה נגישה וחסכונית זו מציעה כלי מעשי לחקירת תופעות הובלה יוניות בתערובות אלקטרוליטים מורכבות. לדוגמה, ניתן להתאים בקלות את מערך הניסוי המוצע לשימוש כמיקרו-מערבל להערכת יעילות הערבוב של מומסים מרובי מינים⁷, או לתכנון התפלגות משקל מולקולרית פולימרית רצויה באמצעות כור זרימה צינורית⁸ הנשלט על ידי מחשב.

פרוטוקול

1. הכנת חומרים

הערה: בדוח זה, שבבים מיקרופלואידיים נבנים על ידי חיתוך עיצובי מיקרו-ערוצים בשכבה אחת של סרט פולימיד ברוחב w = 2.54 ס"מ ועובי h = 100 מיקרומטר, אשר נאטם לאחר מכן בין שתי יריעות פוליאסטר. יחס הגובה-רוחב של המיקרו-ערוץ (λ = h/w) תלוי בעובי הפולימיד; רוחב הערוץ (W) הוא תכונת החתך היחידה הניתנת לשינוי בפרוטוקול זה.

1. חותכים את סרט הפולימיד לרצועה באורך 21 ס"מ.
2. חותכים שני מלבני פוליאסטר באורך 21 ס"מ ורוחב 5 ס"מ.
   הערה: כדי לייצר כל מיקרו-תעלה באורך 18.77 ס"מ, יש צורך ברצועת פולימיד אחת ושני מלבני פוליאסטר. אחד ממלבני הפוליאסטר נחתך באמצעות חותך היצירה השולחני ליצירת חורי כניסה ויציאה, בעוד השני משמש ללא שינוי.
3. חותכים ומניחים בצד רצועה שנייה של סרט פולימיד באורך 21 ס"מ ליצירת האטם. אורך זה מייצר 32 אטמים; יש צורך באטם אחד לכל מיקרו-ערוץ.
4. השג את יציאת המיקרו-ערוץ על ידי הדפסה תלת מימדית (תלת מימד) במדפסת שרף.
   1. הדפס יציאה אחת לכל מיקרו-ערוץ. קובץ .sdlprt עבור היציאה כלול בקובץ משלים 1. תכנן את החוטים עבור קצות מזרק מנעול Luer שיוברגו לתוך היציאה לאיטום אטום למים.
   2. הדפס בתלת-ממד מוצק (ללא מילוי) ישירות על פלטפורמת הבנייה ללא תמיכה נוספת. הגדר את עובי השכבה ל 0.10 מ"מ.
   3. ריפוי לאחר הדפסה בתא UV למשך 15 דקות ב-60 מעלות צלזיוס.

2. הרכבת מערך הניסוי

1. ייצור השכבה העליונה של השבב המיקרופלואידי.
   1. הפעל את תוכנת עיצוב חותך המלאכה.
   2. עצב את החלק העליון של המיקרו-ערוץ באמצעות תוכנת עיצוב חותך המלאכה, או על ידי ייבוא עיצוב מתוכנה תואמת אחרת.
   3. צייר שני עיגולים בקוטר 0.27 ס"מ במרחק של 18.77 ס"מ זה מזה: אלה כניסת ויציאת הזרימה. במרחק של 2.71 ס"מ מחור הכניסה, צייר חור כניסת עוקב קטן יותר בקוטר 0.15 ס"מ.
      הערה: א . קובץ תבנית DXF (קובץ משלים 2) כלול כסימוכין.
   4. חבר את אחד משני מלבני הפוליאסטר משלב 1.2 לצד הדביק של שטיח החיתוך. בעזרת נייר דבק ברוחב 2.54 ס"מ, הדביקו לאורך ארבעת צידי ההיקף.
      הערה: מכיוון שיריעות פוליאסטר אחידות משני הצדדים, ניתן להשתמש בהן כששני הצדדים "למעלה". נייר הדבק נחוץ למניעת כל תזוזה של הפוליאסטר בזמן החיתוך. מלבן הפוליאסטר השני שנחתך בשלב 1.2 משמש כפי שהוא.
   5. ודא שחותך המלאכה מחובר למחשב עם תוכנת העיצוב באמצעות כבל אפיק טורי אוניברסלי (USB) או Bluetooth.
   6. טען את שטיח החיתוך לתוך חותך המלאכה על ידי יישור הקצוות המסומנים של המחצלת עם סימוני החצים על החותך. הכנס את הלהב לחריץ הכרכרה של חותך המלאכה.
      הערה: שגיאות פוטנציאליות בייצור המיקרו-ערוצים הן בעיקר תוצאה של בלאי הלהב או חוסר יישור. בלאי הלהב עלול לגרום לחיתוך גס ולא אחיד של קירות התעלות כדי לטפל בבעיה זו, נעשה שימוש בלהב אחר לחיתוך כל סוג של חומר כדי להפחית את הפגיעה המהירה בחדות הלהב. בהתאם לעיקרון זה, יש צורך בשני להבים בפרוטוקול זה, אחד עבור הפוליאסטר והשני עבור סרט הפולימיד. אם בזמן ייצור תעלות, קירות התעלה הופכים מחוספסים יותר באופן ניכר או שהשלילי הופך להיות קשה להסרה, ייתכן שיהיה צורך להחליף את הלהב. חוסר יישור של הלהב עלול לגרום ללהב לא לחדור לחומר בזווית הנכונה, וכתוצאה מכך תעלות רחבות או צרות יותר. בעיה זו נפוצה יותר בתעלות ברוחב קטן יותר, אך ניתן להקל עליה על ידי תכנון דפנות התעלה כך שיהיו הצדדים הארוכים של מלבן חתוך רציף, ולא קווים מקבילים נפרדים.
   7. בפינה השמאלית העליונה של דף העיצוב בצג המחשב, לחץ על שלח כדי להמשיך לסקור חומרים ולחתוך הגדרות.
   8. הזן את הגדרות חיתוך יריעות הפוליאסטר. עם הגדרה זו, ההגדרות המומלצות הן: עומק להב: 9, כוח: 33, מעברים: 1 ומהירות: 1.
      הערה: המלצות הגדרת חותך מלאכה מבוססות על עבודתם של טיילור והאריס 5 משנת 2019^.
   9. לחץ על שלח כדי להגיש את העבודה לחותך המלאכה. החותך מתחיל בתהליך החיתוך, שנמשך כ -15 שניות.
   10. המתן עד שהלהב יחזור למצב הבית שלו. לאחר מכן, הסר את שטיח החיתוך על ידי לחיצה על כפתור השליפה .
   11. הסר את חומר הפוליאסטר השלילי באמצעות פינצטה. יריעת הפוליאסטר החתוכה כוללת שלושה חורים: חורי כניסה ויציאה של זרימה במרחק של 18.77 ס"מ זה מזה, וחור כניסת עוקב קטן יותר בין השניים הראשונים, במרחק של 2.71 ס"מ מחור הכניסה, כפי שמוצג באיור 1A.
   12. הסר את כל החומר ממחצלת החיתוך והניח את החלק העליון של השבב בצד.
       הערה: בעת חיתוך לפוליאסטר, הלהב משאיר קצה מחוספס הבולט מעט מהסדין בצד החתוך. בעת הרכבת השבב המיקרופלואידי, פנה את הקצה הזה כלפי מעלה (הרחק מהפולימיד) כדי למנוע ממנו להפריע לזרימה דרך המיקרו-ערוץ.
2. אטם חתוך
   1. תכנן אטמי פולימיד בצורת סופגנייה באמצעות תוכנת עיצוב חותך המלאכה, או על ידי ייבוא עיצוב מתוכנה תואמת אחרת.
   2. צייר שני עיגולים קונצנטריים בקוטר 0.52 ס"מ ו -0.24 ס"מ, בהתאמה.
      הערה: א . קובץ תבנית DXF עם 32 אטמים כלול כקובץ משלים 3. יש צורך באטם אחד לכל יציאה בעת חיבורו למיקרו-ערוץ.
   3. חבר סרט פולימיד משלב 1.3 למחצלת החיתוך, שניהם כשהצד הדביק כלפי מעלה. בעזרת נייר דבק ברוחב 2.54 ס"מ, הדביקו לאורך ארבעת צידי ההיקף.
   4. טען את שטיח החיתוך לתוך חותך המלאכה על ידי יישור הקצוות המסומנים של המחצלת עם סימוני החצים על החותך.
   5. החלף את הלהב המשמש ליריעות פוליאסטר בלהב חדש שישמש אך ורק לחיתוך סרט פולימיד.
   6. בפינה השמאלית העליונה של דף העיצוב בצג המחשב, לחץ על שלח כדי להמשיך לסקור חומרים ולחתוך הגדרות.
   7. הזן את הגדרות חיתוך סרט הפולימיד. עם הגדרה זו, ההגדרות המומלצות הן: עומק להב: 9, כוח: 1, מעברים: 1 ומהירות: 1.
      הערה: המלצות הגדרת חותך מלאכה מבוססות על עבודתם של טיילור והאריס 5 משנת 2019^.
   8. לחץ על שלח כדי להגיש את העבודה לחותך המלאכה. החותך מתחיל בתהליך החיתוך, שנמשך כ- 40 שניות.
   9. המתן עד שהלהב יחזור למצב הבית שלו. לאחר מכן, הסר את שטיח החיתוך על ידי לחיצה על כפתור השליפה .
3. הרכבת הסדין העליון, האטם והיציאה
   1. הניחו את יריעת הפוליאסטר החתוכה בשלב 2.1 על משטח ישר, בליטות פונות כלפי מעלה.
   2. השתמש בפינצטה כדי לקלף אטם אחד מסרט הפולימיד שנחתך בשלב 2.2 ולהניח אותו על הצד התחתון השטוח של יציאה מודפסת בתלת מימד. יישר את חורי היציאה והאטם; כדי לעזור בכך, הכנס קצה מזרק דרך היציאה והשתמש בו כהנחיה.
   3. חבר את היציאה עם אטם ליריעת הפוליאסטר, בהנחה שטוחה, על ידי יישור היציאה וחור כניסת הזרימה. שוב, השתמש בקצה המזרק כדי למרכז את היציאה לחור כניסת הסדין. החזק במקום למשך 30 שניות כדי לעזור לאטום את אטם הפולימיד הדו-צדדי לחלק העליון של שבב הפוליאסטר.
      הערה: היציאה והסדין העליון צריכים להיות מחוברים היטב בשלב זה, עם היכולת להרים את היציאה ואת הסדין העליון יחד על ידי הרמת היציאה בלבד.
   4. מרחו כמות קטנה של דבק-על על היקף היציאה תוך כדי לחיצה עליו כלפי מטה כדי ליצור אטימה קבועה אטומה למים.
   5. השאירו בצד למשך 2-3 שעות או השתמשו בתרסיס מפעיל דבק-על והמתינו 10 דקות כדי להבטיח אטימה אטומה למים.
      הערה: השתמש בכפפות ועבוד במכסה אדים בעת טיפול בדבק-על.
4. ייצור גוף מיקרו-ערוץ פולימיד
   1. תכנן גוף מיקרו-ערוץ באמצעות תוכנת עיצוב חותך המלאכה, או על ידי ייבוא עיצוב מתוכנה תואמת אחרת.
   2. צייר שני עיגולים בקוטר 0.36 ס"מ במרחק של 18.6 ס"מ זה מזה: אלה תואמים את חורי הכניסה והיציאה של הזרימה של החלק העליון של השבב שתוכנן ב- 2.1.3.
   3. בין שני החורים הללו, הכנס מלבן ברוחב הרצוי ובאורך 18.77 ס"מ. ודא ש-0.05 ס"מ מהמלבן חופף לחורי הכניסה והיציאה כדי להפחית את הסיכון לקריעה בשוגג בעת הסרת התשליל.
   4. צייר קו ניצב יחיד של 0.2 ס"מ הממוקם 17.71 ס"מ מחור כניסת הזרימה ובמרחק של 0.2 ס"מ מהתעלה משני הצדדים.
      הערה: א . קובץ תבנית DXF כלול כקובץ משלים 4. עיצוב זה מיועד למיקרו-ערוץ באורך 18.77 ס"מ ורוחב 400 מיקרומטר, כפי שמוצג באיור 1B.
   5. חבר את סרט הפולימיד שנחתך בשלב 1.1 למחצלת החיתוך, שניהם כשהצד הדביק כלפי מעלה. בעזרת נייר דבק ברוחב 2.54 ס"מ, הדביקו לאורך ארבעת צידי ההיקף.
   6. טען את שטיח החיתוך לתוך חותך המלאכה על ידי יישור הקצוות המסומנים של המחצלת עם סימוני החצים על החותך. שמור את אותו להב המשמש לחיתוך האטמים בשלב 2.2.
   7. בפינה השמאלית העליונה של דף העיצוב בצג המחשב, לחץ על שלח כדי להמשיך לסקור חומרים ולחתוך הגדרות. השתמש באותה קלט הגדרות חיתוך עבור האטמים בשלב 2.2.7.
   8. לחץ על שלח כדי לשלוח את העבודה לחותך המלאכה. החותך מתחיל בתהליך החיתוך, שנמשך כ -15 שניות.
   9. המתן עד שהלהב יחזור למצב הבית שלו. לאחר מכן, הסר את שטיח החיתוך על ידי לחיצה על כפתור השליפה בחותך המלאכה. מיקרו-ערוץ עם תכונות כניסה, יציאה ונקודת לכידה גלויות נחתך כעת לתוך הפולימיד.
      הערה: כוון את השבב כך שנקודת הלכידה תהיה קרובה יותר לשקע; בעיצוב שסופק, הוא נמצא 1.107 ס"מ מהשקע, כך שהמרחק בין חור כניסת העוקב לנקודת הלכידה הוא 15 ס"מ.
   10. הסר את חומר הפולימיד השלילי מהתעלה באמצעות פינצטה. בהתאם לרוחב ולתכונות של המיקרו-ערוץ, זהו הליך עדין מאוד המתאים יותר לפינצטה ברמת דיוק גבוהה.
   11. הסר את כל החומר ממחצלת החיתוך והניח את המיקרו-ערוץ בצד; ודא שהצד הדביק נשאר ללא מגע.
5. הרכבת השבב המיקרופלואידי
   1. הנח את סרט הפולימיד עם הצד הדביק כלפי מעלה על משטח ישר.
   2. הנח את מלבן הפוליאסטר התחתון (ללא חורים) בגודל שלב 1.2 על סרט הפולימיד החשוף. מרכז את רצועת הפולימיד ברוחב הפוליאסטר.
   3. הפעל לחץ כלפי מטה עם רולר כדי להסיר בועות גדולות יותר ולבדוק אם יש פסולת או קפלים בפוליאמיד.
   4. הפוך את סרט הפולימיד והסר את כיסוי המגן שלו מהצד התחתון.
   5. יישר את יריעת הפוליאסטר העליונה המותקנת עם היציאה המודפסת בתלת מימד לכניסה ויציאה של סרט הפוליאמיד, והנח את יריעת הפוליאסטר על גבי הפוליאמיד.
   6. הפעל לחץ כלפי מטה עם רולר כדי להסיר בועות גדולות יותר ולבדוק אם יש פסולת או קפלים בסרט הפולימיד.
      הערה: פסולת משמעותית בתעלה או בקירות, יחד עם חורי כניסה ויציאה לא מיושרים, משפיעים על הזרימה הלמינרית ומסכנים את הניסוי. זה משלים את הייצור של שבב מיקרופלואידי, כפי שמוצג באיור 1C.
6. הרכבת אזור הניסוי
   1. הגדרת משאבת מזרק
      1. מלאו מזרק זכוכית של 0.5 מ"ל במים נטולי יונים (DI). התקן את המזרק על משאבת המזרק הניתנת לתכנות ולחץ על כפתור ההרצה קדימה עד שהמים מתחילים לצאת מקצה המזרק.
      2. חותכים ומחברים חתיכה באורך 50 ס"מ של צינור פוליטטרפלואורואתילן (PTFE) (0.3048 מ"מ ID, 0.762 מ"מ OD) לקצה מזרק 27 G באורך 1.27 ס"מ ו-OD 0.4064 מ"מ. השתמש בפינצטה כדי להכניס את הצינור מעל קצה המזרק ולמשוך כלפי מטה.
         הערה: בצע חתך קטן של כ-1 מ"מ כדי לספק שטח פתיחה רחב יותר בצינור ה-PTFE והנח את קצה המזרק לתוכו, כפי שמוצג באיור 2.
      3. מלאו את קצה המזרק המחובר לצינור במי DI כך שייווצר מניסקוס קמור בפתח.
      4. חבר את הקצה למזרק הזכוכית המותקן על המשאבה, וודא שלא ייווצרו בועות אוויר במזרק או בקצה המזרק.
      5. הגדר את משאבת המזרק לעירוי בלבד. הזן את סוג המזרק וגודלו כ-0.5 מ"ל.
   2. הגדרת לוח אור
      1. חבר את לוח התאורה ומקם אותו ליד קצה ספסל המעבדה. זהו המשטח שעליו יודבק המיקרו-ערוץ, והפעלת הניסוי תתרחש.
      2. הפעל את לוח האור למצב הבהירות הגבוה ביותר שלו. הקפדה על תאורה עקבית באזור בו נערכים הניסויים היא חיונית מכיוון שכל שינוי משפיע על לכידת התמונה של המצלמה.
      3. הדביקו את השבב המיקרופלואידי שהורכב בשלב 2.5 ללוח האור באמצעות נייר דבק ברוחב 2.54 ס"מ.
         הערה: הדביקו את התעלה קרוב מספיק לקצה ספסל המעבדה כך שניתן יהיה לצלם אותה עם מערך המצלמה המתואר בשלב 2.6.3. במערך ניסיוני זה, מרחק כזה הוא 1 ס"מ.
   3. הגדרת מצלמה
      1. הכנס את הכרטיס הדיגיטלי המאובטח (SD) למצלמת ה-D-SLR והשתמש בסוללת פלאג-אין כדי להפעיל את המצלמה. התקן עדשת מאקרו 20 מ"מ f/2 על המצלמה. חבר את המצלמה להדק מרוחק.
      2. הגדר את החצובה והתקן את המצלמה עם עדשת המאקרו מעל הניסוי, עם הפנים כלפי מטה. השתמש ברמה כדי להבטיח שעדשת המאקרו מקבילה לאזור הערוץ המבוקש.
      3. מרכז את המצלמה view על נקודת הלכידה שנחתכה בסרט הפולימיד. המצלמה צריכה להיות לפחות 1 ס"מ מעל לוח האור כדי שתוכל ללכוד גם את חיתוך נקודת הצילום וגם ערוץ רחב view. התמונות יצולמו במיקום קבוע במורד הזרם ממיקום כניסת המעקב.
      4. הפעל את המצלמה והגדר אותה למצב ידני עם מהירות תריס של 1/100 שניות ו-ISO 800. הגדר את איכות התמונה ל-JPEG Fine ואת גודל התמונה לגדול. הגדר את הגדרת איזון הלבן למצב פלואורסצנטי 2. פתח את אפשרויות אזור התמונה והגדר את אזור התמונה ל- DX (24x16). עדשת המאקרו מוגדרת ל-F2.6 עם הגדלה של ×4.
      5. תכנת את המצלמה באמצעות ההדק המרוחק לצלם כל שנייה.
         הערה: הגדרות המצלמה המדווחות מבוססות על תנאי הסביבה וישתנו בהתאם לתאורת הסביבה, המצלמה, העדשה וכו'.
7. הכנת עוקב
   1. מדוד 0.60 גרם אבקת מלח נתרן פלואורסצאין להכנת תמיסת המעקב. יש לדלל את האבקה ל-1 ליטר מים מזוקקים לקבלת ריכוז הצבע הרצוי (ריכוז 0.6 גרם/ליטר).
      הערה: ניתן לשנות את הצבע המשמש ואת ריכוזו לפי הצורך. עם זאת, יש לוודא שיש קשר ליניארי בין עוצמת העוקב לריכוז. כאן, זה הושג על ידי הדמיה של דגימות תוך שימוש בתנאי ניסוי עם ריכוזים וגבהים ידועים משתנים. ריכוז 0.6 גרם/ליטר של מלח נתרן פלואורסצאין נבחר להיות בטווח המייצר קשר ליניארי בעת התוויית ערכי עוצמת הערוץ הכחול מהתמונה המלאה של אדום, ירוק וכחול (RGB). תמונה של מערך הניסוי המלא מוצגת באיור 3. איור 4 מציג דיאגרמות מבט עליון ( איור 4A) ומבט מהצד ( איור 4B) של מערך הניסוי.

3. ריצה ניסיונית

1. ההתקנה
   1. מרחו שכבה של סקוטש על גבי חור כניסת העוקב כדי למנוע זרימה, והבטיחו שצד אחד מקופל כדי להקל על ההסרה.
   2. הפעל את משאבת המזרק הניתנת לתכנות כדי להציף את המיקרו-ערוץ במי DI בקצב זרימה איטי מאוד.
      הערה: עבור מיקרו-ערוץ במידות h x w x l = 100 מיקרומטר x 400 מיקרומטר x 18.77 ס"מ, השתמש בקצב זרימה נפחי 2.4 מיקרוליטר לדקה (מתאים לקצב זרימה 0.1 ס"מ לשנייה).
   3. כאשר ההצפה מסתיימת לאחר כ-5 דקות, ודא שלא נוצרו בועות אוויר.
      הערה: אם נוצרות בועות אוויר ולא ניתן להסיר אותן פשוט על ידי הארכת זמן ההצפה, הסר מים נטולי יונים ושטוף את המיקרו-ערוץ בכמות קטנה של אתנול או נוזל אחר עם לכידות נמוכה ומתח פנים נמוך. לאחר מכן, הציפו במהירות את התעלה שוב במים נטולי יונים, והקפידו לשטוף אותה היטב כך שלא יישאר אתנול.
   4. כבה את משאבת המזרק.
2. תנאי התחלתי
   1. מלאו קצה מיקרופיפטה של 0.5 מיקרוליטר עם העוקב מעורבב בשלב 2.7.
   2. קלף את כיסוי הסרט מחור כניסת העוקב באמצעות הלשונית המקופלת. בעזרת הפינה של מגבון מוך נמוך, הסר קלות מי DI מחור כניסת העוקב והמתן 30 שניות כדי להבטיח שחזיתות המים DI יתייצבו.
   3. לאחר שחלף הזמן, שחרר את תכולת המיקרופיפטה לתוך חור הכניסה. אטום מחדש את החור מיד על ידי החלקת הסרט מעליו בלחץ מינימלי בתנועה נוזלית.
      הערה: שלב זה יוצר את התנאי ההתחלתי של המעקב. לפני שניתן יהיה להתחיל את ריצת הניסוי, העוקב יצטרך להתפזר על פני חתך המיקרו-ערוץ.
   4. המתן_{זמן t w} > t_wd עד שבולוס העוקב יתפזר על פני חתך המיקרו-ערוץ.
      הערה: חשב את זמן הדיפוזיה לאורך רוחב הערוץ כ-t_wd = (w/2)²/κ, כאשר κ הוא מקדם הדיפוזיה המולקולרי של העוקב (ס"מ²/s) ו-w/2 הוא מחצית מרוחב המיקרו-ערוץ. בהנחה שהעוקב מוזרק באמצע התעלה, המרחק הגדול ביותר שהוא יצטרך לנסוע כדי להגיע לקיר במהלך תקופת ההמתנה הזו הוא מחצית מרוחבו. דרך זו של חישוב זמן ההמתנה, t_w, ניתנת להכללה לכל חתך רוחב עם בחירה מתאימה של אורך אופייני. בתוצאות המייצגות המדווחות כאן, זמן ההמתנה הוא בערך t_w = 14 שניות עבור w = 400 מיקרומטר, ו- h = 100 מיקרומטר.
3. זרם
   1. ודא שמשאבת המזרק מוגדרת לקצב הזרימה הנפחי הרצוי.
   2. הפעל בו זמנית את משאבת המזרק והפעל את ההדק המרוחק. הפעל את הניסוי במשך 5 דקות, וצלם תמונות בפריים אחד לשנייה.
      הערה: קצב זרימה נפחי של 2.4 מיקרוליטר לדקה מתאים לקצב זרימה של 0.1 ס"מ לשנייה במיקרו-ערוץ עם w = 400 מיקרומטר וגובה h = 100 מיקרומטר (יחס גובה-רוחב: λ = 1/4).

4. עיבוד נתונים

1. הסר את כרטיס הזיכרון מהמצלמה והורד את התמונות למחשב עם תוכנת עיבוד התמונה שתשמש לניתוח.
2. עיבוד נתונים ניסיוני
   הערה: קובצי הקוד המשמשים לעיבוד נתונים כלולים בקובץ משלים 5.
   1. הפעל את קבצי עיבוד הנתונים שסופקו. תמונה שצולמה על ידי מצלמת ה-D-SLR קופצת על המסך. לחץ וגרור אזור מלבני, תוך יישור גובהו למרחק בין דפנות המיקרו-ערוץ.
   2. אם הצדדים האופקיים של המלבן אינם מיושרים בצורה מושלמת עם דפנות המיקרו-ערוץ, יש לסובב את התמונה. רחף עם הסמן מעל פינת המלבן, לחץ וסובב אותו כך שקירותיו האופקיים יהיו מקבילים לאלה של המיקרו-ערוץ. לחץ על מקש כלשהו כדי להמשיך; החלון המוקפץ של התמונה נסגר ונפתח מחדש לאחר סיבובו, כפי שמוצג באיור 5A.
   3. לחץ וגרור אזור מרובע כשאורך הצד תואם את המרחק בין קירות המיקרו-ערוץ וממורכז בנקודת הלכידה. זה יהיה אזור העניין לרכישת נתונים, המוצג באיור 5B; כל תמונה ברצף תיחתך באמצעות אותו אזור. לחץ על מקש כלשהו כדי להמשיך; החלון הקופץ של התמונה ייסגר.
   4. בכל פיקסל של האזור שנחתך, חלץ את הערוץ הכחול מתמונת ה-RGB המלאה (איור 5C) והפוך אותו על ידי הפחתת הערך שלו מ-255, ערך ערוץ הצבע המקסימלי (איור 5D).
      הערה: בחר את הערוץ הכחול ('B' מתוך ה-RGB המלא) מכיוון שהוא הטוב ביותר בלכידת עוצמת צבע פלואורסצאין כאשר מנסים להבחין בין אזור הערוץ מגבול סרט הפולימיד עם מקור התאורה המשמש⁶.
   5. חשב את ערך העוצמה הממוצע של ערוץ כחול הפוך עבור האזור שנחתך.
   6. חזור על שלבים 4.2.4-4.2.5 לכל התמונות הנותרות כדי לחלץ ולאחסן את ערך עוצמת הערוץ הכחול ההפוך הממוצע עבור האזור שנחתך בכל תמונה. התוצאה היא סדרת זמן עבור העוצמה הממוצעת של הערוץ הכחול ההפוך בנקודת הלכידה.
3. התאמה אקסטרפולטיבית
   1. ארגז הכלים המובנה של העקומה הלא ליניארית בקוד לוקח כקלט את העוצמה הממוצעת של סדרת הזמן של הערוץ הכחול ההפוך שהופקה בשלב 4.2.6 ומייצר התאמה באמצעות המשוואה המותאמת אישית:
      (1)
      הקוד משתמש בגישת ריבועים מינימליים לא ליניאריים כדי לחשב את ההתאמה הטובה ביותר לארבעה פרמטרים: h₃, x₁, K ו-h₄. כאן, h₄ הוא תיקון לעוצמת הבסיס הניסיוני הנמדדת כאשר המיקרו-ערוץ מלא במי DI. פרמטר K הוא מקדם הפיזור המשופר הניסיוני.
      הערה: משוואה (1) מותאמת מחיזוי תיאוריית הפיזור של טיילור עבור התפתחות ריכוז העוקב לאורך זמן ^2,5,9 המדווח בתוצאות המייצגות כמשוואה (2).

תוצאות

שלבי ייצור השבבים המיקרופלואידיים מוצגים באיור 1. אנו כוללים באיור 2 את השלבים המוצעים לחיבור צינורות PTFE לקצה המזרק המשמש להזרקת זרימת הרקע של מים נטולי יונים (DI) בשבב המיקרופלואידי דרך משאבת המזרק הניתנת לתכנות. איור 3 כולל תמונה מתויגת של מערך הניסוי השלם. איור 4 כולל דיאגרמות של תצוגה עליונה (איור 4A) ומבט מהצד (איור 4B) של מערך הניסוי המדגישות את מיקום השבב והמצלמה המיקרופלואידיים היחסיים. איור 5 מדווח על רצף הפעולות שהוחלו על תמונות הניסוי בשלב עיבוד הנתונים של הפרוטוקול. באיור 5A אנו מציגים כיצד הקוד מיישר את המיקרו-ערוץ אופקית (במידת הצורך), ואז איור 5B מציג את החיתוך של אזור העניין הריבועי הממוקד סביב נקודת הלכידה ועם אורך הצד שנקבע על ידי רוחב המיקרו-ערוץ, w. איור 5C מבודד את הערוץ הכחול מתמונת ה-RGB המלאה באזור העניין שנחתך, ואז לבסוף איור 5D מציג את ערך העוצמה ההפוך עבור הערוץ הכחול של האזור שנחתך המתקבל על ידי הפחתתו מ-255 (העוצמה המקסימלית עבור כל ערוץ צבע).

איור 6 מכסה את התוצאות מריצת ניסוי אחת (מקווקו) עם ההתאמה האקסטרפולטיבית המתאימה (מוצקה). כאן, כל נקודת נתונים ניסיונית היא ערך עוצמת הערוץ הכחול ההפוך הממוצע המחושב באמצעות שלבי עיבוד הנתונים המוצגים באיור 5. בנקודת הלכידה הקבועה במורד הזרם מכניסת העוקב, תיאוריית פיזור טיילור ^2,5,9 חוזה כי התפתחות ריכוז העוקב לאורך זמן מתוארת על ידי:

(2)

כאשר C(t) הוא ריכוז העוקב הממוצע בחתך (g/L), שאומת כקשור באופן ליניארי לעוצמה הנמדדת של העוקב; C₀ הוא ריכוז העוקב הראשוני (g/L), U הוא קצב הזרימה (ס"מ/s), t הוא זמן (s) ו-x (ס"מ) הוא הקואורדינטה הצירית בערוץ ביחס למיקום הזרקת העוקב. K הוא מקדם הפיזור המשופר של העוקב (ס"מ²/s) עקב האינטראקציה של אדבקציה ודיפוזיה מולקולרית. אנו מזינים את הפרמטרים הניסיוניים ומשתמשים ביישום התאמת העקומה הלא ליניארית של הקוד (curveFitter) כדי למצוא את ערך ההתאמה הטוב ביותר עבור K. שלוש מסגרות ניסיוניות לזמן t = 140 שניות, 150 שניות ו-200 שניות מוצגות לצד העקומות הניסיוניות (המקווקוות) והמותאמות (מוצקות) המיוצרות עבור ריצה ניסיונית אחת בקצב זרימה U = 0.1 ס"מ לשנייה במיקרו-ערוץ באורך 18.77 ס"מ ויחס גובה-רוחב λ = 1/4; זה מתאים למספר Péclet Pe 88. כאן, העוקב מורכב מ-0.6 גרם/ליטר של מלח נתרן פלואורסצאין מדולל במי DI עם מקדם דיפוזיה מולקולרי המדווח בספרות^10,11 כ-κ = 5.70 x ^10-6 ס"מ²/s. כל הניסויים המדווחים בכתב יד זה נערכו בטמפרטורת חדר של 22 מעלות צלזיוס.

ניתן להשתמש במקדם הפיזור המשופר הניסיוני, K, כדי לבחון את תוקף המערך והפרוטוקול הניסיוני שלנו על ידי חישוב כמות קשורה - גורם הפיזור ^2,5,9,12, f. פרמטר זה תלוי בגיאומטריה של הערוץ ומחושב כ- ^5,12,13:

(3)

כאשר κ הוא מקדם הדיפוזיה המולקולרי של העוקב (ס"מ²/s) ו-h/2 הוא האורך האופייני הנבחר. מספר פקלה הוא פרמטר לא ממדי המכמת את היחס בין השפעות אדבקטיביות לדיפוזיביות, Pe = Uh/(2κ). איור 7 מראה התאמה טובה בין תוצאות גורם הפיזור מריצות ניסיוניות במיקרו-ערוצים עם חתכים מלבניים של שלושה יחסי גובה-רוחב וקצבי זרימה שונים, לבין התנהגות גורם הפיזור התיאורטית ^5,12,13.

איור 1: ייצור שבבים מיקרופלואידיים. (A) תכנון עבור יריעת הפוליאסטר העליונה של שבב 21 x 5 ס"מ. שלושה חורים נחתכים על ידי חותך המלאכה השולחני, משמאל לימין, כדי לשמש ככניסת זרימה, כניסת עוקב ויציאת זרימה, בהתאמה. (B) תכנון עבור מיקרו-ערוץ פולימיד בגודל 18.77 ס"מ עם נקודת לכידה 15 ס"מ במורד הזרם מכניסת העוקב. (C) תצוגה מפוצצת של מכלול שבבים מיקרופלואידיים, מלמטה למעלה: שכבת פוליאסטר תחתונה, שכבת מיקרו-ערוץ פוליאמיד, שכבת פוליאסטר עליונה עם אטם פולימיד ויציאה מודפסת בתלת מימד. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תרשים המראה כיצד לחבר צינורות PTFE לקצה מזרק. מזהה הצינור הוא 0.3048 מ"מ, וקצה המזרק 27-G OD הוא 0.4064 מ"מ, כך שביצוע חתך קטן של כ-1 מ"מ (משמאל) יכול להועיל במתן שטח פתיחה רחב יותר להנחיית קצה המזרק (מרכז). השתמש בפינצטה כדי להכניס את הצינור מעל קצה המזרק ולמשוך כלפי מטה (ימינה). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: תמונה מתויגת של מערך הניסוי. משמאל לימין: מצלמת D-SLR עם עדשת מאקרו 20 מ"מ f/2 מותקנת עם הפנים כלפי מטה על חצובה כדי ללכוד את המיקרו-ערוץ המודבק ללוח האור המואר. מזרק זכוכית של 0.5 מ"ל המחובר למיקרו-ערוץ דרך צינורות PTFE מוגדר על משאבת המזרק הניתנת לתכנות. ההדק המרוחק משמש להפעלת המצלמה במהלך ריצות הניסוי. המיקרו-פיפטה משמשת ליצירת המצב ההתחלתי של העוקב, כמתואר בשלב 3.2 של הפרוטוקול. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: דיאגרמות של מערך הניסוי (לא בקנה מידה). (A) מבט עליון, משמאל לימין: משאבת מזרק ניתנת לתכנות המותקנת עם מזרק זכוכית 0.5 מ"ל; צינורות PTFE המחברים משאבת מזרק לשבב מיקרופלואידי; שבב מיקרופלואידי, מודבק על לוח אור במרחק של 1 ס"מ מהקצה; מיקרופיפטה המשמשת להזרקת תמיסת מעקב דרך חור כניסת העוקב; מצלמת ריפלקסית דיגיטלית עם עדשת מאקרו המותקנת על חצובה עם הפנים כלפי מטה כדי למסגר את נקודת הצילום. (B) מבט מהצד, משמאל לימין: צינורות PTFE המחברים משאבת מזרק לשבב מיקרופלואידי; קצה מזרק ויציאה מודפסת בתלת מימד על שבב מיקרופלואידי; מיקרופיפטה המשמשת להזרקת תמיסת מעקב דרך חור כניסת העוקב; מצלמת ריפלקסית דיגיטלית עם עדשת מאקרו המותקנת עם הפנים כלפי מטה 1 ס"מ מעל נקודת הצילום. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: שלבי עיבוד תמונה בקוד המצורף (ראה קובץ משלים 5). (A) תמונת ניסוי מסובבת כך שהמיקרו-ערוץ יהיה אופקי. סרגל קנה מידה: 1000 מיקרומטר. (B) בחירה מרובעת עבור אזור העניין (ROI) שיש לחתוך עם אורך צד התואם את המרחק בין קירות מיקרו-ערוצים; כאן, 400 מיקרומטר (C) החזר השקעה קצוץ שבו הערוץ הכחול נבחר מתוך התמונה המלאה של אדום, ירוק וכחול (RGB). סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. (D) ערוץ כחול הפוך עבור החזר ההשקעה שנחתך. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: עוצמת עוקב ממוצעת בחתך רוחבי לעומת זמן בנקודת לכידת המצלמה עבור עוקב פלואורסצאין (מקווקו) המונח על התאמת העקומה האקסטרפולטיבית (מוצק). ניסוי זה נערך עם 0.6 גרם/ליטר של מלח נתרן פלואורסצאין במעקב מים DI, על מיקרו-ערוץ באורך 18.77 ס"מ ויחס גובה-רוחב λ = 1/4, בקצב זרימה 0.1 ס"מ לשנייה ו-Pe 88. עוצמת הערוץ הכחול ההפוכה עבור שלוש מסגרות ניסיוניות לפעמים 140 שניות (כחול), 150 שניות (כתום) ו-200 שניות (ירוק) מוצגת מעל התרשים עם בהירות כפולה לבהירות. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: גורם פיזור לעומת יחס גובה-רוחב מיקרו-ערוצי. השוואה בין ערכים תיאורטיים (עקומה כחולה) וערכים ניסיוניים (נקודות נתונים שחורות) עבור גורם הפיזור, f. העקומה התיאורטית מתקבלת באמצעות פתרון משוואות דיפרנציאליות חלקיות בשיטת האלמנטים הסופיים המובנית ב-Wolfram Mathematica (NDSolve)¹². אנו מציגים ממוצע וסטיית תקן של נתוני ניסוי עבור: ארבעה ניסויים עם λ = 0.1 וקצב זרימה 0.02 ס"מ לשנייה; שנים עשר ניסויים עם λ = 0.25 וקצבי זרימה 0.05 ס"מ לשנייה (ארבעה), 0.1 ס"מ לשנייה (ארבעה) ו-0.2 ס"מ לשנייה (ארבעה); ארבעה ניסויים עם λ = 0.5 וקצב זרימה 0.1 ס"מ לשנייה. כל הניסויים נערכו במיקרו-ערוצים באורך 6.07 ס"מ (עם נקודת לכידה 3 ס"מ במורד הזרם מכניסת העוקב); לאחר מכן נבדקו התוצאות במיקרו-ערוצים של 18.77 ס"מ. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: קובץ .sdlprt עבור היציאה אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: . קובץ תבנית DXF של השכבה העליונה של השבב. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

תיק משלים 3: . קובץ תבנית DXF של אטמי השבב. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

תיק משלים 4: . קובץ תבנית DXF של המיקרו-ערוץ של השבב. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

קובץ משלים 5: קבצי קוד MATLAB המשמשים לעיבוד נתונים. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.

דיון

בדוח זה, הצגנו מערך ניסוי ופרוטוקול חוזרים ונגיש להתאמת ניסוי פיזור טיילור לסולם המיקרופלואידי. אנו ממנפים טכניקת קסרוגרפיה קיימת⁵ כדי לייצר את המיקרו-ערוצים שלנו בתוך החברה בעלות נמוכה באמצעות הדפסת תלת מימד וחותך מלאכה שולחני. התקן הנוכחי בתעשייה לייצור מיקרו-ערוצים כולל יצירת תבניות מאסטר בהן ניתן ליצוק תעלות. בהשוואה לטכניקה הנדונה בכתב יד זה, שיטות אלה יכולות להיות בעלות רזולוציית ערוצים וגודל תכונה טובים יותר באופן משמעותי (חלקן קטנות עד 0.1 מיקרומטר), אך יש להן חיסרון של עלויות תקורה גבוהות בהרבה, עד עשרות אלפי דולר¹⁴. בנוסף לעלות התקורה הראשונית, כל שינוי בתכונות עיצוב הערוץ דורש הן יצירת תבנית מאסטר חדשה והן ריפוי של ערוצים חדשים, מה שמגדיל את זמן ההשבתה. לעומת זאת, העלות ההתחלתית של ציוד ייצור הערוצים המשמש בדוח זה היא כ-300 דולר; זה דומה לדרך הזולה ביותר לייצור תבנית מאסטר, (כגון שימוש בטכניקות מבוססות פולידימתילסילוקסן (PDMS), אך יש לו יתרון בכך ששינויים בעיצוב הערוצים והדפסת תעלות חדשות לוקחים פחות זמן באופן משמעותי תוך שמירה על חספוס פני השטח בהשוואה לטכניקות הייצור המובילות עבור תעלות ברוחב 200 מיקרומטר⁵. אנו מסוגלים לחתוך שבב מיקרופלואידי בפחות מ-5 דקות ובפחות מ-1 דולר.

בפרוטוקול זה, הנתונים נרשמים בנקודת לכידה קבועה במורד הזרם מכניסת העוקב באמצעות הדמיית שדה בהיר באמצעות מצלמת D-SLR המותקנת עם עדשת מאקרו. בעוד שהפרוטוקול פותח באמצעות תמיסה של מלח נתרן פלואורסצאין במים נטולי יונים (DI), שיטת הדמיה זו ישימה לסוגים אחרים של צבע, כגון צבעי מאכל, כל עוד יש קשר ליניארי בין עוצמת העוקב לריכוז. ניתן להרחיב עוד יותר את המגוון הפוטנציאלי של כימיקלים לשימוש על ידי התחשבות בספקטרום הספיגה ותאורת הרקע שלהם. עם זאת, נציין כי חלק מצבעי המאכל נגזרים מחומרים צמחיים ועשויים להכיל יותר ממין כימי אחד; יש לנקוט משנה זהירות בבחירת צבע המאכל שישמש כדי למנוע תוצאות סותרות.

תוקף ההגדרה והפרוטוקול הזה אומת על ידי חישוב גורם הפיזור הניסיוני, f, עבור יחס גובה-רוחב ערוץ משתנה וקצב זרימה ניסיוני, והשוואתו לערכים התיאורטיים שלו עבור מיקרו-ערוצים של חתכים מלבניים, כפי שמוצג באיור 7. חישבנו גם את מקדם הדיפוזיה, κ, עבור עוקבים פסיביים של מין יחיד בתנאי ניסוי משתנים אלה. טבלה 1 מדווחת על מקדם הדיפוזיה המולקולרית של מלח נתרן פלואורסצאין שהתקבל ממחקר ניסיוני זה. באופן ספציפי, ערכי κ בטבלה חושבו ממשוואה (3) על ידי שימוש בהתאמות ניסיוניות למקדם הפיזור המשופר, K, וערכים תיאורטיים עבור גורם הפיזור, f. אנו מדווחים על ערכים ממוצעים עבור ארבעה ניסויים במיקרו-ערוצים עם יחסי גובה-רוחב משתנים (λ = 0.1, 0.25 ו-0.5) וקצבי זרימה (0.05, 0.1 ו-0.2 ס"מ לשנייה). עבור כל אחד מהם, אנו כוללים גם את השגיאה היחסית ביחס לערך התיאורטי^10,11, κ = 5.70 x ^10-6 ס"מ²/s, מה שמדגים את הדיוק של השיטה שלנו. לבסוף, עבור כל קבוצה של פרמטרים ניסיוניים אנו מדווחים על מספר פקלט וטווח הזמן הלא ממדי המוגדר על ידי חלוקת הזמן הממדי t כאשר עקומת עוצמת הניסוי חורגת מקו הבסיס, על ידי זמן דיפוזיה t_d = h²/(4κ). אנו כוללים את טווח הזמן הניסיוני הלא-ממדי כדי להוכיח שהמערכת שלנו נכנסה למשטר פיזור טיילור ולכן ניתן להעריך אותה היטב על ידי פרופיל גאוס¹⁵. למעשה, זמני התצפית המדווחים בשתי העמודות האחרונות של טבלה 1, הם בערך פי 2-5 (או יותר) מזמן הדיפוזיה t_d.

לאחר מכן, הרחבנו את הפרוטוקול כדי לחקור אינטראקציה והפרדה של יונים מרובי מינים. אנו מדווחים להלן על התוצאות שלנו מיישום ניסוי פיזור טיילור על תמיסת אלקטרוליטים רב-מינים המיוצרת על ידי ערבוב פלואורסצאין, מלח נתרן וצבעי מאכל כחולים במי DI. איור 8 מציג את התפתחות הזמן של עקומות עוצמת הערוץ הכחול ההפוך בנקודת לכידת המצלמה עבור שלושה מומסים: תמיסת צבע מאכל כחול במי DI (-), תמיסת מלח נתרן פלואורסצאין במי DI (...), ותמיסת צבע מאכל כחול מעורב ותמיסת מלח נתרן פלואורסצאין במי DI (----). כל עקומה היא ממוצע של חמישה ניסויים ניסיוניים עם סטיית תקן אחת לכל כיוון (הצללה). העקומות מראות שהניסויים עם צבעי מאכל כחולים בלבד (–) מגיעים למינימום תחילה, בהשוואה לסולם הזמן של המקסימום עבור ניסויי מלח נתרן פלואורסצאין (...). זה עולה בקנה אחד עם העובדה שלמלח נתרן פלואורסצאין יש מקדם דיפוזיה מולקולרית בסדר גודל אחד קטן מזה של כחול 1, מרכיב הצבע לצבע המאכל הכחול המשמש¹⁶. ניסויי התמיסה המעורבת (----) מדגישים את ההבדל הזה בסולם הזמן ואת הפרדת היונים הנובעת מכך הנראית לעין באמצעות שינוי קעור בפרופיל העוצמה; העקומה יורדת תחילה מתחת לקו הבסיס לפני שהיא פונה כלפי מעלה ומגיעה לשיא מעל קו הבסיס. באיור 9 אנו משרטטים את אותה עקומת עוצמת ערוץ כחול הפוכה (----) המכוסה בעקומה המתקבלת על ידי סיכום התרומות האישיות של ניסויי צבעי המאכל הכחולים וניסויי מלח הנתרן הפלואורסצאין (+++). ההבדל בין שתי העקומות מדגיש את ההשפעה שיש לאינטראקציה של יון-יון על עקומת עוצמת התמיסה המעורבת. כאשר פשוט מוסיפים את שתי תרומות המומסים הבודדות, העקומה (+++) מציגה מינימום עמוק יותר המונע על ידי התרומה החזקה מתחת לקו הבסיס של תמיסת הצבע הכחול (מוצגת כ- באיור 8), לפני שהקעור משתנה בסולם זמן ארוך יותר בהשוואה לעקומת התמיסה המעורבת (----). לבסוף, עקומת הסכום מציגה שוב שיא גבוה יותר מעל קו הבסיס בהשוואה לעקומה המעורבת, בשל התנהגות תמיסת מלח הנתרן הפלואורסצאין (מוצגת כ...  באיור 8). השיא הרך יותר יחד עם קיצור ציר הזמן הוא אינדיקציה לאינטראקציה בין צבע המאכל הכחול ליוני מלח הנתרן הפלואורסצאין.

פרופילי העוצמה באיור 6, איור 8 ואיור 9 מציגים הטיה; ייתכן שהדבר נובע מכמה הבדלים בין תיאוריית פיזור טיילור הקלאסית ^2,5,9 לבין הכמות שנמדדה בניסויים. פרופיל הריכוז החזוי על ידי משוואה (2) הוא סימטרי במרחב, אך במערך הניסוי שלנו המדידה נלקחת בנקודת לכידה קבועה במורד הזרם מאתר הזרקת העוקב כפונקציה של זמן. כאשר מסתכלים עליו כפונקציה של זמן, הפרופיל המתקבל מוטה מטבעו. אסימטריה זמנית זו עולה בקנה אחד עם תצפיות שדווחו במחקרים קודמים, כולל Taylor and Harris (2019)⁵. סיבה אפשרית נוספת להטיה היא השפעת האזור הסופי של חלון לכידת התמונה הניסיוני. חלופה אפשרית להתאמה הגאוסית המתוארת במשוואה (1), כרוכה בהתאמת נתוני הניסוי לאינטגרל של הביטוי הגאוסי במשוואה (2) על פני אזור לכידת התמונה הסופי (ב-x), כפי שנעשה ב-Bharadwaj, Santiago, and Mohammadi (2002)¹⁷. תרומה זו להטיה הופכת רלוונטית במיוחד כאשר גודל תיבת הלכידה דומה לסטיית התקן של עקומת גאוס; כאן, אורך חלון הלכידה שלנו תמיד קטן לפחות בסדר גודל אחד מסטיית התקן של הגאוס.

שיטה ניסויית זולה זו מספקת גישה נגישה לניסוי פיזור טיילור בקנה מידה מיקרו. השלב העדין ביותר בפרוטוקול הוא ייצור והסרה של המיקרו-ערוץ השלילי. במהלך תהליך הייצור, יש לנקוט בזהירות יתרה כדי להבטיח שהתעלה מאובטחת לפני החיתוך כדי למנוע חיתוכים שגויים. בעת הסרת התשליל, ודא שלא נשאר חומר מאחור והימנע מכל מגע עם דפנות התעלה, שצריכות להיות חלקות, מקבילות וישרות כדי להבטיח תוצאות ניסוי אמינות. מגבלה של שיטה זו היא מגבלת הרזולוציה האינהרנטית של הקסרוגרפיה. בכתב היד הזה, הערוצים הקשים ביותר להפקה הם אלה עם רוחב w = 200 מיקרומטר (ויחס גובה-רוחב λ = 0.5), שדחפו את הגבול של רזולוציית חותך המלאכה⁵. הגורם העיקרי לשגיאה הוא מנוע הצעד המופעל על ידי חותך המלאכה, המניע את הלהבים במרווחי מדרגות מוגדרים על סמך גלגלי שיניים מכניים. כאשר תכנים דורשים חיתוכים להיות בין מרווח הצעד המוגדר, מוצגת שגיאה גדולה יותר. עבודה מעמיקה המזהה את מגבלות הרזולוציה של שיטת קסרוגרפיה זו זמינה בספרות⁵.

הליך ניסיוני זה מספק דרך פשוטה לחשב את גורם הפיזור המשופר, K, ומקדם הדיפוזיה המולקולרי, κ, של עוקבים פסיביים של מין יחיד. בנוסף, הפרוטוקול מציע דרך פשוטה לדמיין את האינטראקציה ודינמיקת ההפרדה בין מיני יונים. בהתחשב בנגישות וברבגוניות של הפלטפורמה, שיטה זו מתאימה לניתוח הדינמיקה בין מיני יונים ולהבנה נוספת של יחסי הגומלין המורכבים של תופעות הובלה וניתן להשתמש בה בקלות ביישומים כגון מיקרו-מערבל.

					זמן לא ממדי
יחס גובה-רוחב, λ	קצב זרימה (ס"מ לשנייה)	κ ניסיוני (ס"מ2/s)	שגיאה יחסית	מספר פקלה (Pe)	טי מינימום/טוןד	Tמקסימום/TD
0.1	0.02	5.813 x 10-6 ± 3.797 x 10-7	1.982 על 10-2	~ 18	~ 30	~ 52
0.25	0.05	5.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-7	6.443 על 10-2	~ 44	~ 11	~ 27
0.25	0.1	5.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-7	7.838 על 10-3	~ 88	~ 6	~ 16
0.25	0.2	5.978 x 10-6 ± 1.724 x 10-7	4.884 על 10-2	~ 175	~ 2	~ 10
0.5	0.1	5.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-7	4.496 על 10-2	~ 88	~ 6	~ 16

טבלה 1: מקדם דיפוזיה מולקולרית ניסיוני (κ) עבור מלח נתרן פלואורסצאין. התוצאות מחושבות ממשוואה (3) על ידי שימוש בהתאמות ניסיוניות עבור מקדם הפיזור המשופר, K, וערכים תיאורטיים עבור גורם הפיזור, f. כל שורה מדווחת על ערך κ הממוצע (וסטיית התקן הקשורה אליו) עבור ארבעה ניסויים במיקרו-ערוצים עם יחס גובה-רוחב מוגדר (λ = 0.1, 0.25 או 0.5) וקצב זרימה (0.05, 0.1 או 0.2 ס"מ לשנייה). עבור כל אחד מהם, אנו כוללים את השגיאה היחסית ביחס לערך התיאורטי^10,11, κ = 5.70 x ^10-6 ס"מ²/s, כדי להדגים את הדיוק של השיטה שלנו. בנוסף, עבור כל שורה אנו מפרטים את מספר הפקלט הניסיוני ואת טווח הזמן הלא ממדי המוגדר על ידי חלוקת הזמן הממדי t כאשר עקומת עוצמת הניסוי חורגת מקו הבסיס, על ידי זמן דיפוזיה t_d = h²/(4κ).

איור 8: התפתחות הזמן של עוצמת עוקב ערוצים כחולים הפוכה ממוצעת בנקודת לכידת המצלמה עבור שלושה עוקבים. התפתחות זמן של עוצמת עוקב תעלה כחולה הפוכה ממוצעת בנקודת לכידת המצלמה עבור שלושה עוקבים: תמיסה של צבע מאכל כחול במי DI (ביחס ריכוז צבע מאכל: DI = 1:20 מ"ל, –), תמיסה של מלח נתרן פלואורסצאין במי DI (בריכוז 0.6 גרם/ליטר, ...), ותמיסה מעורבת המכילה גם צבעי מאכל כחולים וגם מלח נתרן פלואורסצאין עם אותם ריכוזים כמו בניסויי העוקב האישיים שלהם (----), כלומר צבע מאכל כחול: DI = 1:20 מ"ל ו-0.6 גרם/ליטר פלואורסצאין. כל עקומה היא ממוצע של חמישה ניסויים ניסיוניים עם סטיית תקן אחת לכל כיוון (הצללה). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9: התפתחות הזמן של עוצמת עוקב ערוצים כחולים הפוכה ממוצעת בנקודת לכידת המצלמה עבור פתרון מעורב. התפתחות זמן של עוצמת מעקב ערוצים כחולים הפוכה ממוצעת בנקודת לכידת המצלמה עבור תמיסה מעורבת המכילה צבע מאכל כחול ומלח נתרן פלואורסצאין (----) עם צבע מאכל כחול: DI = 1:20 מ"ל ו-0.6 גרם/ליטר פלואורסצאין, ועקומת סכום (+++) המשלבת את עוצמת ניסויי תמיסת צבעי המאכל הכחולים (עקומה מוצקה באיור 8, –) וניסויי תמיסת מלח נתרן פלואורסצאין (עקומה מקווקו באיור 8, ...). העקומה המעורבת היא ממוצע של חמישה ניסויים ניסויים עם סטיית תקן אחת לכל כיוון (הצללה). סטיית התקן של עקומת הסכום מחושבת על ידי לקיחת השורש הריבועי של סכום סטיות התקן בריבוע מהניסויים עם כל פתרון עוקב בודד. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
פיפטת נפח מתכווננת, 0.5– 10 μ L	מוהווא	B08TBPMKZL	הפך לשולחן
מחצלת חיתוך קמאו, 12 x 12 אינץ'	סילואט אמריקה	8.19177E+11	נעשה שימוש בפונקציית aphabetize בטבלה
סוללת פלאגין למצלמה	ניוור	B0B5WY8T96	הוסרו יציאות מודפסות בתלת מימד
חצובה למצלמה	ואנגארד	B00CCA1Y3S	נוספה מדפסת תלת מימד טופס 2 נוספה מדפסת תלת מימד טופס 2
שרף שקוף V5	פורמלאבס	https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/	שרף להדפסת תלת מימד
מאיץ דבק ציאנואקרילט (CA)	סטארבונד	B00BUVAZ5S	הוסיף גם שרף
מצלמת ריפלקסית דיגיטלית	ניקון	D500	נוספה תוכנת מדפסת
תוכנת לוח מחוונים	פורמלאבס	https://formlabs.com/software/dashboard/	תוכנת הדפסת תלת מימד הוסיפה CAD solidworks
מים נטולי יונים	לא ישים	לא ישים	נוסף MATLAB
פאנל LED ניתן לעמעום	קייזר פוטוטכניק	202455	Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 אינץ שינה את מנת ה-FSS למספר קטלוגי
סרט פולימיד דו צדדי, גליל 1 אינץ' x 36 יארד	ברטק	B00HFN6E0K
צבע מלח נתרן פלורסצאין - 100 גרם	סיגמא-אולדריץ'	ברקוד 5184א17
מדפסת תלת מימד טופס 2	פורמלאבס	https://formlabs.com/3d-printers/form-2/
מזרק זכוכית עם קצה לואר, 500 ומיקרו; L	חברת המילטון	PN: 80801
פינצטה בעלת דיוק גבוה, רוחב 0.004 אינץ' x עובי 0.002 אינץ'	מקמאסטר קאר	ECCN: EAR99	קצה מחודד סטנדרטי
KimWipes	קימטק	B0013HT2QW	4.4 x 8.4 אינץ'
קצות פיפטור פיפטה נוזלית, 1000 יח'/שקית	מוהווא	B07S1WJCHP	דרוש 1 לכל ניסוי ניסיוני
עדשת מאקרו 20 מ"מ f/2	מיטקון ז'ונגיי	B075JRGWW1
סרט מיסוך, 0.70 אינץ' x 54.6 יארד	מותג סקוטי	B00347A8E4
תוכנת MATLAB, מהדורה 2023b	מת'וורקס	https://www.mathworks.com/products/matlab.html
דבק CA בינוני, 2 אונקיות	סטארבונד	126150047	ציאנואקרילט סופר גלו פרימיום
כרטיס זיכרון, 64 ג'יגה-בייט	סן דיסק	‎ B09X7C7NCZ
צבעי מאכל מגוונים ניאון & צבע ביצה, 1.5 אונקיות נוזל	מקורמיק & חברה, בע"מ	B09PFV6275	ורוד, ירוק וכחול. יש צורך רק בבקבוקון אחד של צבע מאכל כחול. מרכיבי צבעי מאכל כחולים: מים, פרופילן גליקול, FD& C כחול 1, פרופילפרבן (חומר משמר).
איזון מדויק	מכשירי מעבדה של Sartorius	לפני הספירה 224 - 1	Entris® II קו חיוני. משמש לשקילת אבקת מלח נתרן פלואורסצאין לערבוב עקבות.
מיקרו-צינורות PTFE, קוטר פנימי "0.012 x קוטר חיצוני "0.030	קול פארר	MP-00060882	צינורות העברת מיקרובור. מינימום צורך: 50 ס"מ.
טריגר הניתן לתכנות מרחוק	פיקסל פרו	TW-283DC0/DC2
מספריים	אמזון	B01BRGUAT6
סקוטש	מותג סקוטי	B01C5IHGJW
צללית Cameo 4 חותך מלאכה	סילואט אמריקה	8.19177E+11
צללית Cameo AutoBlade (סוג B)	סילואט אמריקה	8.19177E+11	2 דרושים
Silhouette Studio Basic Edition תוכנה גרסה 4.5	סילואט אמריקה	https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio	אם מייבאים את קובץ . קובצי תבנית DXF המסופקים כחלק מהקבצים המשלימים בגרסת תוכנה זו, הגדר תחילה את הגדרות ייבוא התוכנה לקריאת גודל הקובץ 'כפי שהוא' על-ידי לחיצה על: Edit > Preferences > Import > DXF > Open > As-is.
מגן גומי רך, 4.75 x 1.75 x 6.62 אינץ'	כדור מהירות	B003IFY622
תוכנת SOLIDWORKS, מהדורת חינוך	סולידוורקס	https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
משאבת מזרק עילית סטנדרטית להחדיר/למשוך 11	מנגנון הרווארד	70-4504
קצה מזרק עם מנעול לואר, גודל קצה: 0.5 אינץ', 27 מד, שקוף	מטקל	B00F4B9W40	2 דרושים
יריעות פוליאסטר שקופות במיוחד, 12 x 12 x 0.007 אינץ'	גרפיקס	B001K7Q6Z0