טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים
4 בדצמבר 2017
שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לחקור תהליכים הידרודינמיים בקנה מידה מולקולרי בנוזלים באמצעות טכניקה אנלוגית המודדת דינמיקה של חלקיקים בודדים וקולקטיביים בערימות גרגרים רוטטות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מספקת מיקרו-מעטפת הפוכה נגישה בניסוי להתבוננות ישירה בדינמיקה מורכבת בקנה מידה מולקולרי. מכיוון שטכניקה זו משולבת חזק במכניקה הסטטיסטית של מערכות חלקיקים אינטראקטיביות, היא פותחת דלת לחקירה ניסויית בשאלות היסוד בתחום זה.
ניתן ליישם טכניקה זו גם כדי לחקור את המכניקה הסטטיסטית של מערכות חלקיקים מקרוסקופיות הפועלות באינטראקציה, כגון ערימות התבואה הרוטטות שאנו חוקרים. בדרך כלל, אנשים המשתמשים בטכניקה זו יתקשו ללמוד את מרכיבי המכניקה הסטטיסטית של שיווי משקל ואי-שיווי משקל הנחוצים לפירוש תצפיות ניסיוניות בתכנון ניסויים. הדגמה חזותית של טכניקה זו היא קריטית מכיוון שהיא מרחיבה את מהירות הדמיית החלקיקים, המשמשת בדרך כלל למדידת תנועה של חלקיקים בקנה מידה מיקרוני לתנועה של גרגירים בקנה מידה של סנטימטר.
הניסוי משתמש במערכת רטט זו. הוא מורכב מקערת פוליאוריטן טבעתית המחוברת למנוע לא מאוזן במהירות אחת ליצירת רעידות. אלה מחוברים לבסיס משוקלל ומופרדים על ידי קבוצת קפיצים.
חבר את מכלול הקערה למעמד שלו בעזרת ווי גומי. בתוך הקערה, חבר מד תאוצה תלת-צירי. זה מחובר לאות חיישן על שולחן הרחק ממערכת הרטט.
לאחר מכן, עבדו עם המדיה שנבחרה לניסוי. במקרה זה, השתמש במשולש ליטוש קרמי בחיתוך ישר עם אורכי צד שווים. מוסיפים את המדיה לקערת הרטט ליד הקערה, יש תמיסת מים ותרכובת גימור מוכנה להרטיב את המדיה.
כמו כן, הגדר משאבה פריסטלטית כדי להזיז את הנוזל בקערת הרטט. העבירו צינור פלסטיק מהמשאבה לחלק העליון של הקערה. הגדר את קצב המשאבה אך אל תתחיל זרימה.
להדמיה, הגדר מצלמה במהירות גבוהה. בחר עדשה המתאימה לשילוב ולרזולוציה הרצויה של פני השטח. תמכו במצלמה על מבנה מבודד ממערכת הרטט.
בעת הרכבת המצלמה, אורכה צריך להיות בניצב למשטח הפתוח של המדיה ו-550 מילימטרים מעליה. לאחר מכן, חבר את המצלמה לאספקת החשמל שלה, לאנטנת GPS ולמחשב. במחשב, הפעל את תוכנת המצלמה ובחר את המצלמה.
View שדה הראייה של המצלמה בשידור חי עם התוכנה. בהגדרה, השתמש בכל אור בהיר כדי להאיר את אזור הבדיקה. שדה הראייה הנבחר צריך להיות מואר באופן שווה.
לאחר מכן, השתמש בתוכנת המצלמה כדי להגדיל דיגיטלית עד פי 500. במצלמה, כוונן את טבעת המיקוד של העדשה. המטרה היא להשיג את המיקוד האופטי הטוב ביותר לאיסוף נתונים.
לאחר מכן החזר את הזום הדיגיטלי ללא הגדלה. המשך על ידי הגדרת קצב רכישת המצלמה. לפני צילום תמונות, מקם סולם מסודר בשדה הראייה.
השתמש במצלמה כדי להקליט תמונה אחת שלו. שמור את התמונה כקובץ TIFF לפני מחיקתה מהמצלמה. לאחר שהמצלמה מוכנה, התכוננו להפעיל את קערת הרטט.
קבל 150 מיליליטר של תמיסת תרכובת גימור מהמיכל. קח את 150 מיליליטר לקערת הרטט ופזר את התמיסה באופן שווה כדי לספק את ההרטבה הראשונית של המדיה. לאחר מכן, הניחו את מיכל התרכובת הגדול על הרצפה ליד המשאבה הפריסטלטית.
חבר צינור מהמשאבה למיכל לפני הפעלת המשאבה. בשלב זה, הפעל את קערת הרטט והמתן דקה אחת לפחות. כאשר הזרימה במצב יציב, הפעל את המצלמה להקליט פעולה בשדה הראייה עבור זמן הריצה הנבחר.
הפריימים המוקלטים הללו הפכו לסרטון. כאשר הנתונים נאספים, עצור את מערכת הרטט. ואז עצור את המשאבה הפריסטלטית.
לעיבוד, שמור את התמונות שנרכשו כקבצי TIFF במחשב והמר אותן לגווני אפור. לאחר מכן התחל לעבוד בתמונת החלקיקים של סביבת תוכנת הוולוצימטריה. עבור אל קובץ ומשם אל ייבוא ולאחר מכן ייבוא תמונות.
בתיבת הדו-שיח אשף הייבוא, בחר מסגרת בודדת ולאחר מכן הוסף תמונות. כעת בחר את תמונת הכיול כדי להוסיף אותה לתמונות לייבוא. לחץ/י שוב על ״הוסף תמונות״ וסמן את כל תמונות הנתונים כדי לבחור אותן לייבוא.
המשך בלחיצה על הבא. במסך הבא, הזן את הגדרות המצלמה, כלול את קצב הפריימים וגובה הפיקסלים. לאחר הזנת אלה, לחץ על הבא ולאחר מכן על סיום.
כעת עבור לרשימת התוכן. תמונת הכיול צריכה להיות ראשונה. לחץ לחיצה ימנית על התמונה השנייה, בחר פיצול אנסמבל מכאן כדי ליצור שתי ערכות תמונות.
תפוס את ערכת התמונות עם תמונת הכיול בלבד ושחרר אותה במיקום שכותרתו כיול חדש. לאחר מכן, לחץ לחיצה ימנית על ערכת תמונות הכיול ובחר מדוד גורם קנה מידה. תמונת הכיול תופיע על המסך.
בתמונה, מקם את סמן A בסרגל תמונת הקצה. לאחר מכן מקם את סמן B במיקום אחר בסרגל. עבור אל תיבת הטקסט מרחק מוחלט והזן את המרחק בין הסמנים בהתאם לסרגל.
לחץ על אישור כדי לשמור את ההגדרות ולהמשיך. כעת בחר את ערכת התמונות המיובאת ללא תמונת הכיול. עבור כדי ללחוץ על נתח.
בחרו 'צור מסגרת כפולה'. לאחר מכן בחר ליצור זוגות תמונות מאפשרויות הסגנון. כדי להגדיר את אזור החקירה, פתח כל תמונה שאינה כיול.
לחץ לחיצה ימנית על התמונה ובחר צפיפות חלקיקים. בתיבת הדו-שיח שמופיעה, תהיה תצוגה מוגדלת של אזור בדיקה. לחץ על הגדרות הכרטיסייה והתחל לשנות את אזור גודל הבדיקה.
המטרה היא שיהיו באופן עקבי מינימום של שלושה חלקיקים באזור הבדיקה. שימו לב לגודל שטח הבדיקה לשימוש מאוחר יותר. חזור לניתוח ובחר בשיטת המתאם האדפטיבי.
לחץ על OK. עבור ללשונית אזור החקירה ולחץ עליה. שם, בחר את אזור החקירה שנקבע קודם לכן המאפשר לזהות שלושה חלקיקים או יותר. לחץ על אישור בתיבת הדו-שיח מתאם מסתגל כדי לבצע את הניתוח.
ככל שהניתוח מתקדם, בדוק ויזואלית את מספר שדות המהירות הראשונים. זוהי דוגמה לשדה וקטורי על גבי תמונה בגווני אפור של המדיה. במקרה זה, אורכי הווקטור וכיווני הווקטור אינם נראים עקביים או הגיוניים.
בדוק ויזואלית את המפות הווקטוריות בזמן הפקתן כדי לוודא שהתוצאות מציאותיות. אם התוצאות אינן משביעות רצון, עצור את התהליך ושנה את הקלט המוגדר על ידי המשתמש כגון אזור החקירה, ולאחר מכן הפעל מחדש את הניתוח. זוהי דוגמה לשדה וקטורי משביע רצון.
שוב, על התמונה בגווני אפור. לאחר השלמת הניתוח, ייווצר שדה וקטורי המשתרע על פני שדה הראייה עבור כל זוג תמונות בערכה. נתוני מהירות תמונת החלקיקים מאפשרים להתאים את התפלגות המהירות בנקודה במערכת להתפלגות מקסוול בולצמן.
התמונה היא של הגרגר ששימש בניסוי. הפס האדום מייצג סנטימטר אחד. הנתונים בכחול מייצגים היסטוגרמה מנורמלת של מהירויות גרגרים אופקיות מוזרות שנמדדו.
הנתונים על סוגי חלקיקים רבים עולים בקנה אחד עם דינמיקה המילטונית חסרת פיזור, אנרגיות פוטנציאליות בין-חלקיקיות בלתי תלויות במהירות ואנרגיות קינטיות בלתי תלויות פוטנציאליות. יתר על כן, הם מספקים ראיות לשיווי משקל מכני מקרוסקופי מקומי. פונקציית המתאם האוטומטי של המהירות עבור גרגרים בודדים היא פונקציה של המספר האופייני של התנגשויות גרגרים שניתן לחלץ גם מנתוני המהירות.
הדינמיקה של גרגר בודד מחקה באופן איכותי את אלה שנחזו בנוזלים מולקולריים ובגזים צפופים. ספקטרום זה נקבע ממהירות תמונת החלקיקים במדידות תאוצה של מיכל בו זמנית. הגלים האקוסטיים המהדהדים במערכת מיכלי ערימת התבואה חופפים למצבים אקוסטיים מהדהדים במיכל הריק.
מצבים אקוסטיים בספקטרום של מהירות הנוזל המקומית המוזרה אינם ניכרים עקב מגבלות הניסוי. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בהידרודינמיקה המולקולרית של נוזלים כגון כיצד זרימת נוזלים צפויה וניתנת לצפייה נובעת מדינמיקת מצב הנוזל הבלתי צפויה של מולקולות. לאחר השליטה, ניתן לבצע את החלק הניסיוני של הליך זה תוך פחות משעה.
עיבוד ה-PIV וניתוח הנתונים יכולים להימשך בין שעה לכמה ימים, תלוי במערכת עיבוד הנתונים. חשוב להכיר בכך שכדי לחבר תצפיות שנעשו במערכות גרגרים רוטטים להידרודינמיקה מולקולרית, יש ללמוד אלמנטים של מכניקה סטטיסטית של שיווי משקל ואי-שיווי משקל. בעקבות התפתחות זו, נעשה שימוש בטכניקה זו כדי לאמת באופן ניסיוני סימולציות דינמיות נוזליות של זרימות תבואה מונעות רטט וכן לבדוק צמיגות מדידה בנוזלי גרגרים מול אלה שנחזו על ידי מכניקה סטטיסטית שאינה שיווי משקל.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה סבירה כיצד להקים תחילה מערכת PIV למדידת מערכות גרגירי הרטט ושנית כיצד להשתמש במדידות אלה כדי לחקור מערכות הידרודינמיות מולקולריות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה אנלוגית לחקר תהליכים הידרודינמיים מולקולריים בנוזלים דחוסים באמצעות ולוסימטריה של תמונות חלקיקים (particle image velocimetry). טכניקה זו מאפשרת תצפית ישירה על תהליכים דינמיים בגזים ובנוזלים בעלי צפיפות גבוהה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- דינמיקה של נוזלים
- מכניקה סטטיסטית
רקע
- המחקר מתמקד בתהליכים הידרודינמיים בקנה מידה מולקולרי.
- הוא משתמש בערימות גרגרים רוטטות כמערכת מודל.
- הטכניקה מספקת תובנות לגבי דינמיקה מולקולרית מורכבת.
- היא ישימה למערכות חלקיקים מיקרוסקופיות ומקרוסקופיות כאחד.
מטרת המחקר
- לחקירת דינמיקה בקנה מידה מולקולרי בנוזלים.
- לספק שיטה נגישה ללימוד מכניקה סטטיסטית.
- להעמיק את ההבנה של מערכות חלקיקים בעלות אינטראקציה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ולוסימטריה של תמונות חלקיקים (Particle image velocimetry) למדידת דינמיקה של חלקיקים.
- ערמות גרגירים רוטטות כאנלוגים ניסיוניים.
- תצפית ישירה על תהליכים דינמיים.
- עקרונות של מכניקה סטטיסטית המיושמים בתכנון ניסיוני.
תוצאות עיקריות
- תצפית מוצלחת על דינמיקה בקנה מידה מולקולרי.
- הדגמת התשמישות של הטכניקה במערכות בעלות צפיפות גבוהה.
- מתן הדגמה ויזואלית של תנועת חלקיקים.
- סיוע בהבנת דינמיקה של שיווי משקל ודינמיקה שאינה בשיווי משקל.
מסקנות
- הטכניקה פותחת אפיקים חדשים לחקירה ניסויית.
- היא מגשרת על הפער בין מחקרים מיקרוסקופיים למאקרוסקופיים.
- משפרת את ההבנה של דינמיקה מורכבת של נוזלים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מידול מקרוסקופי אנלוגי באמצעות ולוצימטריה של תמונות חלקיקים (PIV) מאפשר מחקר כמותי וישיר של תהליכים הידרודינמיים בקנה מידה מולקולרי בגזים ובנוזלים דחוסים. גישה זו מספקת למחקר ופיתוח בתחומי הביופארמה (biopharma R&D)&צוותים המצוידים בנתונים ברזולוציה גבוהה, הנגישים ניסיונית, על דינמיקה של חלקיקים ומערכות קולקטיביות, תומכים בביטחון חיזוי של מודלים להתנהגות נוזלים. הטכניקה מציעה חלופה מעשית לפיזור פוטוני ונייטרוני, ובכך מקלה על הפחתת סיכונים מכניסטיים ובחינת השערות בתהליכי גילוי מוקדמים ובמסלולי עבודה פרה-קליניים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ביו-פרמצבטי&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של היפותזות הידרודינמיות בקנה מידה מולקולרי במערכות של נוזלים צפופים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים באמצעות תצפית ישירה על דינמיקה של חלקיקים ודינמיקה קולקטיבית.
- מסייע בתיקוף של מודלים תיאורטיים הרלוונטיים להובלת תרופות ולפורמולציה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין מערכות אנלוגיות שעברו תיקוף לצורך ניתוח כמותי של תכונות נוזלים בשלבים הבאים.
- מבצע סטנדרטיזציה של מדידת התפלגויות מהירות ופונקציות אוטוקורלציה לצורך הדירות.
- מאפשר הערכה ניתנת להרחבה (scalable), מבוססת פלטפורמה, של התנהגויות דינמיקה של נוזלים הרלוונטיות לסריקת פורמולציות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מבצע התאמה בין פלטי מערכת אנלוגית לבין הידרודינמיקה מולקולרית שנצפתה במודלים פרה-קליניים.
- תומך ברצף שבין מידול נוזלים בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני של מערכות להולכת תרופות.
- מספק נתונים מותאמי-סיכון לקידום מועמדים בעלי התנהגויות פלואידיות מורכבות.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
טכניקת ה-PIV האנלוגית הזו משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות למדידה ישירה של מהירויות חלקיקים ומערכות, אוטוקורלציה של מהירות ומודים הידרודינמיים בנוזלים דחוסים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים עבור מנגנוני הובלה ואינטראקציה מולקולריים.
- סריקה: מספק נתונים כמותיים הניתנים לשחזור של מהירות ומתאם לצורך מוכנות הבדיקה.
- אנליטיקה: מספק פלטים סטטיסטיים כגון התפלגויות מהירות ופונקציות אוטוקורלציה לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: מקשר בין ממצאי מודל אנלוגי להתנהגויות של מערכות פרה-קליניות בעת הערכת ביצועי הולכת תרופות או ביצועי פורמולציה.
- שימוש חוזר ארגוני: מקימה פלטפורמה רב-פעמית למחקרים מכניסטיים מתמשכים ולאימות מודלים לאורך R&תוכניות D.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במידול דינמיקה של נוזלים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה ומאיץ את הרכישה של נתונים הידרודינמיים ברזולוציה גבוהה וניתנים לשחזור.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) ואת היעילות ההונית על ידי הפחתת סיכונים במנגנונים פלואידיים בשלב מוקדם של תהליך הפיתוח.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של מועמדים בעלי תכונות פלואידיות מורכבות או חדשניות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות במכניקה סטטיסטית ובניתוח נתוני PIV לצורך פרשנות מדויקת.
- נדרשים מערכות דימות במהירות גבוהה, פלטפורמות רעידה ותוכנות ניתוח ייעודיות.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי הדימות, הכיול והניתוח.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה עבור מדיה אנלוגית שונה או מערכות נוזלים כדי להבטיח רלוונטיות.
- המגבלות כוללות את הצורך במיפוי קפדני בין מערכות אנלוגיות למולקולריות לצורך תוקף תרגומי.
שאלות נפוצות בתחום הביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:09
Preparation of the Vibratory System
2:22
High Speed Imaging
3:50
Generating Data
4:44
Processing Video Data with Particle Image Velocimetry
8:27
Results: Tests of Statistical Mechanics Equilibrium, Short-time Dynamics, and Vibrational Response Using Particle Image Velocimetry
9:54
Conclusion
