Name: ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-06T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: למד ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות טיפות נוזל על משטחים מוצקים באמצעות מצלמה מהירה ו-MATLAB. שיטה זו מאפשרת איסוף נתונים מדויק ומהיר לחקר דינמיקת זרימת נוזלים.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכת על ידי קרן מרסדן, מנוהל על ידי החברה המלכותית של ניו זילנד.

1. הגדרת מצלמה במהירות גבוהה
<ol><li>הגדר את שדה התצוגה הקבוע (FOV) עבור המצלמה וחשב את פקטור ההמרה מפיקסל ל-mm.<ol>
<li>הצב סמן יישור (למשל, סמן אורך 4 מ"מ עם קוד ניתוח התמונה המסופק) במיקום המרכז של השלב לדוגמה, כך שהוא פונה למצלמה. כוונן את ההגדלה של המצלמה כך שסמן הריבוע יתאים לתוך FOV. ודא שסמן ממוקד ולכוד תמונה. הערה: קוד ניתוח התמונה מחייב שdroplet של תמונות מכסה יותר מ-1% מ-FOV הכולל, אחרת היא מסווגת כרעש. כמו כן, ה-droplet לא צריך לקחת יותר מ-40% מ-FOV, אחרת הוא מזוהה כאירוע עיבוד תמונה שנכשל.</li>
		<li>לנעול את ההגדלה של העדשה ולהבטיח כי זה נשאר ללא שינוי במהלך קבוצה של ניסויים.</li>
		<li>טען את ממשק המשתמש הגרפי (GUI) עבור התוכנה לניתוח השפעת droplet על-ידי לחיצה על הסמל בתוך MATLAB.</li>
		<li>הפעל את קוד ניתוח התמונה. ב-GUI, לחץ על לחצן כיול מצלמה ובחר את התמונה המתקבלת בשלב 1.1.1. הזן את גודל כיכר הכיול ב-mm ולחץ על אישור.</li>
		<li>הזז את המלבן המוצג על המסך עד שריבוע הכיול יהיה האובייקט היחיד שבתוכו. לחץ על אישור והתוכנה יחשב באופן אוטומטי את פקטור ההמרה. אם הכיול האוטומטי נכשל, בצע את מדריך התוכנה כדי לבצע כיול ידני.</li>
	</ol></li>
	<li>יישר את המערכת הניסיונית.<ol><li>הכן את הנוזל המשמש לחילוק של טיפות בודדות.<ol>
<li>מקמו את הר המחט סביב רמת העין של המשתמש כדי לאפשר קלות טעינה.</li>
			<li>באופן ידני לטהר את אבובים כדי להסיר את כל הנוזלים על ידי דחיפת אוויר דרך עם מזרק. ודא כי אבובים אינו מעוות וכי המחט הוא מאובטח ונקי. לתקן את המחט אבובים כך המחט היא אנכית. הערה: במקרה הצורך, נקו את מחט הפלדה באתנול באמבט אולטרה-סאונד.</li>
			<li>למלא את המזרק עם הנוזל להיות נחקר (למשל, מים) ולחבר אותו למשאבת מזרק מבוקרת המחשב. לטהר את המחט באמצעות משאבת המזרק (לחץ והחזק את לחצן לוותר) עד ששום בועות לא נמצאים הנוזל.</li>
			<li>הגדר את משאבת המזרק כך שהוא ייתן את הנפח הנדרש לשחרור של droplet בודדת. הערה: עבור תוצאות הנציג, קוטר ה-droplet הממוצע היה 2.6 מ"מ באמצעות שיעור מדבקות של 0.5 mL/min ונפח מחודש של 11 μL. שיעור שאיבה צריך להיות איטי מספיק כדי טיפות טופס ושחרור תחת הכבידה, וזה יכול להיות מכוון בסדר דרך ניסוי וטעייה. ניתן להגיע אל הנפח של ה-droplet כ-14 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ01.jpg"> כאשר D הוא קוטר המחט, γLG הוא מתח משטח גז נוזלי, ו ρ הוא צפיפות הנוזלים.</li>
		</ol></li>
		<li>ליישר את המדגם (למשל, polydiמתיל siloxane [PDMS]) על ידי הצבת אותו תחת המחט וחילוק של droplet אחת באמצעות משאבת המזרק. בדוק כי ה-droplet משתרע ומתפשט באזור המדגם המעניין, ואם לא לשנות את מיקום המדגם כנדרש. הערה: אם יישור ה-droplet מתברר כקשה, בדוק שהמחט נטענה כראוי במחזיק המחט אנכית ואינו מכופף. המדגם מיושר כעת יחסית לצירים X ו-Y ואין להזיז אותו במהלך ניסויים.</li>
		<li>ליישר ולמקד את המצלמה.<ol>
<li>מוותר על הדגימה על-ידי droplet אחת. כוונן את המיקום האנכי (Z) של מחזיק הדגימה עד שמשטח השטח יהיה ברמה עם מרכז ה-FOV של המצלמה.</li>
			<li>כוונן את המיקום האופקי (X) של המצלמה כך ש-droplet במדגם יהיה מיושר במרכז ה-FOV. כוונן את המיקומים האנכיים (Z) והאופקי (X) של ה-LED כדי להתאים למיקום המצלמה, כך שמרכז האור יופיע במרכז ה-FOV. כוונן את המרחק (Y) של המצלמה מ-droplet כך ש-droplet מגיעה לפוקוס. הערה: המערכת מיושרת כעת ומכוילים. אם המיקום של כל הציוד אינו משתנה, ניתן להשהות את הפרוטוקול ולהפעיל אותו מחדש ללא היישור. יש לחזור על היישור לדוגמה בכיוון האנכי (Z) לקבלת דוגמאות של עובי משתנה.</li>
		</ol></li>
		<li>הגדר את תנאי ההקלטה עבור המצלמה.<ol>
<li>הגדר את קצב המסגרות של המצלמה לערך אופטימלי עבור האובייקט המוקלט. הערה: קצב המסגרות האופטימלי של המצלמה (fps) ניתן לחזות באמצעות31 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ02.jpg"> כאשר N הוא קצב הדגימה (מספר התמונות שנלכדו כאובייקט מכסה את קנה המידה באורך, בדרך כלל 10), V הוא מהירות ה-droplet, ו- j הוא סולם אורך ההדמיה (לדוגמה, fov).</li>
			<li>הגדר את זמן החשיפה של המצלמה לערך קטן ככל האפשר, תוך שמירה על תאורה מספקת. בשלב זה, להתאים את הצמצם עדשה להגדרה הקטנה ביותר זמין תוך שמירה על תאורה מספקת. הערה: הערכה לזמן החשיפה המינימלי (te) ניתנת על-ידי31 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ03.jpg"> כאשר k הוא קנה המידה האורך (לדוגמה, גודל הפיקסל), pmag הוא ההגדלה העיקרית, ו- V הוא מהירות ה-droplet.</li>
			<li>. הגדר את ההדק למצלמה השתמש בגורם מפעיל של מצב סיום כך שהמצלמה משתמשת בהקלטה, ולאחר מכן עוצרת על ההדק (לדוגמה, לחץ על העכבר המשתמש). הערה: ניתן להשתמש במערכת ההדק האוטומטית כדי להפוך תהליך זה לאוטומטי.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>2. ביצוע ניסויים
<ol><li>הכן את מערכת קבצי המחשב לקבלת ניסויים.<ol>
<li>צור תיקיה לאחסון סרטים עבור האצווה הנוכחית של ניסויים. הגדר תיקיה זו כמיקום השמירה עבור תוכנת המצלמה לאחר המדריך של יצרן המצלמה. ודא שתבנית הקובץ עבור תמונות שנלכדו היא. tif.</li>
		<li>לחצו על הלחצן ' קבע נתיב ' בניתוח התמונה GUI ובחרו אותה תיקייה כמו בשלב 2.1.1, אשר מורה לתוכנה לפקח על תיקיה זו עבור קטעי וידאו חדשים.</li>
		<li>צור את מבנה התיקיות עבור אצווה של ניסויים.<ol>
<li>לחץ על לחצן ' בצע תיקיות ' בניתוח התמונה GUI והזן ארבעה ערכים כשתתבקש: 1) גובה מהדורת ה-droplet המינימלי, 2) גובה השחרור המירבי, 3) שלב הגובה בין כל ניסוי, ו-4) מספר הניסויים החוזרים בכל גובה. הערה: מהירות ההשפעה יכולה להיות מתקרבת כמו V = (2gh)1/2, כאשר g הוא ההאצה בשל הכבידה ו h הוא גובה שחרור טיפה.</li>
			<li>לחץ על אישור כדי להפעיל את התיקיה ' הפיכת תיקיות לסקריפט '. הערה: מגוון התיקיות נוצר כעת בספריה עבור ניסוי זה. תיקיות אלה נקראות "height_xx" כאשר xx הוא הגובה של שחרור ה-droplet. בכל אחת מהתיקיות הללו, תיקיות ריקות מוכנות לאחסן נתונים עבור כל ניסוי חוזר. חזור על סעיף 2.1 עבור כל משטח חדש או נוזל ללמוד.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>הכן את פני השטח כנדרש עבור הניסוי. להשפעה על משטח יבש ומוצק, נקו את המשטח בעזרת פרוטוקול סטנדרטי מתאים והניחו לו להתייבש לחלוטין.</li>
	<li>הקלטת אירוע של השפעת droplet.<ol>
<li>מניחים את המדגם על הבמה לדוגמה. אם נדרש, סובב את המשטח כדי ליישר אותו עם המצלמה. להעביר את המחט לגובה הרצוי droplet שחרור.</li>
		<li>ודא כי התצוגה מהמצלמה היא ללא הכול, ולאחר מכן לכידה ושמירה של תמונה (לשימוש מאוחר יותר במהלך עיבוד תמונה) באמצעות תוכנת המצלמה. התחל את הקלטת הווידאו כך שהמצלמה מקליטה ומאגירה (כלומר, ממלאת את הזיכרון הפנימי של המצלמה).</li>
		<li>לוותר על droplet אחת על המדגם באמצעות משאבת המזרק (שלב 1.2.1.4). ההדק את ההקלטה כך שיפסיק לאחר שאירוע ההתנגשות יושלם. הסר את פני השטח ממחזיק הדגימה וייבש אותו, לפי הצורך.</li>
	</ol></li>
	<li>הכינו את קובץ הוידיאו לניתוח נוסף.<ol>
<li>. חתוך את הוידאו<ol>
<li>שימוש בתוכנה מתאימה (למשל, תוכנת המצלמה במהירות גבוהה), לסרוק דרך הווידאו כדי למצוא את המסגרת הראשונה שבה droplet היא לחלוטין בתוך FOV. חתוך את התחלת הווידאו למסגרת זו.</li>
			<li>לנוע קדימה על ידי מספר המסגרות הדרושות כדי ללכוד את תופעת העניין במהלך ניסוי ההשפעה (למשל, 250 מסגרות מספיקות בדרך כלל עבור השפעות שנתפסו ב 10,000 fps). חתוך את סוף הווידאו למסגרת זו.</li>
			<li>שמור את הווידאו כקובץ. avi, הגדרת נתיב השמירה לתיקיה המתאימה עבור האצווה הניסיונית הנוכחית, גובה השחרור ומספר החזרה.</li>
		</ol>
</li>
		<li>ב-GUI של ניתוח התמונה, לחץ על לחצן מיין קבצים . ודא באופן חזותי כי תמונת הרקע שצולמה בשלב 2.3.2 מוצגת כעת על המסך. פעולה זו מאתרת את קובץ. avi ו-. tif העדכנית ביותר ומעבירה אותם לאותה תיקיה, בהנחה שהם צולמו באותו זמן.</li>
		<li>לחץ על לחצן הפעל מעקב כדי להתחיל בעיבוד תמונה. הסרטון יוצג באמצעות עיבוד תמונה שנוצר בשכבות. בדיקה באופן הדוק שעיבוד התמונה מתפקד כראוי על-ידי צפיה בסרטון. הערה: בסיום עיבוד התמונה, קוד עיבוד התמונה יציג תמונה של ה-droplet בכפולה המרבית. אי הכיול התקין של המצלמה עלול להוביל לעיבוד תמונה שגוי. במקרה הצורך, חזור על הכיול עד שעיבוד התמונה יצליח.</li>
		<li>חזור על סעיפים 2.3 ו 2.4, כוונון גובה המחט כנדרש כדי לבצע את כל הניסויים באצווה זו. הערה: כל תיקיה ניסיונית תכיל כעת סדרה של קבצי. mat. קבצים אלה מכילים את הנתונים שחולצו על-ידי תוכנת עיבוד התמונה ונשמרים לצורך ניתוח עתידי, כולל מיתאר השחרור, האזור, התיבה התוחמת וההיקף עבור כל מסגרת.</li>
	</ol></li>
</ol>3. ניתוח נתונים גולמיים
<ol><li>ב-GUI של ניתוח התמונה, לחץ על לחצן עבד נתונים כדי להתחיל בחישוב המשתנים העיקריים מהנתונים המעובדים הגולמיים. אם זה מופעל לאחר הפגישה הניסיונית, המשתמש יתבקש לבחור את התיקייה המכילה את האצווה של ניסויים לתהליך.</li>
	<li>הזן את ארבעת הערכים כפי שהתבקש: 1) קצב מסגרות של הקלטה (fps), 2) צפיפות נוזלים (ק"ג/m3), 3) מתח משטח הנוזלים (N/m) ו-4 צמיגות נוזלית (Pa · s). הערה: ברירות המחדל של התוכנה לקצב מסגרות של 9,300 fps ותכונות הנוזלים של מים בתנאי הסביבה. הערכים שהוזנו משמשים לחישוב מספרי וובר וריינולדס.</li>
	<li>שמור את הנתונים בקובץ videofolders. mat ולייצא כקובץ csv. הערה: הקוד יטען את הקובץ prop_data. mat עבור ניסוי יחיד, לחשב את המיקום של מרכז ה-droplet, למצוא את מסגרת ההשפעה (מוגדר כמסגרת האחרונה לפני מרכז ה-droplet להאט), ואת המסגרת שבה הכפולה האופקית של ה-droplet מוגדלת. נתוני הפלט שנשמרו יהיו מהירות ההשפעה (תוך שימוש פולינומיאלית בסדרהראשון בהתאמה למיקום האנכי של מרכז ה-droplet כפונקציה של זמן), קוטר המקבילה של ה-droplet (המחושב על-ידי בהנחה סימטריה סיבובית על ציר Z כדי למצוא את כרך ה-droplet, ולאחר מכן למצוא את קוטר הספרה עם אותו כרך36), קוטר ה-droplet בכפולה המרבית, ומספרי ההשפעה של וובר וריינולדס.</li>
</ol>

<ol><li>Josserand, C., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+on+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Drop impact on a solid surface.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).</li>
<li>Van Dam, D. B., Le Clerc, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+the+impact+of+an+ink-jet+printed+droplet+on+a+solid+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate.</a> Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).</li>
<li>Worthington, A. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWorthington%2C+AM+%22A+study+of+splashes%22">A study of splashes</a>. , Longmans, Green, and Company. London. (1908).</li>
<li>Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+of+drops+and+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging of drops and bubbles.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).</li>
<li>Chandra, S., Avedisian, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+collision+of+a+droplet+with+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+of+London.+Series+A%3A+Mathematical+and+Physical+Sciences%22%5BJournal%5D)">On the collision of a droplet with a solid surface.</a> Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32 (1884), 13-41 (1991).</li>
<li>Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+collisions+with+simple+and+complex+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Drop collisions with simple and complex surfaces.</a> Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).</li>
<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+dynamics%3A+Splashing%2C+spreading%2C+receding%2C+bouncing%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38 (1), 159-192 (2006).</li>
<li>Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+making+of+a+splash%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">The making of a splash.</a> Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).</li>
<li>Bartolo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bouncing+or+sticky+droplets%3A+Impalement+transitions+on+superhydrophobic+micropatterned+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Europhysics+Letters%22%5BJournal%5D)">Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces.</a> Europhysics Letters. 74 (2), 299-305 (2006).</li>
<li>Richard, D., Quéré, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bouncing+water+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Europhysics+Letters%22%5BJournal%5D)">Bouncing water drops.</a> Europhysics Letters. 50 (6), 769-775 (2000).</li>
<li>Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reducing+the+contact+time+of+a+bouncing+drop%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Reducing the contact time of a bouncing drop.</a> Nature. 503, 385-388 (2013).</li>
<li>Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+impact+on+superhydrophobic+surfaces%3A+A+review+of+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Industrial+and+Engineering+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments.</a> Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).</li>
<li>Robson, S., Willmott, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetries+in+the+spread+of+drops+impacting+on+hydrophobic+micropillar+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays.</a> Soft Matter. 12 (21), 4853-4865 (2016).</li>
<li>Broom, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Imaging+and+Analysis+of+Water+Drop+Impacts+on+Microstructure+Designs%22">Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs</a>. , University of Auckland. Doctoral dissertation (2019).</li>
<li>Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+maximum+spreading+of+liquid+droplets+impacting+wetting+and+nonwetting+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces.</a> Langmuir. 32 (5), 1299-1308 (2016).</li>
<li>Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximum+diameter+of+impacting+liquid+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Applied%22%5BJournal%5D)">Maximum diameter of impacting liquid droplets.</a> Physical Review Applied. 2 (4), 044018(2014).</li>
<li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phenomena+of+liquid+drop+impact+on+solid+and+liquid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Dynamics+Research%22%5BJournal%5D)">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li>
<li>Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+behaviors+of+droplet+impact+and+spreading%3A+Water+on+five+different+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates.</a> Langmuir. 25 (12), 6772-6780 (2009).</li>
<li>Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+droplet+impact+on+elastic+superhydrophobic+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces.</a> Scientific Reports. 6, 30328(2016).</li>
<li>Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+splashing+on+a+dry+smooth+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Drop splashing on a dry smooth surface.</a> Physical Review Letters. 94 (18), 184505(2005).</li>
<li>Clanet, C., Béguin, C., Richard, D., Quéré, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximal+deformation+of+an+impacting+drop%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Maximal deformation of an impacting drop.</a> Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).</li>
<li>Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splat-quench+solidification+of+freely+falling+liquid-metal+drops+by+impact+on+a+planar+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate.</a> Journal of Materials Science. 25 (8), 3677-3682 (1990).</li>
<li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiji%3A+An+open-source+platform+for+biological-image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Fiji: An open-source platform for biological-image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).</li>
<li>Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software). , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://physlets.org/tracker">https://physlets.org/tracker</a> (2019).</li>
<li>Bennett, T., Poulikakos, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splat-quench+solidification%3A+Estimating+the+maximum+spreading+of+a+droplet+impacting+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface.</a> Journal of Materials Science. 28 (4), 963-970 (1993).</li>
<li>Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+evolution+of+liquid+drop+impact+onto+solid%2C+dry+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces.</a> Experiments in Fluids. 33 (1), 112-124 (2002).</li>
<li>Ukiwe, C., Kwok, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+maximum+spreading+diameter+of+impacting+droplets+on+well-prepared+solid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces.</a> Langmuir. 21 (2), 666-673 (2005).</li>
<li>Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+spreading+of+impacting+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">On the spreading of impacting drops.</a> Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).</li>
<li>Biolè, D., Bertola, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+goniometric+mask+to+measure+contact+angles+from+digital+images+of+liquid+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces+A%3A+Physicochemical+and+Engineering+Aspects%22%5BJournal%5D)">A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops.</a> Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).</li>
<li>Daerr, A., Mogne, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pendent_Drop%3A+An+ImageJ+plugin+to+measure+the+surface+tension+from+an+image+of+a+pendent+drop%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Open+Research+Software%22%5BJournal%5D)">Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop.</a> Journal of Open Research Software. 4 (1), 3(2016).</li>
<li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+in+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging in fluids.</a> Experiments in Fluids. 54 (2), 1458(2013).</li>
<li>Rydblom, S., Thӧrnberg, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+water+content+and+droplet+sizing+shadowgraph+measuring+system+for+wind+turbine+icing+detection%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection.</a> IEEE Sensors Journal. 16 (8), 2714-2725 (2015).</li>
<li>Castrejón-García, R., Castrejón-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shadowgraph+imaging+technique+and+its+modern+application+to+fluid+jets+and+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Revista+Mexicana+de+F%C3%ADsica%22%5BJournal%5D)">The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops.</a> Revista Mexicana de Física. 57 (3), 266-275 (2011).</li>
<li>Castrejón-Pita, J. R., Castrejón-García, R., Hutchings, I. M. High speed shadowgraphy for the study of liquid drops. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCastrej%C3%B3n-Pita%2C+JR+%22Fluid+Dynamics+in+Physics%2C+Engineering+and+Environmental+Applications%22">Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications</a>. Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. , Springer. Berlin, Heidelberg. 121-137 (2013).</li>
<li>Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+needle+gauge%2C+needle+type%2C+and+needle+orientation+on+the+volume+of+a+drop%5BTitle%5D)+AND+%22Veterinary+ophthalmology%22%5BJournal%5D)">The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop.</a> Veterinary ophthalmology. 19 (1), 38-42 (2016).</li>
<li>Hugli, H., Gonzalez, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+volume+measurements+by+vision%5BTitle%5D)+AND+%22Machine+Vision+Applications+in+Industrial+Inspection+VIII%22%5BJournal%5D)">Drop volume measurements by vision.</a> Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).</li>
</ol>

. למחברים אין מה לגלות

שיטה זו תלויה בשליטה על המיקום והיישור של מספר חלקים של המערכת. דרישה מינימלית לשימוש בשיטה זו היא היכולת ליישר את המדגם, המצלמה ונורית התאורה. יישור שגוי של מקור האור לחיישן המצלמה הוא בעיה נפוצה. אם נתיב האור נכנס למצלמה בזווית, חפצי אמנות לא רצויים מיוצרים ומפריעים לעיבוד התמונה. המשתמש צריך לכוון כדי להשיג נתיב התאורה האופקי מושלם כמעט בין ה-LED לבין חיישן המצלמה. בקרת מיצוב מדויקת (למשל, שלבי מיקרומטר) מועילים להיבט זה של השיטה.
בחירת העדשה תלויה ב-FOV הדרוש לניסוי. למרות שבדרך כלל זמין עדשות זום משתנה לאפשר למערכת להיות מותאם על לטוס, הם לעתים קרובות סובלים בעיות אחרות. אם משתמשים בעדשות זום משתנה, המשתמש חייב לוודא שההגדלה הכוללת אינה משתנה במהלך אצוות של ניסויים (לאחר כיול המערכת, מקטע פרוטוקול 1). בעיה זו ניתן להימנע באמצעות עדשות הגדלה קבועה. עם ההגדלה הקבועה, ניתן לשנות את מיקומו של המישור המוקד של כל אחד מסוגי העדשה על-ידי הזזת המצלמה ביחס למדגם.
בעת יישור המערכת מומלץ להשתמש במדגם ריק של עובי זהה כמו הדגימות כדי להיחקר. זה עוצר את דגימות העניין מלהיות ניזוק או רטוב לפני ניסויים. אם עובי המדגם משתנה במהלך אצוות של ניסויים, המערכת צריכה לינה בכיוון Z.
למרות שאין צורך, תוספת של מערכת מבוקרת מחשב מיצוב המחט יכול להגדיל את המהירות ואת הרזולוציה של השיטה. בדרך כלל זמין stepper מערכות רכבת מנוע ניתן להשתמש המאפשרים מיצוב של המחט עם דיוק מיקרומטר יקרומטר. השליטה הדיגיטלית של המחט מאפשרת גם למשתמש לאפס את הגובה יחסית למשטח בדיוק רב יותר. שלב נוסף זה מבטיח שניתן יהיה לשחזר במדויק את הכיוונון הנסיוני בתחילת הפעלת מעבדה חדשה.
מומלץ שהמשתמש ילמד להשתמש בתוכנת הבקרה של מצלמה במהירות גבוהה. רוב המערכות המודרניות יכולות להשתמש בגורם מפעיל של תמונה. שיטה זו משתמשת באלקטרוניקה הפנימית במהירות גבוהה של המצלמה כדי לפקח על אזור ב-FOV לצורך שינויים. אם מכויל בקפידה, ניתן להשתמש באפשרות זו כדי להפעיל את המצלמה באופן אוטומטי כמו ה-droplet משפיע על פני השטח. שיטה זו מקטינה את הזמן שהושקע במציאת המסגרות הנכונות של הווידאו לחיתוך לאחר הקלטת וידאו.
ניתן להרחיב שיטה זו כדי להשתמש ביותר ממצלמה אחת לניתוח של תופעות תלויות-מבחינה כיוון. אם אתה משתמש במספר מצלמות, מומלץ שהמשתמש ישתמש בחומרה בהפעלת ובסינכרון. רוב מערכות מצלמה במהירות גבוהה לאפשר סינכרון של מצלמות מרובות להקליט באותו קצב מסגרת. המשתמש משתמש בגורם מפעיל של חומרה משותפת (לדוגמה, הפולס של לוגיקה טרנזיסטור טרנזיסטור [TTL]), והוא יכול להקליט תצוגות בו של אותו ניסוי. שיטה זו יכולה להיות מותאמת עוד יותר כדי לתעד את אותו האירוע בשתי האצות שונות.
פרוטוקול זה נועד לאפשר איסוף ועיבוד מהירים של נתוני וידאו במהירות גבוהה עבור טיפות משטחים משפיעה. כפי שמתואר, זה רב-תכליתי על פני מגוון של תנאי השפעה. עם שינויים קלים יחסית לקוד ניתוח, זה יכול להיות מורחב כדי לספק נתונים נוספים (למשל, תלות בזמן ופרופילים מתיז) או ללמוד גיאומטריות השפעה שונה. שיפורים נוספים יכולים לכלול חיתוך אוטומטי של קטעי וידאו כדי לכלול את מסגרות המפתח של עניין. שלב זה, לצד אוטומציה של גובה המחט, יאפשר קטעי וידאו אצווה להיות נאסף באופן אוטומטי לחלוטין, רק דרישת המשתמש לשנות את המדגם בין השפעות.

השפעות שחרור נוזלי על משטחים הם עניין רב הן להבנת התופעות הבסיסיות1 ולתהליכים תעשייתיים2. השפעות ירידה נחקרו במשך מעל 100 שנים3, אבל היבטים רבים עדיין להיות נחקר לחלוטין. צילום במהירות גבוהה משמש כמעט אוניברסלי למחקרים של השפעות ירידה4 משום שהוא מספק עשיר, נתונים נגישים אשר מאפשר מדידות אנליטיות להתבצע עם פתרון זמן טוב. התוצאות של השפעת ירידה על משטח מוצק5,6,7 טווח מן התצהיר פשוטה דרך להתיז8. השפעות על משטחי סופרהידרופובי נלמדים לעתים קרובות כפי שהם יכולים ליצור תוצאות מעניינות במיוחד, כולל ירידה מקפצים9,10,11,12. הפרוטוקול המתואר כאן פותחה כדי לחקור השפעות המים על משטחים פולימריים עם מיקרוגוני מיקרו, ובמיוחד את ההשפעה של התבנית על ירידה תוצאות ההשפעה13,14.
תוצאת הניסוי של השפעת השחרור עלולה להיות מושפעת מטווח גדול של משתנים אפשריים. הגודל והמהירות של הירידה עשויים להשתנות, יחד עם תכונות הנוזלים כגון צפיפות, מתח פני השטח, צמיגות. הצניחה יכולה להיות בת15 או שאינה בעלת16מניוטוני. מגוון גדול של משטחי השפעה נחקרו, כולל נוזלי7,17, מוצק18, אלסטי19 משטחים. תצורות נסיוניות אפשריות שונות תוארו בעבר על ידי ריין ואח '17. ה-droplet יכול לקחת צורות שונות. זה יכול להיות נדנוד, סיבוב, או השפעה בזווית על פני השטח. מרקם פני השטח, וגורמים סביבתיים כגון טמפרטורה עשוי להשתנות. כל הפרמטרים הללו להפוך את השדה של השפעות droplet רחב מאוד.
בשל מגוון גדול של משתנים, מחקרים של תופעות להרטיב בנוזלים דינמיים מוגבלים לעתים קרובות להתמקד בנושאים ספציפיים או צרים יחסית. חקירות רבות כאלה משתמשות במספר מתון של ניסויים (לדוגמה, 50-200 נקודות נתונים) שהתקבלו מקטעי וידאו במהירות גבוהה שעובדו באופן ידני10,20,21,22. רוחב מחקרים כאלה מוגבל על ידי כמות הנתונים שניתן להשיג על ידי החוקר בפרק זמן סביר. עיבוד ידני של סרטי וידאו מחייב את המשתמש לבצע משימות חוזרות, כגון מדידת קוטר של טיפות, הושגו לעתים קרובות עם השימוש בתוכנת ניתוח תמונה (פיג'י23 ו-Tracker24 הן אפשרויות פופולריות). המדידה הנפוצה ביותר לאפיון השפעות שחרור היא הקוטר של ירידה מתפשטת25,26,27,28.
עקב שיפורים בעיבוד תמונה, שיטות אוטומטיות להפעלת מחשב מתחילות לשפר את יעילות איסוף הנתונים. לדוגמה, אלגוריתמים לניתוח תמונה למדידה אוטומטית של זווית מגע29 ומתח פני שטח באמצעות שיטת ירידה בתליון30 זמינים כעת. רווחי הרבה יותר יעילות ניתן לעשות עבור צילום במהירות גבוהה של השפעות ירידה, אשר מייצרת סרטים המורכב תמונות בודדות רבות לניתוח, ואכן כמה מחקרים שנעשו לאחרונה החלו להשתמש בניתוח אוטומטי15,18, למרות שזרימת העבודה ניסיוני לא השתנה בבירור. שיפורים אחרים בתכנון ניסיוני עבור ניסויים השפעת ירידה שהתעוררו התקדמויות מסחרית זמינים מקורות אור, אשר יכול להיות ביחד עם מצלמות במהירות גבוהה באמצעות טכניקת שדוגרפיה31,32,33,34.
מאמר זה מתאר שיטה סטנדרטית ללכידה וניתוח של סרטי השפעות שחרור. המטרה העיקרית היא לאפשר אוסף יעיל של ערכות נתונים גדולות, אשר צריך להיות שימושי בדרך כלל עבור מגוון רחב של מחקרים השפעת ירידה המתואר לעיל. באמצעות שיטה זו, החלוקה לרמות הסרוקים והאנלוגית של שחרור משפיעה עשויה להתקבל ל-~ 100 ניסויים ביום. הניתוח מחשב באופן אוטומטי את הפרמטרים של השפעת ה-droplet (גודל, מהירות, מספרי ובר וריינולדס) וקוטר ההתפשטות המקסימלי. הפרוטוקול מתאים באופן ישיר לכל פרמטרי droplet בסיסיים (כולל נוזל, גודל ומהירות השפעה), חומר מצע או תנאי סביבה. מחקרים הסורקים מגוון רחב של פרמטרים ניסיוניים יכולים להתבצע בפרק זמן קצר יחסית. השיטה מעודדת גם מחקרים ברזולוציה גבוהה, המכסים מגוון קטן של משתנים, עם ניסויים חוזרים מרובים.
היתרונות של שיטה זו מסופקים על-ידי הניסוי הסטנדרטי, ומבנה נתונים וזרימת עבודה ברורים. ההתקנה הניסיונית מייצרת תמונות עם מאפיינים עקביים (מרחבי וניגודיות) שניתן להעביר לקוד ניתוח תמונה מותאם אישית (כלול כקובץ קידוד משלים הפועל ב-MATLAB) לצורך עיבוד מהיר של קטעי וידאו מוקלטים מיד לאחר הניסוי. אינטגרציה של עיבוד נתונים ורכישה היא הסיבה העיקרית למהירות הכוללת המשופרת של איסוף הנתונים. לאחר הפעלת רכישת נתונים, כל וידאו מעובד וכל נתוני הגלם הרלוונטיים מאוחסנים לניתוח נוסף ללא צורך בעיבוד מחדש של הווידאו. יתר על כן, המשתמש יכול לבדוק חזותית את האיכות של כל ניסוי מיד לאחר שהוא מתבצע ולחזור על הניסוי במידת הצורך. שלב הכיול הראשוני מבטיח שניתן יהיה לשכפל את ההתקנה הניסיונית בין הפעלות מעבדה שונות בדיוק רב.
ההנחה היא כי כדי ליישם את השיטה הזאת יש למשתמש גישה למצלמה במהירות גבוהה מסודרים כך שהוא מצלם את פני השטח מנקודת מבט אופקית (בצד). ייצוג סכמטי של סידור זה מוצג באיור 1, כולל הגדרת צירים קרטזיות. על המערכת להיות בעלת היכולת למקם במדויק הן את המצלמה והן את המדגם בשלושה ממדים (X, Y ו-Z). שיטת שדוגרפיה מיושמת להאיר את ה-droplet וממוקמת לאורך הנתיב האופטי של המצלמה. המערכת צריכה להשתמש מערכת תאורה ישירה באיכות גבוהה (DC) LED (כולל עדשת ההזדווגות המכרה מקבל) כי ניתן להעביר בכיוונים X ו-Z כדי ליישר את הנתיב האופטי עם המצלמה. הוא גם הניח כי המשתמש יש גישה משאבת מזרק כי הם יכולים לתכנת לייצר טיפות בודדות של אמצעי האחסון הרצוי כאשר מחוברים מחט מסוימת35. The droplet נופל תחת הכבידה כך מהירות ההשפעה שלה נשלטת על ידי המיקום של המחט מעל פני השטח. למרות שהגדרה זו כללית למדי, רשימת החומרים מפרטת ציוד ספציפי המשמש לקבלת תוצאות הנציג, ומציינת כמה הגבלות פוטנציאליות המוטלות על ידי בחירת ציוד.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig1a.jpg"> איור 1: ייצוג סכמטי של הכיוונון הניסיוני המינימלי. מצלמה במהירות גבוהה ממוקמת טיפות תמונה להשפיע אנכית על מדגם מהצד. מקור אור LED מיושר עם קו הראיה של המצלמה לצלליות. מחט משמשת להפקת droplet בודדים, וצירים קרטזית מוגדרים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig1alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
תיאור השיטה מתמקד במדידה של הקצוות של טיפות נוזלי כפי שהם נופלים והשפעה. תמונות מתקבלות מנקודת המבט הנפוצה לשימוש בצד. ניתן לחקור טיפות התפשטות משני התצוגות הצדדיות והתחתונות באמצעות שתי מצלמות מהירות גבוהה13,14, אבל התצוגה התחתונה-up אינה אפשרית עבור חומרים אטומים, ו-top-down התצוגה מייצרת סיבוכים יישור. ניתן להשתמש בזרימת העבודה הבסיסית כדי לשפר את המחקר לכל אחד מהאובייקטים הקטנים (בקוטר 2-3 מ"מ) המשפיעים על משטחים, וניתן להשתמש בו לאובייקטים גדולים או קטנים יותר עם שינויים משניים נוספים. שיפורים וחלופות לכיוונון ולשיטה הניסיוניים נחשבים לנוספים בסעיף הדיונים.

<table><tbody><tr><td>מחט קצה קהה 24 מד</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>CAD7930</td><td></td></tr><tr><td>ריבוע יישור 4 x 4 מ"מ (כרום על זכוכית)</td><td></td><td></td> <td>מיוצר בבית באמצעות ליתוגרפיה.</td></tr><tr><td>מזרק 5 מ"ל</td> <td>~</td><td>~</td> <td>צריך להיות תואם למשאבת מזרק. מחברי מנעול לור מחברים את המזרק למחט.</td></tr><tr><td>עדשת מעבה אספרית</td><td>Thor Labs</td><td>ACL5040U</td><td>קובע את רוחב האלומה, שאמור לכסות את שדה הראייה.</td></tr><tr><td>כבל אתרנט Cat 5e</td> <td>~</td><td>~</td> <td>חיבור נתונים מהיר בין המצלמה המהירה למחשב, מתאים למצלמות Photron.</td></tr><tr><td>תוכנה לניתוח השפעת טיפות</td><td>~</td><td>~</td><td>מסופק כקובץ קידוד משלים. נתוני חלוקה לרמות מאוחסנים בקבצי .mat. החישובים יוצאים כקבצי .csv.</td></tr><tr><td>משטח קדמי LED</td><td>Luminus</td><td>CBT-40-G-C21-JE201 LED</td><td>ספק כוח נפרד צריך להיות DC כדי למנוע הבהוב.</td></tr><tr><td>מצלמה מהירה</td><td>Photron</td><td>Photron SA5</td><td>מופעל בדרך כלל ב-~10,000 פריימים לשנייה עבור פגיעות נפילה.</td></tr><tr><td>תוכנת המצלמה המהירה</td><td>Photron</td><td>Photron Fastcam Viewer</td><td>Protocol מניחה שלמצלמה יש טריגר קצה; שניתן לשמור קבצי סרטים בפורמט .avi, וצילומי מסך בפורמט .tif, בתיקייה ייעודית; ושניתן לחתוך סרטים.</td></tr><tr><td>שלבי תרגום ליניאריים</td><td>Thor Labs</td><td>DTS25/M</td><td>משמש למיקום הנורית, הדגימה והמצלמה.</td></tr><tr><td>עדשת מצלמת מאקרו עם תושבת F</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2.8 Lens</td><td>בחירת העדשה קובעת את שדה הראייה.</td></tr><tr><td>מחשב המריץ Matlab 2018b</td><td>Matlab</td> <td>~</td> <td>PC כוח עיבוד ו- RAM יכול להשפיע על מהירות הפרוטוקול ומכאן על היעילות.</td></tr><tr><td>פולידימתילסילוקסן (PDMS)</td><td>Dow</td><td>SYLGARD&trade; 184 מצעי אלסטומר סיליקון</td><td>המיוצרים ביחס של 10:1 (מונומר: צולב).</td></tr><tr><td>צינורות PTFE</td> <td>~</td><td></td><td></td></tr>~ <tr><td>משאבת מזרק</td><td>מערכות משאבות בע"מ</td><td>NE-1000</td><td>פרוטוקול מניח שניתן להגדיר זאת כדי להוציא נפח ספציפי.</td></tr></tbody></table>

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של droplet נוזלי

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

מחקרים ניסיוניים של השפעות שחרור נוזלי על משטחים מוגבלים לעתים קרובות בהיקף שלהם בשל מגוון רחב של פרמטרים ניסיוניים אפשריים כגון תכונות החומר, תנאי ההשפעה, ותצורות ניסיוני. הרכבה זו, השפעות ירידה למדו לעתים קרובות באמצעות הצילום עשיר במהירות גבוהה, כך קשה לנתח ניסויים רבים באופן מפורט ובזמן. מטרת שיטה זו היא לאפשר מחקר יעיל של השפעות droplet עם צילום במהירות גבוהה באמצעות גישה שיטתית. הציוד מיושר ומכויל כדי להפיק סרטי וידאו שניתן לעבד באופן מדויק על-ידי קוד עיבוד תמונה מותאם אישית. יתר על כן, הגדרת מבנה הקובץ וזרימת העבודה המתוארים כאן להבטיח יעילות וארגון ברור של עיבוד נתונים, אשר מבוצעת בזמן החוקר עדיין במעבדה. שיטת עיבוד התמונה מחלצת את קווי המתאר הסרוקים של ה-droplet המשפיעה בכל אחת ממסגרות הווידאו, ונתונים מעובדים מאוחסנים לצורך ניתוח נוסף כנדרש. הפרוטוקול מניח כי droplet שוחרר אנכית תחת כוח הכבידה, וההשפעה מוקלטת על ידי מצלמה הצופה מהצד עם הירידה מואר באמצעות הדוגרפיה. ניסויים דומים רבים הכרוכים בניתוח תמונה של אירועים במהירות גבוהה יכול להיות ממוען עם התאמה משנית לפרוטוקול והציוד המשמש.

המרת מרחקים הנמדדים מתמונות בפיקסלים למילימטרים מושגת עם שימוש במשבצת התייחסות ידועה. ריבוע זה חייב להיות ללא הכול בתוך FOV של המצלמה, ובפוקוס (איור 2א). מוקד שגוי של ריבוע ההפניה (איור 2ב) יפיק שגיאה שיטתית במשתנים המחושבים, למשל, מהירות. כדי להקטין את השגיאה בחישוב פקטור ההמרה, על ריבוע ההפניה לכסות את החלק האפשרי של FOV ככל האפשר. האורך הצדדי של הכיכר צריך להיות מוכר כדיוק גבוה ככל האפשר, בהתחשב מגבלת הרזולוציה של המצלמה.
תוכנת זיהוי ה-droplet נשענת על משטח המדגם המוצג אופקית למצלמה, כפי שמוצג באיור 2ג. משטחים המכופפים או שנפתרו בצורה גרועה (איור 2ד) יפיק שגיאות עיבוד תמונה. ניתן להשתמש בתוכנה כדי לנתח טיפות להשפיע על משטחים שטוחים שאינם אופקיים, כל עוד קצה המשטח מייצר ניגוד חד כנגד הרקע.
כדי להבטיח כי התפשטות ה-droplet כולה מתבצע במעקב על-ידי התוכנה ש-droplet צריך לנחות במרכז המדגם (איור 2E). אם המערכת מיושרת באופן שגוי, ה-droplet יכול להיסחף מהמיקום המרכזי והוא יהיה מחוץ לפוקוס (איור 2F). אם ה-droplet אינו ממוקד, הגודל המחושב יהיה שגוי. השפעה זו נגרמת לעתים קרובות על ידי יישור עני של המערכת המשמשת להזזת המחט אנכית הרחק מן המשטח, אשר יפיק סחף במיקום ההשפעה כפונקציה של גובה. הוא הציע כי המשתמש מיישם מערכת לוחות לחם אופטי (או דומה) כדי להבטיח יישור מקבילי ואנכי.
כדי לוודא שקצות התמונות של ה-droplet המשמידה נראים חדים, מומלץ להשתמש בזמן החשיפה הקצר ביותר האפשרי עם מקור האור הזמין (איור 2G). יישור שגוי של נתיב התאורה יחסית למצלמה מוביל לעתים קרובות להתאמת הגדרות אחרות, כגון מפתח המצלמה וזמן החשיפה. זה מייצר קצה מטושטש ל-droplet הנוסע (איור 2שעות)
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig02.jpg"> איור 2: בעיות נפוצות עם כיול שגוי של המערכת. (A) כיול מיושרוממוקד בצורה נכונה. (ב) כיול מחוץ לפוקוס, הפקת גורם כיול שגוי. (ג) משטח לדוגמה הוא אופקי ומספק חדות גבוהה בין משטח לדוגמה לרקע. (ד) דוגמה היא זווית למצלמה, הפקת משטח רפלקטיבי. (ה) Droplet נוחת במרכז המדגם במישור המיקוד. (ו) Droplet מנחית את המרכז והוא לא בפוקוס בשל הצמצם הרחב המשמש. (ז) droplet הוא התמונה עם קצוות חדים עקב זמן חשיפה קצר (10 μs). (ח) משנה תאורה אופטימלית וזמן חשיפה ארוך יותר (99 μs) לייצר טשטוש תנועה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
תאורה ויישור שגויים של המדגם יכולים ליצור בוהק וצללים בתמונות המוקלטות. אלה לעתים קרובות לייצר פריטים בשלבי עיבוד תמונה, אשר יכול להפחית את מספר נקודות הנתונים באיכות טובה התאספו. בוהק נפוץ עבור נוזלים שקופים אם נתיב התאורה אינו מיושר אופקית. התוכנה אמורה להיות מסוגלת לעקוב אחר כל המתאר של ה-droplet בתמונות וידאו (איור 3A). אם המעקב לא הושלם, הערכים שנמדדו כגון אורך ה-droplet המריחה יהיו שגויים (איור 3B).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig3a.jpg"> איור 3: אורך של droplet משפיע כפונקציה של מספר מסגרת וידאו (מסגרת השפעה = 0). כל נקודת נתונים כחולה מתאימה לתמונות ההזחה. (א) התאורה הנכונה מאפשרת לתוכנה לעקוב אחר כל המתאר של ה-droplet (הקו הצהוב). נקודות מגע (צלבים ירוקים) מזוהים כראוי, ואת האורך המוקלט של droplet התפשטות היא פונקציה חלקה של מספר מסגרת. (ב) התאורה המסכנה מייצרת בוהק על הנוזל והקצה השמאלי של ה-droplet אינו מאותר כראוי. האורך המוקלט של התפשטות ה-droplet מדגים אי דיוקים בנתונים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig3alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
קובץ קידוד משלים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/Supplementary_Coding_File.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

פרוטוקול זה מאפשר איסוף יעיל של תמונות במהירות גבוהה ניסיוני של השפעות ירידה נוזלית, ניתוח מהיר של נתונים אלה בקבוצות. כדי לייעל תהליכים אלה, השיטה מתארת כיצד לכייל ולהגדיר מכשירים, ליצור מבנה נתונים מתאים ולפרוס קובץ script לניתוח תמונה.

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...

פרוטוקול זה מאפשר מחקר יעיל של השפעות טיפה נוזלית על משטחים מוצקים, תופעה יומיומית כי הוא באמת חשוב בתעשייה. התוצאות יכולות להיות מורכבות מאוד, ותלויות בפרמטרים ניסיוניים רבים ושונים. ככל שרכישת הנתונים וניתוחם מתואמים, ניסויים רבים יכולים להתבצע על פני תקופה קצרה, ו ניתן להעריך את איכות הנתונים באופן מיידי.שיטה זו שימושית ללימוד פרמטרים בסיסיים של השפעת ירידה. כל נוזל, גודל טיפה, מהירות השפעה טיפה, כל חומר מצע, ובכל תנאי הסביבה. שיטה זו יעילה מאוד, אך ישנם מספר שלבים חשובים הדרושים להגדרתה כראוי.בעקבות הדגמה היא הדרך הטובה ביותר למנוע שגיאות. כדי להגדיר את המצלמה במהירות גבוהה, מקם סמן יישור במיקום המרכזי של שלב הדגימה, מול המצלמה, והתאם את הגדלת המצלמה כך שהסמן הריבועי יתאים לשדה התצוגה. כאשר הסמן נמצא במוקד, לכוד תמונה.טען את ממשק המשתמש הגרפי עבור תוכנת ניתוח השפעת הירידה ב- MATLAB, לחץ על כיול מצלמה ובחר את התמונה שנלכדה כדי להפעיל את קוד ניתוח התמונה. הזינו את גודל ריבוע הכיול במילימטרים ולחצו על הלחצן 'אשר'. הזז את המלבן עד לריבוע הכיול הוא האובייקט היחיד בתוך המלבן ולחץ על אישור. התוכנה תחשב באופן אוטומטי את גורם ההמרה.כדי ליישר את מערכת הניסוי, מקם את הר המחט ברמת העיניים כדי להקל על הטעינה, ובדוק כי צינורות אינו מעוות. באמצעות מזרק עם מחט מאובטחת ונקייה, לטהר באופן ידני את הצינור של כל נוזל שיורית, תוך החזקת צינורות ומחט במצב אנכי. ולמלא את המזרק בנוזל העניין.חבר את המזרק למשאבת המזרק הנשלטת על ידי המחשב, ולחץ והחזק את כפתור ההיתוך של משאבת המזרק כדי לטהר את המחט עד שלא יהיו בועות בתוך הנוזל. הגדר את המשאבה כדי לוותר על הנפח המתאים לשחרור טיפות נוזל בודדות, וליישר את המדגם מתחת למחט. לאחר מכן, השתמש במשאבה כדי לחלק טיפה אחת על המדגם, ולאשר כי טיפה נוחתת ומתפשטת על פני שטח העניין על המדגם.לאחר אישור הגדרות droplet, להתאים את המיקום האנכי של מחזיק המדגם עד פני השטח הוא ברמה עם מרכז שדה התצוגה של המצלמה, ולהתאים את המיקום האופקי של המצלמה, כך טיפה על המדגם מיושר במרכז שדה התצוגה. לאחר מכן, התאימו את המיקומים האנכיים והאופקיים של ה-LED כך שיתאימו למיקום המצלמה כך שמרכז האור יופיע במרכז שדה התצוגה. ולהתאים את המרחק של המצלמה מהטפה כך טיפה נכנס לפוקוס.לאחר שהמערכת מיושרת ומכוילת, הגדר את קצב המסגרות של המצלמה לערך אופטימלי עבור האובייקט המוקלט. הגדר את זמן החשיפה של המצלמה לערך קטן ככל האפשר תוך שמירה על תאורה מספקת. והתאימו את צמצם העדשה להגדרה הקטנה ביותר הזמינה תוך שמירה על תאורה מספקת.לאחר מכן, הגדר את הגורם המפעיל עבור המצלמה באמצעות גורם מפעיל של מצב קצה, כך שהמצלמה תאגר את ההקלטה לפני שתעצור על הגורם המפעיל. כדי לערוך ניסוי, צור תיקיה לאחסון הסרטים עבור קבוצת הניסויים הנוכחית והגדר תיקיה זו כמיקום השמירה עבור תוכנת המצלמה בהתאם למדריך היצרן למצלמה. ודא שתבנית הקובץ עבור תמונות שנלכדו מוגדרת כ- TIFF.לחץ על הגדר נתיב בממשק המשתמש הגרפי של ניתוח תמונות ובחר את תיקיית שמירת המיקום כך שהתוכנה תפקח על תיקיה זו עבור סרטוני וידאו חדשים. כדי ליצור את מבנה התיקיות עבור ניסויי אצווה, לחץ על יצירת תיקיות והזן את גובה שחרור השחרור המינימלי, את גובה השחרור המרבי, את שלב הגובה בין כל ניסוי ואת מספר הניסויים החוזרים בכל גובה. ולחץ על אישור כדי להפעיל את קובץ ה- Script של יצירת תיקיות.לפגיעה על משטח יבש ומוצק, יש לנקות את המשטח בהתאם לפרוטוקול סטנדרטי מתאים, ולאפשר למשטח להתייבש לחלוטין. כדי לתעד אירוע השפעה של טיפה, מקם את הדגימה על שלב הדגימה כך שהיא מיושרת עם המצלמה, והזז את המחט לגובה שחרור טיפה הרצוי. ודא שהתצוגה מהמצלמה אינה ניתנת להריסה לפני לכידת תמונה ושמירתה בתוכנת המצלמה.התחל את הקלטת הווידאו כך שהמצלמה תקליט ותאגרף, ולהשתמש במשאבת המזרק כדי לחלק טיפה אחת על המדגם. לאחר מכן הפעל את ההקלטה כדי להפסיק לאחר השלמת אירוע ההשפעה. מוציאים את המשטח ממחזיק הדגימה ומייבשים את המשטח בהתאם לצורך.כדי להכין את קובץ הווידאו שנתפס לניתוח, בתוכנת המצלמה במהירות גבוהה, לסרוק את הווידאו כדי למצוא את המסגרת הראשונה שבה טיפה הוא לגמרי בתוך שדה התצוגה, לחתוך את תחילת הווידאו למסגרת זו. התקדם במספר המסגרות הדרושות ללכידת תופעות העניין במהלך ניסוי ההשפעה, וחתוך את סוף הווידאו למסגרת זו. לאחר מכן, שמור את הווידאו כקובץ AVI ואת נתיב השמירה לתיקיה המתאימה עבור האצווה הניסיונית הנוכחית, גובה השחרור והמספר החוזר.בממשק ניתוח התמונות, לחץ על מיין קבצים ואשר באופן חזותי שתדמית הרקע שהתקבלה מוצגת כעת על המסך. לאחר מכן, לחצו על 'הפעל עקיבה' כדי להתחיל בעיבוד התמונה. הסרטון יוצג עם השכבת-על של עיבוד התמונה המתקבלת.בדוק באופן איכותי כי עיבוד התמונה מתפקד כראוי על ידי צפייה בסרטון. לניתוח נתונים גולמיים, בממשק המשתמש הגרפי לניתוח תמונה, לחץ על נתוני תהליך כדי להתחיל בחישוב המשתנים העיקריים מנתוני התהליך הגולמיים. לאחר מכן, הזינו את קצב המסגרות של ההקלטה, צפיפות הנוזלים, מתח פני השטח הנוזלי וערכי צמיגות הנוזלים ולחצו על הלחצן 'אשר'. הנתונים יישמרו בקובץ MAT של תיקיית הווידאו ויייצאו כקובץ CSV.ריבוע הייחוס חייב להיות ללא הפרעה בשדה התצוגה של המצלמה, ובמוקד. מוקד שגוי של ריבוע ההפניה יגרום לשגיאה שיטתית בערכים המחושבים. תוכנת זיהוי טיפה מסתמכת על פני השטח של המדגם להיות מוצג אופקית למצלמה, כפי שנצפה בתמונה זו.משטחים מכופפים, או נפתרים בצורה גרועה, ייצרו שגיאות עיבוד תמונה. כדי להבטיח כי התפשטות טיפה כולה הוא במעקב על ידי התוכנה, טיפה צריך לנחות במרכז המדגם. אם המערכת מיושרת באופן שגוי, טיפה יכול להיסחף מהמיקום המרכזי, ויהיה מחוץ לפוקוס.כדי להבטיח שהקצוות המדמיין של טיפת הפגיעה ייראו חדים, יש להשתמש בזמן החשיפה הקצר ביותר האפשרי עם מקור האור הזמין. יישור שגוי של נתיב התאורה ביחס למצלמה משפיע לעתים קרובות על הגדרות אחרות, כגון צמצם המצלמה ותזמן החשיפה, וכתוצאה מכך קצה מטושטש לטפטפת הנוסעת. התוכנה אמורה להיות מסוגלת לעקוב אחר כל קווי המתאר של טיפה בתמונות וידאו.אם המעקב לא הושלם, הערכים הנמדדים, כגון אורך טיפת ההתפשטות, יהיו שגויים. חיוני שהמצלמה ממוקדת כראוי, ומיושרת עם הדוגמה, ושווידאו שנשמר תואם לנתיב שסופק בתוכנה. אחרת, הניתוח ייכשל.הצלחנו לחקור וריאציות בתוצאות ההשפעה על פני מגוון פרמטרים ניסיוניים. לדוגמה, בקביעת המהירות של מתי טיפה מתחילה להתיז.

high-throughput-analysis-of-liquid-droplet-impacts

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

Droplet מבוססי פלטפורמות microfluidic הם המועמדים המבטיחים לניסויים תפוקה גבוהה שכן הם מסוגלים להפיק, picoliter עצמית מידור כלי ובזול בשיעורים קילוהרץ. באמצעות שילוב עם מהירות, רגישות גבוהה שיטות ספקטרוסקופיות ברזולוציה פלואורסצנטי, כמויות גדולות של מידע שנוצר בתוך מערכות אלה ניתן לחלץ ביעילות, לרתום ולנצל אותו.

שיטות גילוי הקרינה לפלטפורמות אגל microfluidic

השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

מתואר הפרוטוקול לייצור ותפעול של התקני הרטבת שדה (Field-DW), כמו גם המחקרים הראשוניים של השפעות השדות החשמליים על תכולת הטיפות.

ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי

אנו מציגים מערכת מבוא מדגם אגל דיסקרטית לספקטרומטריית מצמידים אינדוקטיבי פלזמה המונית (ICPMS). הוא מבוסס על שבב microfluidic זול וחד פעמי שיוצר טיפות monodisperse ביותר בטווח גודל של 40-60 מיקרומטר בתדרים בין 90 ל -7,000 הרץ.

שבב microfluidic למבוא לדוגמא ICPMS

פרוטוקול ללמוד התרומות של גלים droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם מוצג.

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

פרוטוקול זה מדגים את ההגדרות הבסיסיות ניסיוני עבור המים ערך ניסויים עם כדורים צניחה חופשית. נידונות שיטות משינוי משטח נוזלי עם בדים נחדרת, הכנת כימי ללא הרטבה הספירות, והשלבים לחילוץ ויזואליזציה ונתוני הפתיחה.

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

המטרה הכוללת של הפרוטוקול היא להכין מעל 1,000,000 הורה, אחיד, יציב, ותואם ביולוגי טיפות של ליטר על 1 ס מ2 מצע מישורי שניתן להשתמש בו עבור סינתזה של חלבון תא ללא.

מערך מערכת Droplet ליטר ליצירת חלבון מקבילי בנפט ממולקולות דנ א יחיד

הייצור של התקן דו-שכבתי מבוסס פולידימתילסילוקסאן (PDMS) לייצור ספריות קומבינטוריות בתחליבים של מים בשמן (תקעים) מוצג כאן. החומרה והתוכנה הדרושים לאוטומציה של ייצור תקעים מפורטים בפרוטוקול, ומודגם גם ייצור ספרייה כמותית של תקעים פלואורסצנטיים.

התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי לייצור תקע קומבינטורי

הפרוטוקול מתאר פלטפורמה מיקרופלואידית מתקדמת למדידה כמותית של דינמיקת הפרשת ציטוקינים של תאי דם חד-גרעיניים היקפיים אנושיים בודדים. הפלטפורמה מודדת עד שלושה ציטוקינים במקביל (IL-6, TNFα ו-IL-1β) עבור כל תא בודד המגורה באמצעות ליפופוליסכריד כדוגמה.

גישה מיקרופלואידית לפתרון הפרשת ציטוקינים סימולטנית ורציפה של תאים רב-תפקודיים בודדים 

כאן, אנו מתארים שיטה ליצירת טיפות תחליב כפולות המכילות תא T אחד ותא מטרה סרטני כדי לבחון הרג תאים ברמת התא הבודד. שיטה זו מאפשרת כימות כפול הן של מולקולות ציטוטוקסיות והן של אפופטוזיס של תאי מטרה בתוך אוכלוסייה גדולה של תאי T.

בדיקת ציטוטוקסיות מבוססת טיפות להערכת תאי T קולטני אנטיגן כימריים ברמת התא הבודד

פרוטוקול זה מציג תהליך סינון סטנדרטי עם תפוקה גבוהה עבור מיקרואורגניזמים תעשייתיים. הוא כולל בניית ספריית מוטנטים באמצעות מוטגנזה של ARTP, ביצוע סקר חיובי לטיפות באמצעות מיקרופלואידיקה אוטומטית, ולאחר מכן אימות התוצאות. אמינות זרימת העבודה אושרה על ידי סינון זני B. coagulans בעלי תפוקה גבוהה.

סקר מהיר של מוטנטים של חיידקים קואגולנס המופרזים בחומצה L-לקטית באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידית אוטומטית של טיפות

למד ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות טיפות נוזל על משטחים מוצקים באמצעות מצלמה מהירה ו-MATLAB. שיטה זו מאפשרת איסוף נתונים מדויק ומהיר לחקר דינמיקת זרימת נוזלים.

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

גלה סרטונים נוספים