Analizzando disomogeneità Mescolando in un dispositivo a microfluidi da Tecnica microscala Schlieren
12 giugno 2015
Qui, descriviamo una procedura che impiega la tecnica di Schlieren su microscala per misurare la disomogeneità di miscelazione in un dispositivo microfluidico. Attraverso la calibrazione, la distribuzione del gradiente di concentrazione può essere derivata dall'immagine micro-Schlieren.
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di misurare in modo non invasivo il gradiente di concentrazione in un dispositivo microfluidico utilizzando la tecnica della schelarina su microscala. Ciò si ottiene costruendo prima il sistema di sch larin su microscala da un microscopio a contrasto a modulazione di Hoffman. Rimuovere la piastra a fessura del condensatore e sostituire il modulatore nel punto focale posteriore dell'obiettivo con una lama di coltello.
Il secondo passo consiste nel montare un microcanale a T e avviare una procedura di miscelazione di calibrazione. Fotografare il canale T per ottenere immagini di micro schlein in scala di grigi. Successivamente, confronta le immagini della microlarina con una simulazione fluidodinamica computazionale.
Per trovare la relazione tra scala di grigi e gradienti di concentrazione, i passaggi finali consistono nel caricare un dispositivo microfluidico target. Prendi un'immagine micro schlein della miscelazione e usa la curva di calibrazione per convertire i valori della scala di grigi in gradienti di concentrazione. In definitiva, la tecnica di schlein su microscala viene utilizzata per mostrare quantitativamente la miscelazione in omogeneità in un dispositivo microfluidico in tempo reale.
Il vantaggio principale di questo metodo rispetto alle tecniche esistenti come l'imaging a fluorescenza o l'ombra, è che consente misurazioni instabili del gradiente di concentrazione che rivelano l'omogeneità tridimensionale in un dispositivo microfluido. A dimostrare questa procedura sarà il Dr.Un neolaureato di dottorato in un laboratorio. Il primo passo è preparare il dispositivo microfluidico da utilizzare nell'esperimento.
Questo dispositivo a microcanali t è stato fabbricato modellando il polidimetilSloane. Lo schema del dispositivo mostra i suoi canali di alimentazione e il suo canale di confluenza. Ogni canale è collegato a una regione circolare che sarà il sito di connessione del fluido.
Per l'esperimento, montare un dispositivo microfluidico su un vetrino e inserire tubi in teflon. Per effettuare i collegamenti del fluido, mettere da parte il dispositivo. Durante la preparazione dell'esperimento, costruire il sistema di schlein su microscala da un microscopio a contrasto a modulazione Hoffman.
Tieni pronto un filo di coltello da inserire nel percorso ottico. Questo bordo del coltello è realizzato su misura per l'uso in questo sistema ed è annerito per ridurre la riflettività. Tieni il filo del coltello a portata di mano e inizia a modificare la raffica del microscopio.
Rimuovere la piastra a fessura davanti al piano focale del condensatore. Quindi, rimuovere il modulatore dal piano focale posteriore dell'obiettivo five x. Prendi il bordo del coltello e inseriscilo al posto del modulatore.
Per acquisire video, utilizzare una telecamera ad alta velocità montata sul tubo trioculare del microscopio e collegata a un computer. Accendi la fonte di luce e inizia a inviare video in scala di grigi al computer. Quindi, acquisisci ed elabora un'immagine.
Registra un'immagine dal flusso video e utilizza il software di elaborazione delle immagini per ottenere il valore della scala di grigi. Tornare al microscopio e rimuovere il bordo del coltello dal computer. Monitorare la lettura media della scala di grigi durante la regolazione dell'illuminazione e dell'apertura.
Arrestare quando la lettura media della scala di grigi dell'immagine è inferiore di circa il 10% rispetto al valore massimo. Questa è l'intensità di fondo per un cutoff dello 0%. Ora inserire il bordo del coltello per bloccare completamente la luce incidente.
Al computer. Registrare la lettura media della scala di grigi dell'immagine. Questa è l'intensità di fondo per un cutoff del 100%.
Successivamente, regola in modo iterativo la posizione del bordo del coltello monitorando la lettura media della scala di grigi delle immagini acquisite. Fermarsi. Quando la lettura media della scala di grigi dell'immagine si trova al centro dei valori zero e 100%, questo imposta il grado di cutoff al 50%Ora torna al microscopio per montare il dispositivo a microcanali T. Posizionarlo sul tavolino del campione in modo che il canale confluente sia parallelo al bordo del coltello.
Regolare approssimativamente la messa a fuoco una volta che il dispositivo è in posizione. Ripara i fluidi per l'esperimento. Seleziona due fluidi trasparenti senza indici di rifrazione che sono completamente mancanti l'uno con l'altro.
Per questo video, l'acqua viene utilizzata come fluido di riferimento e una soluzione acquosa di etanolo è l'altro e s plus dell'indice di rifrazione in funzione della concentrazione. E scegli la frazione di massa dell'etanolo acquoso in modo che cada nella regione lineare. Questo esperimento utilizza una frazione di massa di 0,05 per erogare i fluidi di riparazione.
Due siringhe identiche riempiono una siringa con acqua e l'altra diluirebbe l'etanolo acquoso collegando le siringhe al microcanale T. Utilizzare un tubo in teflon per collegare ciascuno dei due ingressi del microcanale T a una delle siringhe. Disporre di due pompe a siringa per erogare i fluidi agli ingressi del microcanale.
Caricare una pompa con la siringa del fluido di riferimento. Caricare l'altra pompa con la siringa di etanolo diluito, ma l'estremità del tubo di deflusso in un contenitore e fissarla alla parete del contenitore. Iniziare la calibrazione per assegnare loro il numero di Reynolds impostando la portata delle pompe a siringa.
Avviare le pompe a siringa per erogare i fluidi di lavoro contemporaneamente alla stessa portata volumetrica. Utilizzare la fotocamera per osservare il microcanale finemente. Sintonizzare la messa a fuoco e attendere che il flusso costante si stabilizzi come segnalato da un SL stazionario e da un modello.
Utilizzate una frequenza fotogrammi di 30 fotogrammi al secondo per registrare 20 fotogrammi di miscelazione fluidica. Questi fotogrammi sono l'immagine acquisita. Al termine, prepara le pompe per ottenere un altro set di telai.
Arrestare la pompa a siringa per l'etanolo diluito e continuare a pompare l'acqua attraverso un ingresso. Osservare il flusso e attendere fino a quando non si verifica un flusso costante con nole e pattern. Registra 20 fotogrammi di immagini a 30 fotogrammi al secondo.
Questi fotogrammi sono l'immagine di riferimento. Continuate catturando immagini di etanolo e acqua e poi solo acqua per ogni numero di interesse Reynolds. Quando tutti i dati sono stati raccolti, rivolgersi al computer per continuare con la calibrazione.
Utilizzare il software di elaborazione delle immagini per dividere le immagini acquisite per l'immagine di riferimento per ciascun errore del numero Reynolds. Le immagini acquisite dal campione per quando l'etanolo acquoso entra dal canale nella parte superiore dell'immagine e dal canale nella parte inferiore diviso per l'immagine di riferimento forniscono i dati del rapporto della scala di grigi a una data distanza lungo il flusso. Selezionare i punti nella direzione del flusso trasversale ed estrarre il rapporto della scala di grigi in corrispondenza di ciascuno.
Fallo per diversi punti lungo il corso d'acqua e traccia i dati per il confronto. Eseguire una simulazione fluidodinamica computazionale dell'esperimento. Utilizzare questa opzione per calcolare la derivata della frazione di massa rispetto alla derivata del flusso incrociato.
Successivamente, sfrutta la relazione lineare prevista tra il rapporto della scala di grigi e la derivata utilizzando la regressione lineare. Per trovare la linea di regressione dopo la calibrazione, utilizzare la tecnica micro schlein per studiare un dispositivo target. Innanzitutto, scollegare e rimuovere il dispositivo a microcanali T dal tavolino di campionamento.
Sostituirlo con un dispositivo microfluidico target di profondità approssimativamente uguale. Collegare il dispositivo all'acqua e alla soluzione acquosa di etanolo con la telecamera che registra l'acqua in ingresso e diluire l'etanolo a velocità di flusso volumetriche uguali al computer. Attendere che il flusso si stabilizzi e registrare 20 fotogrammi per l'immagine acquisita.
Quindi, arrestare la pompa a siringa per l'etanolo acquoso e immettere solo acqua nel dispositivo microfluidico target. Tornare al computer per ottenere l'immagine di riferimento. Il rapporto della scala di grigi sotto diversi numeri di Reynolds per gradienti di frazioni di massa positivi e negativi ha una banda che appare al centro del microcanale T a un numero di Reynolds basso.
La coda della banda di Schlein è espansa e sfocata a causa della dispersione attraverso l'interfaccia di missaggio. All'aumentare del numero di Reynolds, la lunghezza di diffusione si accorcia, il che porta a una banda più stretta. In questo video, la relazione lineare trovata tra il rapporto della scala di grigi e la derivata della frazione di massa è stata utilizzata per catturare la natura oscillante del flusso in un oscillatore microfluidico a un numero di Reynolds di 250.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come implementare la tecnica di stratificazione su microscala per la quantificazione dei gradienti di concentrazione in un dispositivo microfluidico.
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Panoramica
In questo articolo viene descritta una procedura che utilizza la tecnica microscopica di schlieren per misurare l'eterogeneità del mescolamento in un dispositivo microfluidico. Il metodo consente la valutazione non invasiva dei gradienti di concentrazione mediante tecniche di calibrazione e di imaging.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Microfluidica
- Tecniche di imaging ottico
- Dinamica dei fluidi
Sfondo
- I dispositivi microfluidici sono essenziali per numerose applicazioni biologiche e chimiche.
- Comprendere la dinamica del mescolamento è fondamentale per ottimizzare questi dispositivi.
- La tecnica microscopica schlieren fornisce un approccio innovativo per visualizzare i gradienti di concentrazione.
- È necessaria una calibrazione per interpretare con precisione le immagini ottenute.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo non invasivo per misurare i gradienti di concentrazione in sistemi microfluidici.
- Utilizzare la tecnica microscopica schlieren per un'immagine migliorata dei processi di miscelazione.
- Confrontare i risultati sperimentali con simulazioni di dinamica dei fluidi computazionale.
Metodi Utilizzati
- Costruzione di un sistema microscopico schlieren mediante un microscopio a contrasto di modulazione Hoffman.
- Sostituzione della piastra con fessura con un bordo tagliente per la modulazione.
- Montaggio di un microcanale a T per le procedure di miscelazione di calibrazione.
- Acquisizione di immagini del canale a T per ottenere immagini micro-schlieren in scala di grigi.
Risultati principali
- Imaging riuscita dei gradienti di concentrazione nel dispositivo microfluidico.
- La calibrazione ha permesso un'interpretazione accurata delle immagini schlieren.
- Il confronto con simulazioni di dinamica dei fluidi computazionale ha validato i risultati.
- La tecnica ha dimostrato un potenziale per applicazioni più ampie nella ricerca in dinamica dei fluidi.
Conclusioni
- La tecnica microscala schlieren è efficace per misurare l'inhomogeneità del mescolamento.
- Questo metodo fornisce un approccio non invasivo per lo studio di sistemi microfluidici.
- Applicazioni future potrebbero estendersi a diversi campi che richiedono un'analisi precisa della dinamica dei fluidi.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La valutazione quantitativa dell'eterogeneità del mescolamento in dispositivi microfluidici è fondamentale per i flussi di lavoro biopharma nella fase iniziale, in cui una distribuzione precisa dei reagenti influisce sulla fedeltà del saggio e sulla validazione degli obiettivi. La tecnica microscopica schlieren consente misurazioni non invasive in tempo reale dei gradienti di concentrazione, supportando una previsione affidabile delle piattaforme di scoperta basate su microfluidica. Questa capacità rafforza le decisioni strategiche riducendo l'ambiguità nel controllo del microambiente e nella riproducibilità dei saggi.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Consente la visualizzazione diretta e la quantificazione dei gradienti di concentrazione per la riduzione del rischio meccanicistico.
- Permette la validazione funzionale della miscelazione in microfluidica in relazione alle prestazioni del saggio biologico.
- Migliora l'affidabilità predittiva dell'idoneità del sistema microfluidico per l'analisi dell'obiettivo.
Sviluppo di screening e saggi
- Facilita la calibrazione e la standardizzazione di dispositivi microfluidici per screening di composti riproducibili.
- Fornisce uscite quantitative in scala di grigi per lo sviluppo e l'ottimizzazione di saggi robusti.
- Consente una valutazione rapida dell'uniformità di miscelazione, supportando flussi di lavoro di saggi scalabili.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Garantisce la continuità tra saggi di scoperta basati su microfluidica e sistemi modello preclinici, assicurando una miscelazione fedele.
- Riduce il rischio di fallimento nella traduzione clinica dovuto a inomogeneità microambientali non rilevate.
- Migliora la corrispondenza tra i risultati ottenuti con la microfluidica e studi successivi su biomarcatori o efficacia terapeutica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La tecnica microscopica di schlieren si integra all'interfaccia tra la fase iniziale della scoperta e lo sviluppo del saggio, fornendo uno strumento diagnostico per la validazione di dispositivi microfluidici prima dell'identificazione dei composti promettenti o degli studi preclinici.
- Biologia della scoperta: Quantifica i gradienti di concentrazione spaziali per chiarire ipotesi biologiche dipendenti dal mescolamento.
- Screening: Fornisce letture quantitative e riproducibili per la prontezza del saggio e la standardizzazione della piattaforma.
- Analisi: Permette il confronto diretto tra profili di mescolamento sperimentali e simulati per una valutazione robusta del dispositivo.
- Ricerca traslazionale: Garantisce che gli output dei saggi microfluidici siano predittivi delle prestazioni nei sistemi preclinici.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un flusso di lavoro di calibrazione e validazione riutilizzabile per diverse piattaforme microfluidiche.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nei saggi basati su microfluidica.
- Valore operativo: Standardizza la validazione dei dispositivi e supporta flussi di lavoro scalabili e riproducibili.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione del progetto fornendo metriche quantitative sul mescolamento in una fase precoce del processo.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione adeguata ai rischi delle piattaforme microfluidiche per lo sviluppo successivo.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nell'imaging ottico e nella manipolazione di dispositivi microfluidici.
- Necessita dell'accesso a un microscopio a contrasto di modulazione Hoffman e a un'infrastruttura per l'elaborazione delle immagini.
- Richiede una standardizzazione della calibrazione tra team per una mappatura coerente da scala di grigi a gradiente.
- Adattabile a diversi sistemi fluidi trasparenti con relazioni lineari tra indice di rifrazione e concentrazione.
- Limitato a fluidi e dispositivi otticamente trasparenti compatibili con l'apparato di imaging.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
The Microfluidic Device
2:29
Experimental Setup
5:55
Calibration
8:10
Quantification
9:02
Results: Schlieren Band Behavior with Variation of the Reynolds Number, and the Evolution of the Mass Fraction Gradient in a Microfluidic Oscillator
9:47
Conclusion
