Name: Adattamento della dispersione di Taylor per misurare il coefficiente di dispersione delle soluzioni elettrolitiche tramite una configurazione microfluidica accessibile (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-10-07T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 56 s
Description: Scopri come misurare il coefficiente di diffusione di specie elettrolitiche utilizzando una piattaforma microfluidica accessibile e a basso costo. Questo metodo permette di visualizzare le interazioni ioniche multispiecie con precisione.

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</ol>

In questo rapporto, abbiamo presentato una configurazione sperimentale e un protocollo ripetibili e accessibili per adattare l'esperimento di dispersione di Taylor alla scala microfluidica. Sfruttiamo una tecnica di xurografia esistente5 per produrre i nostri microcanali internamente a basso costo utilizzando la stampa 3D e una taglierina artigianale desktop. L'attuale standard industriale per la produzione di microcanali prevede la creazione di stampi master in cui è possibile fondere i canali. Rispetto alla tecnica discussa in questo manoscritto, questi metodi possono avere una risoluzione del canale e una dimensione delle caratteristiche significativamente migliori (alcuni fino a 0,1 μm), ma hanno lo svantaggio di costi generali molto più elevati, fino a decine di migliaia di dollari14. Oltre al costo generale iniziale, qualsiasi modifica alle caratteristiche di progettazione dei canali richiede sia la creazione di un nuovo stampo master che l'indurimento di nuovi canali, aumentando i tempi di fermo. Al contrario, il costo iniziale dell'attrezzatura per la produzione di canali utilizzata in questo rapporto è di circa 300 USD; questo è paragonabile al modo meno costoso di produrre uno stampo master (come l'utilizzo di tecniche basate sul polidimetilsilossano (PDMS), ma ha il vantaggio che le modifiche al design dei canali e la stampa di nuovi canali richiedono molto meno tempo, pur mantenendo una rugosità superficiale paragonabile alle principali tecniche di produzione per canali larghi 200 μm5. Siamo in grado di tagliare un chip microfluidico in meno di 5 minuti e per meno di 1 USD.
In questo protocollo, i dati vengono registrati in un punto di acquisizione fisso a valle dell'ingresso del tracciante attraverso l'imaging in campo chiaro utilizzando una fotocamera DSLR montata con un obiettivo macro. Sebbene il protocollo sia stato sviluppato utilizzando una soluzione di sale sodico di fluoresceina in acqua deionizzata (DI), questo metodo di imaging è applicabile ad altri tipi di coloranti, come i coloranti alimentari, purché esista una relazione lineare tra l'intensità e la concentrazione del tracciante. La gamma potenziale di sostanze chimiche da utilizzare può essere ulteriormente ampliata considerando il loro spettro di assorbimento e l'illuminazione di fondo. Tuttavia, notiamo che alcuni coloranti alimentari sono derivati da materiali vegetali e possono contenere più di una specie chimica; È necessario prestare attenzione quando si seleziona il colorante alimentare da utilizzare per evitare risultati contrastanti.
La validità di questa configurazione e di questo protocollo è stata verificata calcolando il fattore di dispersione sperimentale, f, per variare il rapporto di aspetto del canale e la portata sperimentale, e confrontandolo con i suoi valori teorici per microcanali di sezioni trasversali rettangolari, come mostrato nella Figura 7. Abbiamo anche calcolato il coefficiente di diffusione, κ, per traccianti passivi di singole specie in queste condizioni sperimentali variabili. La Tabella 1 riporta il coefficiente di diffusione molecolare del sale sodico di fluoresceina ottenuto da questa indagine sperimentale. In particolare, i valori κ tabulati sono stati calcolati dall'equazione (3) utilizzando adattamenti sperimentali per il coefficiente di dispersione migliorato, K, e valori teorici per il fattore di dispersione, f. Riportiamo i valori medi per quattro esperimenti su microcanali con rapporti d'aspetto (λ = 0,1, 0,25 e 0,5) e velocità di flusso variabili (0,05, 0,1 e 0,2 cm/s). Per ciascuno di essi, includiamo anche l'errore relativo rispetto al valore teorico10,11, κ = 5,70 x 10-6 cm2/s, dimostrando l'accuratezza del nostro metodo. Infine, per ogni insieme di parametri sperimentali riportiamo il numero di Péclet e l'intervallo di tempo adimensionale definito dividendo il tempo dimensionale t quando la curva di intensità sperimentale devia dalla linea di base, per il tempo di diffusione td = h2/(4κ). Includiamo l'intervallo di tempo sperimentale non dimensionale per dimostrare che il nostro sistema è entrato nel regime di dispersione di Taylor e quindi può essere ben approssimato da un profilo gaussiano15. Infatti, i tempi di osservazione riportati nelle ultime due colonne della Tabella 1, sono circa 2-5 (o più) volte il tempo di diffusione td.
Successivamente, abbiamo esteso il protocollo per studiare l'interazione e la separazione ionica multispecie. Riportiamo di seguito i nostri risultati dall'applicazione dell'esperimento di dispersione di Taylor a una soluzione elettrolitica multispecie ottenuta mescolando fluoresceina, sale sodico e colorante alimentare blu in acqua deionizzata. La Figura 8 mostra l'evoluzione temporale delle curve di intensità del canale blu invertite nel punto di acquisizione della fotocamera per tre soluti: soluzione di colorante alimentare blu in acqua deionizzata (–), soluzione di sale sodico di fluoresceina in acqua deionizzata (...) e soluzione di colorante alimentare blu miscelato e soluzione di sale sodico di fluoresceina in acqua deionizzata (----). Ogni curva è la media di cinque prove sperimentali con una deviazione standard in ciascuna direzione (ombreggiatura). Le curve mostrano che gli esperimenti con il solo colorante alimentare blu (–) hanno raggiunto un minimo per primo, rispetto alla scala temporale del massimo per gli esperimenti con il sale sodico di fluoresceina (...). Ciò è coerente con il fatto che il sale sodico di fluoresceina ha un coefficiente di diffusione molecolare di un ordine di grandezza inferiore a quello del blu 1, l'ingrediente colorante per il colorante alimentare blu utilizzato16. Gli esperimenti in soluzione mista (----) evidenziano questa differenza di scala temporale e la conseguente separazione ionica visibile attraverso una variazione di concavità nel profilo di intensità; La curva scende al di sotto della linea di base prima di girare verso l'alto e raggiungere il picco al di sopra della linea di base. Nella Figura 9 tracciamo la stessa curva di intensità del canale blu invertito in soluzione mista (----) sovrapposta a una curva ottenuta sommando i singoli contributi degli esperimenti con il colorante alimentare blu e degli esperimenti con il sale sodico di fluoresceina (+++). La differenza tra le due curve sottolinea l'effetto che l'interazione ione-ione ha sulla curva di intensità della soluzione mista. Sommando semplicemente i due singoli contributi del soluto, la curva (+++) presenta un minimo più profondo guidato dal forte contributo al di sotto della linea di base della soluzione di colorante blu (mostrato come – nella Figura 8), prima che la concavità cambi su una scala temporale più lunga rispetto alla curva della soluzione mista (----). Infine, la curva della somma mostra ancora una volta un picco più alto al di sopra della linea di base rispetto alla curva mista, a causa del comportamento della soluzione di sale sodico di fluoresceina (mostrato come ... nella Figura 8). Il picco più morbido insieme all'accorciamento della scala temporale è un'indicazione dell'interazione tra il colorante alimentare blu e gli ioni sale sodico fluoresceina.
I profili di intensità nelle Figure 6, 8 e 9 mostrano asimmetria; ciò può essere dovuto ad alcune differenze tra la classica teoria della dispersione di Taylor 2,5,9 e la quantità misurata negli esperimenti. Il profilo di concentrazione previsto dall'equazione (2) è simmetrico nello spazio, ma nella nostra configurazione sperimentale la misurazione viene effettuata in un punto di cattura fisso a valle del sito di iniezione del tracciante in funzione del tempo. Se visto in funzione del tempo, il profilo risultante è intrinsecamente distorto. Questa asimmetria temporale è coerente con le osservazioni riportate in studi precedenti, tra cui Taylor e Harris (2019)5. Un'altra possibile causa di asimmetria è l'influenza dell'area finita della finestra di acquisizione dell'immagine sperimentale. Una possibile alternativa all'adattamento gaussiano descritto nell'equazione (1), consiste nell'adattare i dati sperimentali all'integrale dell'espressione gaussiana nell'equazione (2) sulla regione finita di cattura dell'immagine (in x), come fatto in Bharadwaj, Santiago e Mohammadi (2002)17. Questo contributo all'asimmetria diventa particolarmente rilevante quando la dimensione della scatola di cattura è paragonabile alla deviazione standard della curva gaussiana; qui, la lunghezza della nostra finestra di cattura è sempre almeno un ordine di grandezza inferiore alla deviazione standard della gaussiana.
Questo metodo sperimentale a basso costo fornisce un approccio accessibile all'esperimento di dispersione di Taylor su microscala. La fase più delicata del protocollo è la produzione e la rimozione del negativo a microcanali. Durante il processo di produzione, è necessario prestare particolare attenzione per garantire che il canale sia sicuro prima del taglio per evitare tagli errati. Quando si rimuove il negativo, assicurarsi che non rimanga materiale ed evitare qualsiasi contatto con le pareti laterali del canale, che devono essere lisce, parallele e diritte per garantire risultati sperimentali affidabili. Una limitazione di questo metodo è il limite intrinseco di risoluzione della xurografia. In questo manoscritto, i canali più difficili da produrre sono quelli con larghezza w = 200 μm (e rapporto d'aspetto λ = 0,5), che si spingevano contro il limitedella risoluzione 5 del cutter artigianale. La causa principale dell'errore è il motore passo-passo impiegato dalla taglierina artigianale, che muove le lame con incrementi di passo definiti in base a ingranaggi meccanici. Quando i progetti richiedono che i tagli siano compresi tra l'incremento del passo definito, viene introdotto un errore maggiore. Un lavoro approfondito che identifica i limiti di risoluzione di questo metodo di xurografia è disponibile in letteratura5.
Questa procedura sperimentale fornisce un modo semplice per calcolare il fattore di dispersione potenziato, K, e il coefficiente di diffusione molecolare, κ, di traccianti passivi di specie singole. Inoltre, il protocollo offre un modo semplice per visualizzare le dinamiche di interazione e separazione tra le specie ioniche. Data l'accessibilità e la versatilità della piattaforma, questo metodo è adatto per analizzare la dinamica tra le specie ioniche e comprendere ulteriormente la complessa interazione dei fenomeni di trasporto e può essere facilmente impiegato in applicazioni come un micromixer.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td colspan="2">Tempo non dimensionale</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rapporto d'aspetto, λ</td>
			<td>Portata (cm/s)</td>
			<td>Κ sperimentale (cm2/s)</td>
			<td>Errore relativo</td>
			<td>Numero di Péclet (Pe)</td>
			<td>tmin/td</td>
			<td>tmax/td</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.1</td>
			<td>0.02</td>
			<td>5,813 x 10-6 ± 3,797 x 10-7</td>
			<td>1,982 x 10-2</td>
			<td>~ 18</td>
			<td>~ 30</td>
			<td>~ 52</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.05</td>
			<td>5,333 x 10-6 ± 4,179 x 10-7</td>
			<td>6,443 x 10-2</td>
			<td>~ 44</td>
			<td>~ 11</td>
			<td>~ 27</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.1</td>
			<td>5,655 x 10-6 ± 2,822 x 10-7</td>
			<td>7,838 x 10-3</td>
			<td>~ 88</td>
			<td>~ 6</td>
			<td>~ 16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.2</td>
			<td>5.978 x 10-6 ± 1.724 x 10-7</td>
			<td>4,884 x 10-2</td>
			<td>~ 175</td>
			<td>~numero arabo</td>
			<td>~ 10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5</td>
			<td>0.1</td>
			<td>5.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-7</td>
			<td>4,496 x 10-2</td>
			<td>~ 88</td>
			<td>~ 6</td>
			<td>~ 16</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabella 1: Coefficiente di diffusione molecolare sperimentale (κ) per il sale sodico di fluoresceina. I risultati sono calcolati dall'equazione (3) utilizzando adattamenti sperimentali per il coefficiente di dispersione migliorato, K, e valori teorici per il fattore di dispersione, f. Ogni riga riporta il valore medio di κ (e la relativa deviazione standard) per quattro esperimenti su microcanali con un rapporto di aspetto (λ = 0,1, 0,25 o 0,5) e una velocità di flusso (0,05, 0,1 o 0,2 cm/s) specificati. Per ciascuno, includiamo l'errore relativo rispetto al valore teorico10,11, κ = 5,70 x 10-6 cm 2/s, per dimostrare l'accuratezza del nostro metodo. Inoltre, per ogni riga elenchiamo il numero di Péclet sperimentale e l'intervallo di tempo non dimensionale definito dividendo il tempo dimensionale t quando la curva di intensità sperimentale devia dalla linea di base, per il tempo di diffusione td = h2/(4κ).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig8.jpg"> 
Figura 8: Evoluzione temporale dell'intensità media del tracciante del canale blu invertito nel punto di acquisizione della telecamera per tre traccianti. Evoluzione temporale dell'intensità media del tracciante del canale blu invertito nel punto di acquisizione della fotocamera per tre traccianti: soluzione di colorante alimentare blu in acqua deionizzata (colorante alimentare con rapporto di concentrazione:DI = 1:20 mL, –), soluzione di sale sodico di fluoresceina in acqua deionizzata (alla concentrazione di 0,6 g/L, ...) e una soluzione mista contenente sia colorante alimentare blu che sale sodico di fluoresceina con le stesse concentrazioni dei singoli esperimenti con tracciante (----), cioè colorante alimentare blu: DI = 1:20 mL e 0,6 g/L di fluoresceina. Ogni curva è la media di cinque prove sperimentali con una deviazione standard in ciascuna direzione (ombreggiatura). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig9.jpg"> 
Figura 9: Evoluzione temporale dell'intensità media del tracciante del canale blu invertito nel punto di acquisizione della telecamera per la soluzione mista. Evoluzione temporale dell'intensità media del tracciante del canale blu invertito al punto di acquisizione della fotocamera per una soluzione mista contenente colorante alimentare blu e sale sodico di fluoresceina (----) con colorante alimentare blu: DI = 1:20 mL e 0,6 g/L di fluoresceina e una curva di somma (+++) che combina l'intensità degli esperimenti con la soluzione di colorante alimentare blu (curva solida in Figura 8, –) e esperimenti in soluzione di sale sodico con fluoresceina (curva tratteggiata nella Figura 8, ...). La curva mista è la media di cinque prove sperimentali con una deviazione standard in ciascuna direzione (ombreggiatura). La deviazione standard della curva di somma viene calcolata prendendo la radice quadrata della somma delle deviazioni standard al quadrato degli esperimenti con ogni singola soluzione tracciante. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>Pipetta a volume regolabile, 0,5&ndash; 10 &mu; L</td><td>MUHWA&nbsp;</td><td>B08TBPMKZL</td><td>Trasformato in tavolo</td></tr><tr><td>Tappetino da taglio Cameo, 12 x 12 in</td><td>Silhouette America</td><td>8.19177E+11</td><td>utilizzata la funzione aphabetize nella tabella</td></tr><tr><td>Batteria plug-in della fotocamera</td><td>PIÙ DEBOLE</td><td>B0B5WY8T96</td><td>rimosse le porte stampate in 3D</td></tr><tr><td>Treppiede per fotocamera&nbsp;</td><td>Avanguardia</td><td>B00CCA1Y3S</td><td>aggiunto stampante 3D Form 2 aggiunto stampante 3D Form 2</td></tr><tr><td>Resina trasparente V5</td><td>Formlabs</td><td><a href="https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/">https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/</a></td><td>Resina per stampa 3D</td></tr><tr><td>Acceleratore di colla cianoacrilato (CA)</td><td>Legame stellare</td><td>B00BUVAZ5S</td><td>ha aggiunto anche una resina</td></tr><tr><td>Fotocamera D-SLR</td><td>Nikon</td><td>D500</td><td>aggiunto il software della stampante</td></tr><tr><td>Software per cruscotti</td><td>Formlabs</td><td><a href="https://formlabs.com/software/dashboard/">https://formlabs.com/software/dashboard/</a></td><td>Software di stampa 3D aggiunto CAD solidworks</td></tr><tr><td>Acqua deionizzata</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Aggiunto Matlab</td></tr><tr><td>Pannello luminoso a LED dimmerabile</td><td>Kaiser Fototechnik</td><td>202455</td><td>Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 in cambiato il lotto FSS al numero di catalogo</td></tr><tr><td>Nastro biadesivo in poliimmide, rotolo da 1 pollice x 36 yd</td><td>Bertech</td><td>B00HFN6E0K</td><td></td></tr><tr><td>Colorante sale sodico Flourescein - 100 g</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Codice: 5184A17</td><td></td></tr><tr><td>Stampante 3D Form 2</td><td>Formlabs</td><td><a href="https://formlabs.com/3d-printers/form-2/">https://formlabs.com/3d-printers/form-2/</a></td><td></td></tr><tr><td>Siringa in vetro con punta Luer, 500 & micro; L</td><td>Azienda Hamilton</td><td>Numero di pezzi: 80801</td><td></td></tr><tr><td>Pinzette ad alta precisione, 0,004 pollici di larghezza x 0,002 pollici di spessore</td><td>McMaster Carr</td><td>ECCN: EAR99</td><td>Punta appuntita standard</td></tr><tr><td>Salviette KimWipes</td><td>Kimtech</td><td>B0013HT2QW</td><td>4,4 x 8,4 pollici</td></tr><tr><td>Puntali per pipette per liquidi, 1000 pz/sacchetto</td><td>MUHWA&nbsp;</td><td>B07S1WJCHP</td><td>1 necessario per ogni prova sperimentale</td></tr><tr><td>Obiettivo macro 20 mm f/2</td><td>Mitakon Zhongyi</td><td>B075JRGWW1</td><td></td></tr><tr><td>Nastro per mascheratura, 0,70 pollici x 54,6 yd</td><td>Marca scozzese</td><td>B00347A8E4</td><td></td></tr><tr><td>Software MATLAB, edizione 2023b</td><td>Mathworks</td><td><a href="https://www.mathworks.com/products/matlab.html">https://www.mathworks.com/products/matlab.html</a></td><td></td></tr><tr><td>Colla CA media, 2 once.</td><td>Legame stellare</td><td>126150047</td><td>Super colla cianoacrilica premium</td></tr><tr><td>Scheda di memoria, 64 GB</td><td>Disco San</td><td>&lrm; B09X7C7NCZ</td><td></td></tr><tr><td>Neon coloranti alimentari assortiti & colorante all'uovo, 1.5 fl oz</td><td>McCormick & Società, Inc.</td><td>B09PFV6275</td><td>Rosa, verde e blu. È necessaria solo 1 fiala di colorante alimentare blu. Ingredienti coloranti alimentari blu: acqua, glicole propilenico, FD& C blu 1, propilparabene (conservante).</td></tr><tr><td>Bilancia di precisione</td><td>Strumenti da laboratorio Sartorius</td><td>BCE224 - 1S</td><td>Entris&reg; II Linea Essenziale. Utilizzato per pesare la polvere di sale sodico di fluoresceina per la miscelazione di traccianti.</td></tr><tr><td>Microtubi in PTFE, 0,012" ID x 0,030" OD</td><td>Cole Parer</td><td>MP-00060882</td><td>Tubo di trasferimento Microbore. Minimo necessario: 50 cm.</td></tr><tr><td>Trigger programmabile a distanza</td><td>Pixel Pro</td><td>TW-283DC0/DC2</td><td></td></tr><tr><td>Forbici</td><td>Amazzone</td><td>B01BRGUAT6</td><td></td></tr><tr><td>Nastro adesivo</td><td>Marca scozzese</td><td>B01C5IHGJW</td><td></td></tr><tr><td>Silhouette Cameo 4 Taglierina artigianale</td><td>Silhouette America</td><td>8.19177E+11</td><td></td></tr><tr><td>Silhouette Cameo AutoBlade (Tipo B)</td><td>Silhouette America</td><td>8.19177E+11</td><td>2 necessari</td></tr><tr><td>Software Silhouette Studio Basic Edition versione 4.5</td><td>Silhouette America</td><td><a href="https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio">https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio</a></td><td>Se si importa . File modello DXF forniti come parte dei file supplementari in questa versione del software, impostare prima le impostazioni di importazione del software per leggere la dimensione del file "così com'è" facendo clic: Modifica > Preferenze > Importa > DXF > Apri > così com'è.</td></tr><tr><td>Braciere in gomma morbida, 4,75 x 1,75 x 6,62 pollici</td><td>Speedball</td><td>B003IFY622</td><td></td></tr><tr><td>Software SOLIDWORKS, Education Edition</td><td>SOLIDWORKS</td><td><a href="https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators">https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators</a></td><td></td></tr><tr><td>Pompa a siringa standard per infusione/prelievo 11 elite</td><td>Apparato di Harvard</td><td>70-4504</td><td></td></tr><tr><td>Punta per siringa con Luer lock, dimensione punta: 0,5 pollici, calibro 27, trasparente</td><td>Metcal&nbsp;</td><td>B00F4B9W40</td><td>2 necessari</td></tr><tr><td>Lastre in poliestere ultra trasparente, 12 x 12 x 0,007 pollici</td><td>Grafix</td><td>B001K7Q6Z0</td><td></td></tr></tbody></table>

adattamento della dispersione di taylor per misurare il coefficiente di dispersione delle soluzioni elettrolitiche tramite una configurazione microfluidica accessibile

Adapting Taylor Dispersion to Measure the Dispersion Coefficient of Electrolyte Solutions via an Accessible Microfluidic Setup

Le fasi di fabbricazione del chip microfluidico sono mostrate nella Figura 1. Includiamo nella Figura 2 i passaggi suggeriti per collegare il tubo in PTFE alla punta della siringa utilizzata per iniettare il flusso di fondo di acqua deionizzata (DI) nel chip microfluidico attraverso la pompa a siringa programmabile. La Figura 3 include una foto etichettata dell'intera configurazione sperimentale. La Figura 4 include i diagrammi della vista dall'alto (Figura 4A) e laterale (Figura 4B) della configurazione sperimentale, evidenziando il posizionamento relativo del chip microfluidico e della telecamera. La Figura 5 riporta la sequenza di operazioni applicate alle immagini sperimentali durante la fase di elaborazione dei dati del protocollo. Nella Figura 5A mostriamo come il codice allinea il microcanale orizzontalmente (se necessario), quindi la Figura 5B mostra il ritaglio della regione quadrata di interesse centrata attorno al punto di acquisizione e con la lunghezza laterale impostata dalla larghezza del microcanale, w. La Figura 5C isola il canale blu dall'immagine RGB completa nella regione di interesse ritagliata, e infine la Figura 5D mostra il valore di intensità invertito per il canale blu della regione ritagliata ottenuto sottraendolo da 255 (l'intensità massima per ogni canale di colore).
La Figura 6 sovrappone i risultati di un'esecuzione sperimentale (tratteggiato) con il corrispondente adattamento estrapolato (solido). In questo caso, ogni punto dati sperimentale è il valore medio dell'intensità del canale blu invertito calcolato attraverso le fasi di elaborazione dei dati mostrate nella Figura 5. Nel punto di cattura fisso a valle dell'ingresso del tracciante, la teoria della dispersionedi Taylor 2,5,9 prevede che l'evoluzione della concentrazione del tracciante nel tempo sia descritta da:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq2v5.jpg">(2)
dove C(t) è la concentrazione del tracciante media trasversale (g/L), di cui è stata verificata la correlazione lineare all'intensità misurata del tracciante; C0 è la concentrazione iniziale del tracciante (g/L), U è la portata (cm/s), t è il tempo (s) e x (cm) è la coordinata assiale nel canale rispetto alla posizione di iniezione del tracciante. K è l'aumento del coefficiente di dispersione del tracciante (cm2/s) dovuto all'interazione tra avvezione e diffusione molecolare. Inseriamo i parametri sperimentali e utilizziamo l'applicazione di adattamento della curva non lineare del codice (curveFitter) per trovare il miglior valore di adattamento per K. Tre frame sperimentali per il tempo t = 140 s, 150 s e 200 s sono mostrati accanto alle curve sperimentali (tratteggiate) e adattate (solide) prodotte per una corsa sperimentale alla velocità di flusso U = 0,1 cm/s in un microcanale di lunghezza 18,77 cm e rapporto d'aspetto λ = 1/4; questo corrisponde al numero Péclet Pe <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;"> 88. Qui, il tracciante è costituito da 0,6 g/L di sale sodico di fluoresceina diluito in acqua deionizzata con coefficiente di diffusione molecolare riportato in letteratura10,11 come κ = 5,70 x 10-6 cm 2/s. Tutti gli esperimenti riportati in questo manoscritto sono stati eseguiti a una temperatura ambiente di 22 °C.
Il coefficiente di dispersione sperimentale potenziato, K, può essere utilizzato per confrontare la validità della nostra configurazione sperimentale e del protocollo calcolando una quantità correlata: il fattore di dispersione 2,5,9,12, f. Questo parametro dipende dalla geometria del canale e viene calcolato come 5,12,13:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq3v5.jpg">(3)
dove κ è il coefficiente di diffusione molecolare del tracciante (cm2/s) e h/2 è la lunghezza caratteristica scelta. Il numero di Péclet è un parametro adimensionale che quantifica il rapporto tra effetti avvettivi e diffusivi, Pe = Uh/(2κ). La Figura 7 mostra un buon accordo tra i risultati del fattore di dispersione ottenuti da esecuzioni sperimentali in microcanali con sezioni trasversali rettangolari di tre diversi rapporti di aspetto e velocità di flusso, e il comportamento teorico del fattore di dispersione 5,12,13.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig1.jpg"> 
Figura 1: Fabbricazione di chip microfluidici. (A) Progettazione del foglio di poliestere superiore di un chip di 21 x 5 cm. Tre fori sono tagliati dalla taglierina del mestiere da tavolo, da sinistra a destra, per fungere rispettivamente da ingresso del flusso, ingresso del tracciante e uscita del flusso. (B) Progetto per un microcanale in poliimmide da 18,77 cm con punto di cattura 15 cm a valle dell'ingresso del tracciante. (C) Vista esplosa dell'assemblaggio di chip microfluidici, dal basso verso l'alto: strato inferiore di poliestere, strato di microcanali in poliimmide, strato superiore in poliestere con guarnizione in poliimmide e porta stampata in 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig2.jpg"> 
Figura 2: Diagramma che mostra come collegare il tubo in PTFE alla punta di una siringa. Il diametro interno del tubo è di 0,3048 mm e il diametro esterno della punta della siringa da 27 G è di 0,4064 mm, quindi eseguire un piccolo taglio di circa 1 mm (a sinistra) può essere utile per fornire un'area di apertura più ampia per guidare la punta della siringa (al centro). Usa una pinzetta per inserire il tubo sopra la punta della siringa e tira verso il basso (a destra). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig3.jpg"> 
Figura 3: Foto etichettata della configurazione sperimentale. Da sinistra a destra: una fotocamera DSLR con obiettivo macro da 20 mm f/2 è montata a faccia in giù su un treppiede per catturare il microcanale fissato con nastro adesivo al pannello luminoso illuminato. Una siringa di vetro da 0,5 ml collegata al microcanale tramite un tubo in PTFE è impostata sulla pompa a siringa programmabile. Il trigger remoto viene utilizzato per attivare la fotocamera durante le esecuzioni sperimentali. La micropipetta viene utilizzata per generare la condizione iniziale del tracciante, come descritto nella fase 3.2 del protocollo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig4.jpg"> 
Figura 4: Diagrammi della configurazione sperimentale (non in scala). (A) Vista dall'alto, da sinistra a destra: pompa a siringa programmabile montata con una siringa di vetro da 0,5 mL; tubo in PTFE che collega la pompa a siringa al chip microfluidico; chip microfluidico fissato con nastro adesivo su un pannello luminoso a 1 cm di distanza dal bordo; micropipetta utilizzata per iniettare la soluzione tracciante attraverso il foro di ingresso del tracciante; Fotocamera D-SLR con obiettivo macro montato sul treppiede a faccia in giù per inquadrare il punto di acquisizione. (B) Vista laterale, da sinistra a destra: tubo in PTFE che collega la pompa a siringa al chip microfluidico; punta della siringa e porta stampata in 3D su chip microfluidico; micropipetta utilizzata per iniettare la soluzione tracciante attraverso il foro di ingresso del tracciante; Fotocamera D-SLR con obiettivo macro montato a faccia in giù 1 cm sopra il punto di acquisizione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig5.jpg"> 
Figura 5: Fasi di elaborazione dell'immagine nel codice fornito (vedere il file supplementare 5). (A) Immagine sperimentale ruotata in modo che il microcanale sia orizzontale. Barra di scala: 1000 μm. (B) Selezione del quadrato per la regione di interesse (ROI) da ritagliare con la lunghezza del lato corrispondente alla distanza tra le pareti del microcanale; qui, 400 μm. (C) ROI ritagliata in cui il canale blu viene selezionato dall'immagine completa di rosso, verde e blu (RGB). Barra di scala: 200 μm. (D) Canale blu invertito per il ROI ritagliato. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig6.jpg"> 
Figura 6: Intensità del tracciante mediata in sezione trasversale rispetto al tempo al punto di acquisizione della telecamera per il tracciante di fluoresceina (tratteggiato) sovrapposto all'adattamento della curva estrapolata (solido). Questa prova è stata condotta con 0,6 g/L di sale sodico di fluoresceina in tracciante d'acqua deionizzata, su un microcanale con lunghezza 18,77 cm e rapporto d'aspetto λ = 1/4, a velocità di flusso 0,1 cm/s e Pe <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;"> 88. L'intensità del canale blu invertito per tre fotogrammi sperimentali a volte 140 s (blu), 150 s (arancione) e 200 s (verde) è mostrata sopra il grafico con la luminosità raddoppiata per chiarezza. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig7.jpg"> 
Figura 7: Fattore di dispersione rispetto al rapporto d'aspetto del microcanale. Confronto tra valori teorici (curva blu) e sperimentali (punti dati neri) per il fattore di dispersione, f. La curva teorica è ottenuta utilizzando il risolutore di equazioni differenziali alle derivate parziali integrato con il metodo degli elementi finiti in Wolfram Mathematica (NDSolve)12. Mostriamo la media e la deviazione standard dei dati sperimentali per: quattro prove con λ = 0,1 e portata 0,02 cm/s; dodici prove con λ = 0,25 e portate 0,05 cm/s (quattro), 0,1 cm/s (quattro) e 0,2 cm/s (quattro); Quattro prove con λ = 0,5 e portata 0,1 cm/s. Tutti gli esperimenti sono stati condotti su microcanali di lunghezza 6,07 cm (con punto di cattura 3 cm a valle dell'ingresso del tracciante); I risultati sono stati quindi confrontati su microcanali da 18,77 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
File supplementare 1: file .sdlprt per la porta <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/3DPort_revised" target="_blank">Fare clic qui per scaricare questo file.</a>
File supplementare 2: . File modello DXF dello strato superiore del chip. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_top.dxf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
File supplementare 3: . File modello DXF delle guarnizioni dei trucioli. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_gaskets.dxf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Fascicolo supplementare 4: . File modello DXF del microcanale del chip. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_microchannel.dxf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
File supplementare 5: file di codice MATLAB utilizzati per l'elaborazione dei dati. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/MATLAB%20files%20documentation.pdf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>

Adattamento della dispersione di Taylor per misurare il coefficiente di dispersione delle soluzioni elettrolitiche tramite una configurazione microfluidica accessibile

The field of microfluidics has become increasingly prominent as it allows for rapid and precise control of fluids and particles, making it easier to ...

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