方法論記事

テイラー分散を適応させて、アクセス可能なマイクロ流体セットアップを介して電解質溶液の分散係数を測定する

DOI：

10.3791/69040

⸱

2025年10月7日

 ,  , 
1Worcester Polytechnic Institute, 2University of California Los Angeles

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ここでは、デスクトップクラフトカッターで社内で製造されたマイクロチャネルを使用して、テイラー分散実験をマイクロスケールに適応させるプロトコルを提示します。実験プラットフォームを使用して、単一種の受動トレーサーの拡散係数を計算し、複数種のイオンの相互作用と分離を視覚化できます。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

マイクロ流体工学の分野は、流体や粒子の迅速かつ正確な制御を可能にし、化合物の合成や混合物の分離を容易にするため、ますます注目を集めています。私たちは、卓上クラフトカッターで社内で製造されたマイクロチャネルを使用して、テイラー分散実験のアクセス可能で再現性のあるマイクロスケールの適応を完成させました。この高速でアクセスしやすいマイクロ流体キソグラフィー技術のスターターコストは約300米ドルで、一般的なフォトリソグラフィー法よりも桁違いに低くなります。プログラム可能なシリンジポンプからの圧力駆動層流は、注入されたトレーサー溶液をマイクロチャネルの下流に輸送し、マクロレンズを備えたデジタル一眼レフ(D-SLR)カメラが、固定された場所で時間の経過に伴うトレーサー濃度の変化をキャプチャします。この実験プラットフォームを使用して、さまざまな実験条件下での単一種パッシブトレーサーの拡散係数を計算できます。次に、プロトコルを電解質混合物に拡張し、自明ではないイオン-イオンカップリング効果から生じる拡散率変化の予備的な証拠を観察しました。このアクセスしやすい実験方法は、複数種の輸送を調査するための実用的なツールを提供し、イオン移動度を支配する複雑な相互作用についての洞察を提供します。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

近年、流れ、粒子、溶質輸送を正確に制御するコスト効率の高いマイクロ流体デバイスの調査と開発に重要な研究努力が集中しています。多種電解質ソリューションは、エネルギー貯蔵や生物医学診断から環境モニタリングや浄水に至るまで、幅広い用途で重要な役割を果たしています。これらのシステム内でさまざまなイオン種がどのように拡散し、相互作用するかを理解することは、電気化学的および輸送駆動型プロセスの性能と安定性を最適化するために不可欠です。

電解質溶液に拡散係数の異なるイオンが含まれている場合、外部から印加された電圧がない場合でも、それらの不均等な移動により内部電界が誘導されます。拡散の速いイオンは、ゆっくりとしたイオンから分離する傾向があり、瞬間的に電荷の不均衡が生じます。電気中性を維持するために、システムは拡散誘起電位を生成します。このフィールドは、速いイオンを遅くし、遅いイオンを加速します。結果として得られる電位は、相対的なイオン移動度と濃度勾配に依存し、電気中性制約の下でネルンスト・プランク方程式によってよく表されます。ヘンダーソン方程式やネルンスト方程式などの古典的な電気化学モデルは、この現象をイオン輸送数と濃度差に関連付けることによって定量化します1。

テイラー分散分析は、溶質が直線チャネル2,3を通る圧力駆動層流でどのように広がるかを観察することにより、分子拡散率を測定するための強力な手法でした。これは、移流と拡散の間の相互作用を考慮し、有効分散速度から分子拡散係数を正確に推測できるようにします。この方法は、精度、最小限のサンプル要件、および高速データ取得を兼ね備えているため、特に魅力的です。従来は単一種のトレーサーに使用されていましたが、最近の理論的拡張により、多種システムへの応用が可能になり、研究者は結合輸送挙動に基づいて個々のイオン拡散率を理論的に推測できるようになりました4。

しかし、従来のマイクロ流体セットアップ(多くの場合、クリーンルーム依存のフォトリソグラフィーに基づく)のコストと技術的複雑さは、この方法の広範な採用に大きな障壁となっています。この研究では、卓上クラフトカッターでxurographyを介して製造されたマイクロチャネルを使用するテイラー分散技術の低コストでアクセスしやすく再現性のある適応を紹介します。このアプローチは、約300米ドルの初期費用で、高価な専門施設を必要とせずに、迅速なプロトタイピングと一貫したチャネル製造を可能にします5。このプロトコルは、D-SLRカメラとマクロレンズを介した明視野イメージングを使用して、注射部位6の下流の固定キャプチャポイントでのトレーサー濃度変化の時系列を構築します。このプラットフォームが単一種の受動トレーサーの拡散係数を正確に測定できることを実証し、多種の電解質系の分析方法を拡張します。結果は、イオン-イオン結合効果から生じる拡散率変動の明確な特徴を明らかにしました。このアクセスしやすくコスト効率の高い方法は、複雑な電解質混合物中のイオン輸送現象を調査するための実用的なツールを提供します。例えば、提案された実験セットアップは、多種溶質7の混合効率を評価するためのマイクロミキサーとして使用するため、またはコンピュータ制御の管状フロー反応器8を介して所望のポリマー分子量分布を設計するために容易に適合させることができる。

プロトコル

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 材料の準備

注:このレポートでは、マイクロ流体チップは、幅w = 2.54 cm、厚さh = 100 μmのポリイミドテープの単層でマイクロチャネルデザインを切断し、2枚のポリエステルシートの間に密封することによって構築されます。マイクロチャネルのアスペクト比(λ = h / w)は、ポリイミドの厚さに依存します。チャネルの幅(W)は、このプロトコルで変更可能な唯一の断面フィーチャです。

  1. ポリイミドテープを長さ21cmの短冊状にカットします。
  2. 長さ21cm、幅5cmのポリエステルの長方形を2つカットします。
    注:長さ18.77 cmの各マイクロチャネルを製造するには、1つのポリイミドストリップと2つのポリエステル長方形が必要です。ポリエステルの長方形の 1 つは卓上クラフト カッターを使用して入口と出口の穴を作成するために切断され、もう 1 つは変更されずに使用されます。
  3. ガスケットの作成のために、長さ21cmのポリイミドテープの2番目のストリップをカットして取っておきます。この長さで 32 個のガスケットが生成されます。マイクロチャネルごとに1つのガスケットが必要です。
  4. マイクロチャネルポートは、樹脂プリンターで3次元(3D)印刷して取得します。
    1. マイクロチャネルごとに 1 つのポートを印刷します。ポートの .sdlprt ファイルは、 補足ファイル 1 に含まれています。ルアーロックシリンジチップのネジ山をポートにねじ込むように設計し、防水シールを実現します。
    2. 追加のサポートなしで、ビルドプラットフォーム上で直接ソリッド(インフィルなし)を3Dプリントします。層厚を0.10mmに設定します。
    3. 60°CのUVチャンバーで15分間硬化ポストプリント。

2. 実験装置の組み立て

  1. マイクロ流体チップ最上層の作製
    1. クラフトカッター設計ソフトウェアを起動します。
    2. クラフトカッター設計ソフトウェアを使用するか、他の互換性のあるソフトウェアから設計をインポートして、マイクロチャネルトップを設計します。
    3. 直径0.27cmの円を18.77cmの距離で描きます:これらは流れの入口と出口です。入口穴から2.71cmの距離に、直径0.15cmの小さいトレーサー入口穴を描きます。
      注: A .DXFテンプレートファイル(補足ファイル2)を参考にします。
    4. 手順1.2の2つのポリエステル長方形のうちの1つをカッティングマットの粘着面に取り付けます。幅2.54cmのマスキングテープを使用して、周囲の4つの側面に沿ってテープを貼ります。
      注: ポリエステルシートは両面が均一であるため、どちらの面も「上」にして使用できます。マスキングテープは、切断中のポリエステルの動きを防ぐために必要です。1.2でカットしたもう1つのポリエステル長方形をそのまま使用します。
    5. クラフトカッターがユニバーサルシリアルバス(USB)ケーブルまたはBluetoothを介して設計ソフトウェアでコンピューターに接続されていることを確認します。
    6. マットのマークされた端をカッターの矢印のマークに合わせて、カッティングマットをクラフトカッターにロードします。クラフトカッターのキャリッジスロットにブレードを挿入します。
      注:マイクロチャネル製造における潜在的なエラーは、主にブレードの摩耗または位置ずれの結果です。ブレードが摩耗すると、チャネルの壁が粗く不均一に切断される可能性があります。この問題に対処するために、刃の切れ味の急激な低下を軽減するために、材料の種類ごとに異なる刃を使用して切断します。この原則に従って、このプロトコルでは、ポリエステル用とポリイミドテープ用の2つのブレードが必要です。チャネルの製造中に、チャネルの壁が著しく粗くなったり、ネガの取り外しが困難になったりする場合は、ブレードの交換が必要になる場合があります。ブレードの位置がずれていると、ブレードが正しい角度で材料を貫通できず、チャネルが狭くなったりする可能性があります。この問題は幅の小さいチャネルでより一般的ですが、チャネル壁を個別の平行線ではなく、連続したカット長方形の長辺に設計することで軽減できます。
    7. パソコンモニターのデザインページの右上にある[ 送信 ]をクリックすると、素材の確認とカット設定に進みます。
    8. ポリエステルシートのカット設定を入力します。この設定では、 ブレードの深さ: 9、 力: 33、 パス: 1、 速度: 1 の推奨設定が推奨されます。
      注: クラフト カッターの設定に関する推奨事項は、Taylorand Harris 2019 による 5 年の作品に基づいています。
    9. [ 送信 ] をクリックして、ジョブをクラフト カッターに送信します。カッターは切断プロセスを開始しますが、これには約15秒かかります。
    10. ブレードが元の位置に戻るのを待ちます。次に、 イジェ クトボタンを押してカッティングマットを取り外します。
    11. ピンセットを使用してネガポリエステル素材を取り除きます。カットされたポリエステルシートには、 図1Aに示すように、18.77cm離れたフロー入口と出口の穴と、最初の2つの間、入口穴から2.71cmの小さなトレーサー入口穴の3つの穴があります。
    12. カッティングマットからすべての材料を取り除き、チップトップを脇に置きます。
      注意: ポリエステルに切断する場合、刃は切断側のシートからわずかに突き出た粗いエッジを残します。マイクロ流体チップを組み立てるときは、マイクロチャネルを通る流れを妨げないように、この端を上に向けます(ポリイミドから離れて)。
  2. カットガスケット
    1. ドーナツ型のポリイミドガスケットは、クラフトカッター設計ソフトウェアを使用するか、他の互換性のあるソフトウェアからデザインをインポートして設計します。
    2. 直径0.52cmと0.24cmの同心円を2つ描きます。
      注: A .32個のガスケットを含むDXFテンプレートファイルは、 補足ファイル3として含まれています。マイクロチャネルに取り付ける場合、ポートごとに 1 つのガスケットが必要です。
    3. 手順1.3のポリイミドテープを、粘着面を上にしてカッティングマットに貼り付けます。幅2.54cmのマスキングテープを使用して、周囲の4つの側面に沿ってテープを貼ります。
    4. マットのマークされた端をカッターの矢印のマークに合わせて、カッティングマットをクラフトカッターにロードします。
    5. ポリエステルシートに使用していた刃を、ポリイミドテープの切断専用に使用する新しい刃に交換してください。
    6. パソコンモニターのデザインページの右上にある[ 送信 ]をクリックすると、素材の確認とカット設定に進みます。
    7. ポリイミドテープカット設定を入力します。この設定では、推奨される設定は、 ブレードの深さ: 9、 力: 1、 パス: 1、 および速度: 1 です。
      注: クラフト カッターの設定に関する推奨事項は、Taylorand Harris 2019 による 5 年の作品に基づいています。
    8. [ 送信 ] をクリックして、ジョブをクラフト カッターに送信します。カッターは切断プロセスを開始しますが、これには約40秒かかります。
    9. ブレードが元の位置に戻るのを待ちます。次に、 イジェ クトボタンを押してカッティングマットを取り外します。
  3. トップシート、ガスケット、ポートの組み立て
    1. ステップ2.1でカットしたポリエステルシートを、突起を上に向けて平らな面に置きます。
    2. ピンセットを使用して、手順2.2でカットしたポリイミドテープからガスケットを1つ剥がし、3Dプリントされたポートの平らな下側に置きます。ポートとガスケットの穴を合わせます。これを支援するには、シリンジの先端をポートに挿入し、それをガイドとして使用します。
    3. ポートと流量入口の穴を合わせて、ガスケット付きのポートをポリエステルシートに平らに取り付けます。ここでも、シリンジの先端を使用して、ポートをシートの入口穴の中央に配置します。両面ポリイミドガスケットをポリエステルチップの上部に密閉するために、30秒間所定の位置に保持します。
      メモ: この時点でポートとトップシートはしっかりと接続されている必要があり、ポートだけを持ち上げることでポートとトップシートを一緒に持ち上げることができます。
    4. ポートの周囲に少量の瞬間接着剤を押し下げながら塗布し、恒久的な水密シールを作成します。
    5. 2〜3時間横に置いておくか、瞬間接着剤活性剤スプレーを使用し、10分間待って防水シールを確保します。
      注意: 瞬間接着剤を取り扱うときは、手袋を着用し、ドラフト内で作業してください。
  4. ポリイミドマイクロチャネル本体の製作
    1. クラフトカッター設計ソフトウェアを使用するか、他の互換性のあるソフトウェアから設計をインポートして、マイクロチャネルボディを設計します。
    2. 直径0.36cmの円を18.6cmの距離に2つ描きます:これらは2.1.3で設計されたチップトップの流れの入口と出口の穴に対応します。
    3. これら2つの穴の間に、希望の幅と長さ18.77cmの長方形を挿入します。ネガを取り外すときに偶発的に破れるリスクを減らすために、長方形の 0.05 cm が入口穴と出口穴と重なっていることを確認してください。
    4. 流量入口穴から17.71 cm、両側のチャネルから0.2 cm離れた位置に、1本の垂直な0.2 cmの線を引きます。
      注: A .DXFテンプレートファイルは 、補足ファイル4として含まれています。この設計は、 図1Bに示すように、長さ18.77cm、幅400μmのマイクロチャネル用です。
    5. 手順1.1でカットしたポリイミドテープを、粘着面を上にしてカッティングマットに貼り付けます。幅2.54cmのマスキングテープを使用して、周囲の4つの側面に沿ってテープを貼ります。
    6. マットのマークされた端をカッターの矢印のマークに合わせて、カッティングマットをクラフトカッターにロードします。手順2.2でガスケットを切断するために使用したのと同じブレードを保管してください。
    7. パソコンモニターのデザインページの右上にある[ 送信 ]をクリックすると、素材の確認とカット設定に進みます。ステップ2.2.7でガスケットに入力したのと同じカット設定を使用します。
    8. [ 送信 ] をクリックして、ジョブをクラフト カッターに送信します。カッターは切断プロセスを開始しますが、これには約15秒かかります。
    9. ブレードが元の位置に戻るのを待ちます。次に、クラフトカッターの イジェクト ボタンを押してカッティングマットを取り外します。入口、出口、およびキャプチャポイントの特徴が見えるマイクロチャネルがポリイミドに切断されます。
      メモ: キャプチャポイントがコンセントに近づくようにチップの向きを合わせます。提供されている設計では、出口から1.107cmであるため、トレーサーの入口穴とキャプチャポイントの間の距離は15cmです。
    10. ピンセットを使用してチャネルからネガティブポリイミド材料を取り除きます。マイクロチャネルの幅と機能にもよりますが、これは高精度のピンセットに適した非常に繊細な手順です。
    11. カッティングマットからすべての材料を取り除き、マイクロチャネルを脇に置きます。粘着面が触れていないことを確認してください。
  5. マイクロ流体チップの組み立て
    1. ポリイミドテープの粘着面を上にして平らな面に置きます。
    2. 手順1.2でサイズした下部のポリエステル長方形(穴なし)を露出したポリイミドテープの上に置きます。ポリイミドストリップをポリエステルの幅の中央に配置します。
    3. ローラーで下向きの圧力を加えて大きな気泡を取り除き、ポリアミドに破片や折り目がないか検査します。
    4. ポリイミドテープを裏返し、保護カバーを下側から取り外します。
    5. 3Dプリントされたポートに取り付けられた上部のポリエステルシートをポリイミドテープの入口と出口に合わせ、ポリアミドの上にポリエステルシートを置きます。
    6. ローラーで下向きの圧力を加えて大きな気泡を取り除き、ポリイミドテープに破片や折り目がないか検査します。
      注:チャネルまたは壁の大きな破片は、入口と出口の穴の位置がずれていると、層流に影響を与え、実験に支障をきたします。これで、 図1Cに示すようなマイクロ流体チップの作製は完了です。
  6. 実験エリアの組み立て
    1. シリンジポンプのセットアップ
      1. 0.5 mLのガラスシリンジに脱イオン(DI)水を入れます。シリンジをプログラム可能なシリンジポンプに取り付け、シリンジの先端から水が出始めるまで早 送 りボタンを押します。
      2. 長さ50 cmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)チューブ(内径0.3048 mm、外径0.762 mm)を切断し、長さ1.27 cm、外径0.4064 mmの27Gシリンジチップに接続します。ピンセットを使用してチューブをシリンジの先端に挿入し、引き下げます。
        メモ: 図2に示すように、PTFEチューブの開口部を広くするために約1 mmの小さな切り込みを入れ、シリンジチップをPTFEチューブに導きます。
      3. チューブに接続されているシリンジチップにDI水を入れ、開口部に凸状のメニスカスが形成されるようにします。
      4. ポンプに取り付けられたガラスシリンジにチップを取り付け、シリンジまたはシリンジチップに気泡が発生しないようにします。
      5. シリンジポンプを注入のみに設定します。シリンジの種類とサイズを0.5mLとして入力します。
    2. ライトパネルのセットアップ
      1. ライトパネルを差し込み、実験台の端近くに配置します。これは、マイクロチャネルがテープで留められ、実験実行が行われる表面です。
      2. ライトパネルを最高輝度モードにします。すべての変化がカメラの画像キャプチャに影響を与えるため、実験が行われるエリアで一貫した照明を確保することが重要です。
      3. 手順2.5で組み立てたマイクロ流体チップを、幅2.54cmのマスキングテープを使用してライトパネルにテープで貼り付けます。
        注:手順2.6.3で説明したカメラセットアップで撮影できるように、ラボベンチの端にチャンネルをテープで貼り付けます。この実験セットアップでは、そのような距離は1cmです。
    3. カメラのセットアップ
      1. セキュアデジタル(SD)カードをD-SLRカメラに挿入し、プラグインバッテリーを使用してカメラに電力を供給します。20mm f/2 マクロレンズをカメラに取り付けます。カメラをリモートトリガーに接続します。
      2. 三脚をセットアップし、マクロレンズを実験の上に下を向いてカメラを取り付けます。レベルを使用して、マクロレンズが対象のチャネル領域と平行であることを確認します。
      3. ポリイミドテープでカットされたキャプチャポイントにカメラビューを中央に配置します。カメラは、キャプチャポイントカットとワイドチャンネルビューの両方をキャプチャできるように、ライトパネルから少なくとも1cm上にある必要があります。画像は、トレーサー入口位置の下流の固定位置でキャプチャされます。
      4. カメラの電源を入れ、シャッタースピード1/100秒、ISO800のマニュアルモードに設定します。 画質 を JPEG細 かく、 画像サイズ を 大に設定します。ホワイトバランスの設定を 蛍光灯2に設定してください。画像領域オプションを開き、画像領域を DX(24x16)に設定します。マクロレンズは×4倍率で F2.6 に設定されています。
      5. リモートトリガーを使用してカメラをプログラムし、1秒ごとに写真を撮ります。
        注意: 報告されるカメラ設定は環境条件に基づいており、周囲の照明、カメラ、レンズなどに基づいて変化します。
  7. トレーサーの準備
    1. フルオレセインナトリウム塩粉末0.60gを測定して、トレーサー溶液を調製します。粉末を1Lの蒸留水に希釈して、所望の染料濃度(0.6 g / L濃度)を取得します。
      注:使用する色素とその濃度は、必要に応じて変更できます。ただし、トレーサーの強度と濃度の間に線形関係があることを確認する必要があります。ここでは、これは、既知の濃度とチャネルの高さが異なる実験条件を使用してサンプルをイメージングすることによって達成されました。フルオレセインナトリウム塩の0.6 g/L濃度は、赤、緑、青(RGB)画像全体から青色のチャネル強度値をプロットする際に線形関係を生み出す範囲内にあるように選択されました。完全な実験セットアップの写真を 図3に示します。 図4 は、実験セットアップの上面図( 図4A)と側面図( 図4B)を示しています。

3. 実験実行

  1. セットアップ
    1. 流出を防ぐためにトレーサーの入口穴の上にスコッチテープの層を貼り、片側が折りたたまれて簡単に剥がせるようにします。
    2. プログラム可能なシリンジポンプを稼働させて、非常に遅い流量でマイクロチャネルにDI水をあふれさせます。
      注:寸法h x w x l = 100 μm x 400 μm x 18.77 cmのマイクロチャネルの場合、体積流量2.4 μL / min(流量0.1 cm / sに相当)を使用します。
    3. 約5分後に浸水が完了したら、気泡が形成されていないことを確認してください。
      注:気泡が発生し、フラッディング時間を延長するだけでは除去できない場合は、脱イオン水を除去し、少量のエタノールまたは凝集力と表面張力の低いその他の流体でマイクロチャネルを洗い流します。次に、再び脱イオン水で水路をすばやく浸水し、エタノールが残らないように最初によく洗い流してください。
    4. シリンジポンプの電源を切ります。
  2. 初期条件
    1. 0.5 μLのマイクロピペットチップに、ステップ2.7で混合したトレーサーを入れます。
    2. 折りたたまれたタブを使用して、トレーサーの入口穴からテープカバーを剥がします。糸くずの少ないワイプの角を使用して、トレーサーの入口穴から DI 水を軽く取り除き、DI ウォーターフロントが安定するまで 30 秒待ちます。
    3. 時間が経過したら、マイクロピペットの内容物を入口穴に排出します。流体運動で最小限の圧力を使用してテープを穴の上に滑らかにして、すぐに穴を再シールします。
      注:このステップでは、トレーサーの初期条件を作成します。実験実行を開始する前に、トレーサーはマイクロチャネルの断面を横切って拡散する必要があります。
    4. トレーサーボーラスがマイクロチャネルの断面を横切って拡散するまで、tw >t wd の時間を待ちます。
      注:チャネル幅に沿った拡散時間をtwd =(w/2)2/κとして計算し、κはトレーサーの分子拡散係数(cm2/s)、w/2はマイクロチャネルの幅の半分です。トレーサーがチャネルの中央に注入されたと仮定すると、この待機期間中に壁に到達するまでにトレーサーが移動する必要がある最長距離は、その幅の半分です。待機時間 tw のこの計算方法は、特性長を適切に選択することで、任意の断面に一般化できます。ここで報告された代表的な結果では、w = 400 μm、h = 100 μmの場合、待ち時間は約t w = 14秒です。
  3. 流れる
    1. シリンジポンプが希望の体積流量に設定されていることを確認します。
    2. 同時にシリンジポンプを始動し、リモートトリガーを作動させます。実験を5分間実行し、毎秒1フレームで写真を撮ります。
      注:2.4 μL/minの体積流量は、w = 400 μm、高さh = 100 μm(アスペクト比:λ = 1/4)のマイクロチャネルの流量0.1 cm/sに相当します。

4. データ処理

  1. カメラからメモリーカードを取り出し、画像処理ソフトウェアがインストールされたパソコンに画像をダウンロードし、解析に使用します。
  2. 実験データ処理
    注: データ処理に使用されるコード ファイルは、 補足ファイル 5 に含まれています。
    1. 提供されたデータ処理ファイルを起動します。D-SLRカメラで撮影した画像が画面にポップアップ表示されます。長方形の領域をクリックしてドラッグし、その高さをマイクロチャネルの壁間の距離に合わせます。
    2. 長方形の水平面がマイクロチャネルの壁と完全に整列していない場合は、画像を回転させる必要があります。長方形の角にカーソルを置き、クリックして回転させ、水平壁がマイクロチャネルの壁と平行になるようにします。続行するには、任意のキーを押します。写真のポップアップは、 図5Aに示すように、回転後に閉じて再び開きます。
    3. 一辺の長さがマイクロチャネルの壁間の距離と一致し、キャプチャポイントの中央にある正方形の領域をクリックしてドラッグします。これは、 図5Bに示すように、データ収集の関心領域になります。シーケンス内の各画像は、この同じ領域を使用してトリミングされます。続行するには、任意のキーを押します。画像ポップアップが閉じます。
    4. トリミングされた領域の各ピクセルで、完全なRGB画像から青色のチャンネルを抽出し(図5C)、最大カラーチャンネル値である255からその値を減算して反転します(図5D)。
      注:使用されている光源とのポリイミドテープ境界からチャネル領域を区別しようとするときに、フルオレセイン色素の強度をキャプチャするのに最適な青色のチャンネル(フルRGBのうち「B」)を選択します6。
    5. トリミングされた領域の平均反転青色チャネル強度値を計算します。
    6. 残りのすべての画像に対して手順4.2.4〜4.2.5を繰り返して、各写真のトリミングされた領域の平均反転青色チャネル強度値を抽出して保存します。これにより、キャプチャポイントでの反転青色チャンネルの平均強度の時系列が得られます。
  3. 外挿フィット
    1. コードに組み込まれた非線形 curveFitter ツールボックスは、ステップ 4.2.6 で生成された逆青色チャネル時系列の平均強度を入力として受け取り、カスタム式を使用して近似を生成します。
      figure-protocol-1(1)
      このコードでは、非線形最小二乗法を使用して、h3、x1、K、h4 の 4 つのパラメーターの最適適合を計算します。ここで、h4 は、マイクロチャネルがDI水で満たされたときに測定された実験ベースライン強度の補正です。パラメータKは、実験的な増強分散係数です。
      注:式(1)は、式(2)として代表的な結果で報告されている時間の経過に伴うトレーサー濃度変化のテイラー分散理論予測から適応されています2,5,9。

結果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

マイクロ流体チップの製造手順を 図1に示します。 図2 に、プログラム可能なシリンジポンプを介してマイクロ流体チップに脱イオン水(DI)のバックグラウンドフローを注入するために使用されるシリンジチップにPTFEチューブを接続するための推奨手順を示します。 図3 には、完全な実験セットアップのラベル付き写真が含まれています。 図4 には、相対的なマイクロ流体チップとカメラの位置を強調表示する実験セットアップのスケーリングなしの上面図(図4A)と側面図(図4B)が含まれています。 図5 は、プロトコルのデータ処理段階で実験画像に適用される一連の操作を報告しています。 図5A では、コードがマイクロチャネルを水平方向に整列させる方法を示し(必要な場合)、 図5B は、キャプチャポイントを中心に、マイクロチャネル幅によって設定された辺の長さで、関心のある正方形の領域のトリミングを示しています。 図5C は、トリミングされた関心領域の完全なRGB画像から青いチャネルを分離します。 そして最後に、 図5D は、255(各カラーチャネルの最大強度)から減算して得られたトリミング領域の青色チャネルの反転強度値を示しています。

図 6 は、1 回の実験実行の結果 (破線) と、対応する外挿近似 (実線) を重ね合わせたものです。ここで、各実験データポイントは、図5に示すデータ処理ステップを通じて計算された平均反転青色チャネル強度値です。トレーサー入口の下流の固定捕獲ポイントで、テイラー分散理論 2,5,9 は、時間の経過に伴うトレーサー濃度の変化を次のように記述すると予測します。

figure-results-1(2)

ここで、C(t)は断面平均トレーサー濃度(g / L)であり、トレーサーの測定強度と線形に関係していることが確認されています。C0 は初期トレーサー濃度 (g/L)、U は流量 (cm/s)、t は時間 (s)、x (cm) はトレーサー注入位置に対するチャネル内の軸座標です。Kは、移流と分子拡散の相互作用によるトレーサーの増強分散係数(cm2 / s)です。実験パラメータを入力し、コードの非線形曲線フィッティングアプリケーション(curveFitter)を使用して、Kの最適な適合値を見つけます。時間t = 140秒、150秒、および200秒の3つの実験フレームが、長さ18.77 cm、アスペクト比λ = 1/4のマイクロチャネルで流量U = 0.1 cm / sで1回の実験実行に対して生成された実験(破線)および適合(実線)曲線と並んで示されています。これはペクレット番号ペfigure-results-288に相当します。ここで、トレーサーは、分子拡散係数κ = 5.70 x 10-6 cm2 / sとして文献10,11で報告されている分子拡散係数を持つ0.6 g / Lのフルオレセインナトリウム塩をDI水で希釈したものである。この原稿で報告されたすべての実験は、22°Cの室温で実行されました。

実験の強化分散係数Kは、関連する量である分散係数2,5,9,12、fを計算することにより、実験セットアップとプロトコルの妥当性をベンチマークするために使用できます。 このパラメータはチャネルの形状に依存し、5、12、13 として計算されます。

figure-results-3(3)

ここで、κはトレーサーの分子拡散係数(cm2 / s)であり、h / 2は選択された特性長です。ペクレ数は、移流効果と拡散効果の比率を定量化する無次元パラメータであり、Pe = Uh /(2κ)です。図7は、3つの異なるアスペクト比と流量の長方形の断面を持つマイクロチャネルでの実験実行からの分散係数の結果と、理論上の分散係数の挙動5,12,13との間に良好な一致を示しています。

figure-results-4
図1:マイクロ流体チップの製造。 (A)21 x 5 cmのチップの上部ポリエステルシートの設計。卓上クラフトカッターによって左から右に3つの穴が開かれ、それぞれフローインレット、トレーサーインレット、フローアウトレットとして機能します。(B)トレーサー入口から15cm下流にキャプチャポイントを持つ18.77 cmのポリイミドマイクロチャネルの設計。(C)マイクロ流体チップアセンブリの分解図、下から上へ:下部ポリエステル層、ポリイミドマイクロチャネル層、ポリイミドガスケットと3Dプリントポートを備えた上部ポリエステル層。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-5
図2:PTFEチューブをシリンジチップに接続する方法を示す図。 チューブの内径は0.3048 mm、27Gシリンジ先端の外径は0.4064 mmであるため、約1 mm(左)の小さな切り込みを行うと、シリンジ先端(中央)をガイドするための開口部領域が広くなります。ピンセットを使用してチューブをシリンジの先端に挿入し、引き下げます(右)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-6
図3:実験セットアップのラベル付き写真。 左から右へ:20mm f/2マクロレンズを搭載したD-SLRカメラを三脚に下向きに取り付け、照明付きライトパネルにテープで貼られたマイクロチャンネルをキャプチャします。PTFEチューブを介してマイクロチャネルに接続された0.5 mLガラスシリンジは、プログラム可能なシリンジポンプにセットされます。リモートトリガーは、実験実行中にカメラをアクティブにするために使用されます。マイクロピペットは、プロトコルのステップ3.2で説明されているように、トレーサーの初期条件を生成するために使用されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-7
図4:実験セットアップの図(スケールなし)。 (A)上面図、左から右へ:0.5 mLガラスシリンジを搭載したプログラム可能なシリンジポンプ。シリンジポンプをマイクロ流体チップに接続するPTFEチューブ。端から1cm離れたライトパネルにテープで留められたマイクロ流体チップ。トレーサー入口穴からトレーサー溶液を注入するために使用されるマイクロピペット。三脚にマクロレンズを下向きに取り付けたD-SLRカメラで、撮影ポイントをフレームに収めます。(B)側面図、左から右へ:シリンジポンプとマイクロ流体チップを接続するPTFEチューブ。シリンジチップとマイクロ流体チップ上の3Dプリントポート。トレーサー入口穴からトレーサー溶液を注入するために使用されるマイクロピペット。マクロレンズを撮影ポイントから1cm上に下向きに取り付けたD-SLRカメラ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-8
図5:提供されたコードの画像処理ステップ(補足ファイル5を参照)。 (A)マイクロチャネルが水平になるように実験画像を回転させます。スケールバー:1000 μm。(B)マイクロチャネル壁間の距離に一致する辺の長さでトリミングされる関心領域(ROI)の正方形の選択。ここでは、400 μm。(C)赤、緑、青(RGB)画像から青のチャンネルが選択されるクロップされたROI。スケールバー:200 μm。(D)トリミングされたROIの逆青色チャンネル。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-9
図6:外挿曲線フィット(実線)で重ねられたフルオレセイントレーサー(破線)のカメラキャプチャポイントでの断面平均トレーサー強度と時間。この試験は、長さ18.77 cm、アスペクト比λ = 1/4のマイクロチャネルで、DI水トレーサー中の0.6 g / Lのフルオレセインナトリウム塩を使用して、流量0.1 cm / s、Pefigure-results-1088で実行されました。140秒(青)、150秒(オレンジ)、および200秒(緑)の時間での3つの実験フレームの反転青色チャネル強度は、わかりやすくするために明るさを2倍にしてプロットの上に示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-11
図7:分散係数 と マイクロチャネルのアスペクト比。分散係 数fの理論値(青い曲線)と実験値(黒いデータポイント)の比較。理論曲線は、Wolfram Mathematica(NDSolve)12の組み込みの有限要素法偏微分方程式ソルバーを使用して取得されます。次の実験データの平均偏差と標準偏差を示します: λ = 0.1、流量 0.02 cm/s の 4 つの試行。λ = 0.25、流量が0.05 cm/s(4)、0.1 cm/s(4)、0.2 cm/s(4)の12回の試行。λ = 0.5、流量0.1 cm/sの4回の試行。すべての実験は、長さ6.07 cmのマイクロチャネルで実施されました(キャプチャポイントはトレーサー入口から3 cm下流にあります)。次に、結果は18.77cmのマイクロチャネルでベンチマークされました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

補足ファイル1:ポートの.sdlprtファイルこの ファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル2: .チップ最上層のDXFテンプレートファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル 3: .チップガスケットのDXFテンプレートファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル 4: .チップマイクロチャネルのDXFテンプレートファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル 5: データ処理に使用される MATLAB コード ファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このレポートでは、テイラー分散実験をマイクロ流体スケールに適応させるための、再現性がありアクセス可能な実験セットアップとプロトコルを提示しました。既存のXurography技術5 を活用し、3Dプリンティングと卓上クラフトカッターを使用して、マイクロチャネルを低コストで自社で製造しています。マイクロチャネル製造の現在の業界標準には、チャネルを鋳造できるマスター金型の作成が含まれます。この原稿で説明されている手法と比較して、これらの方法は、チャネル分解能と特徴サイズ(0.1 μmという小さなものもあります)が大幅に向上しますが、オーバーヘッドコストがはるかに高く、最大数万米ドル14という欠点があります。初期諸経費に加えて、チャネル設計機能の変更には、新しいマスター金型の作成と新しいチャネルの硬化の両方が必要となり、ダウンタイムが増加します。対照的に、このレポートで使用されているチャネル製造装置のスターターコストは約300米ドルです。これは、マスターモールドを製造する最も安価な方法(ポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースの技術を使用するなど)に匹敵しますが、チャネル設計の変更と新しいチャネルの印刷にかかる時間が大幅に短縮され、200μm幅のチャネル5の主要な製造技術に匹敵する表面粗さが維持されるという利点があります。マイクロ流体チップを5分以内に1米ドル未満で切断できます。

このプロトコルでは、マクロレンズを搭載したD-SLRカメラを使用して明視野イメージングを介して、トレーサー入口の下流の固定キャプチャポイントでデータを記録します。このプロトコルは、脱イオン水(DI)中のフルオレセインナトリウム塩の溶液を使用して開発されましたが、このイメージング方法は、トレーサーの強度と濃度の間に線形関係がある限り、食品着色料などの他の種類の色素に適用できます。使用する化学物質の潜在的な範囲は、吸収スペクトルと背景照明を考慮することでさらに拡大できます。ただし、一部の食用色素は植物材料に由来しており、複数の化学種が含まれている可能性があることに注意してください。相反する結果を避けるために、使用する食品着色料を選択するときは注意が必要です。

このセットアップとプロトコルの妥当性は、図7に示すように、さまざまなチャネルアスペクト比と実験流量の実験分散係数fを計算し、それを長方形断面のマイクロチャネルの理論値と比較することによって検証されました。また、これらのさまざまな実験条件下での単一種受動トレーサーの拡散係数κも計算しました。表1は、この実験的研究から得られたフルオレセインナトリウム塩の分子拡散係数を示しています。具体的には、表にまとめられたκ値は、増強分散係数Kの実験的適合と分散係数fの理論値を使用して、式(3)から計算されました。アスペクト比(λ = 0.1、0.25、および0.5)と流量(0.05、0.1、および0.2 cm / s)の異なるマイクロチャネルでの4つの実験の平均値を報告します。それぞれについて、理論値10,11、κ = 5.70 x 10-6 cm2 / sに関する相対誤差も含み、私たちの方法の精度を実証しています。最後に、実験パラメータの各セットについて、実験強度曲線がベースラインから逸脱した場合の次元時間tを拡散時間td = h2/(4κ)で割ることによって定義されたペクレ数と無次元時間範囲を報告します。私たちのシステムがテイラー分散領域に入ったため、ガウスプロファイル15によって十分に近似できることを実証するために、次元化されていない実験時間範囲を含めます。実際、表1の最後の2列で報告された観察時間は、拡散時間tdの約2〜5倍(またはそれ以上)です。

次に、プロトコルを拡張して、多種イオンの相互作用と分離を調査しました。フルオレセインナトリウム塩と青色食品着色料を脱イオン水中に混合して作製した多種電解質溶液にテイラー分散実験を適用した結果を以下に報告します。 図8 は、DI水中の青色食品着色料溶液(-)、DI水中のフルオレセインナトリウム塩溶液(...)、およびDI水中の混合青色食品着色料とフルオレセインナトリウム塩溶液(----)の3つの溶質について、カメラキャプチャポイントでの逆青色チャネル強度曲線の時間発展を示しています。各曲線は、各方向に 1 つの標準偏差 (シェーディング) を持つ 5 つの実験試行の平均です。曲線は、フルオレセインナトリウム塩実験の最大値のタイムスケールと比較して、青色の食品着色料のみ(-)が最初に最小値に達した実験を示しています(...)。これは、フルオレセインナトリウム塩の分子拡散係数が、使用した青色の食品着色料の色素成分である青色16よりも一桁小さいことと一致する。混合溶液実験(----)は、この時間スケールの違いと、強度プロファイルの凹面変化によって見える結果としてのイオン分離を強調しています。曲線は最初にベースラインを下回ってから、上向きに回転し、ベースラインを上回ってピークに達します。 図9 では、同じ混合溶液の逆青色チャネル強度曲線(----)を、青色食品着色料実験とフルオレセインナトリウム塩実験(+++)の個々の寄与を合計して得られた曲線と重ね合わせてプロットします。2つの曲線の違いは、イオン-イオン相互作用が混合溶液強度曲線に及ぼす影響を強調しています。2つの個別の溶質寄与を単純に加算すると、(+++)曲線は、混合溶液曲線(----)と比較してより長い時間スケールで凹面が変化する前に、青色色素溶液のベースラインを下回る強い寄与によって駆動されるより深い最小値を示します( 図8)。最後に、合計曲線は、フルオレセインナトリウム塩溶液の挙動(... 図 8 を参照)。タイムスケールの短縮に伴うより柔らかいピークは、青色の食品着色料とフルオレセインナトリウム塩イオンの間の相互作用を示しています。

図6、図8、および図9の強度プロファイルは歪度を示します。これは、古典的なテイラー分散理論2,5,9と実験で測定された量との間のいくつかの違いが原因である可能性があります。式(2)で予測される濃度プロファイルは空間上では対称ですが、実験セットアップでは、測定はトレーサー注入部位の下流の固定捕捉点で時間の関数として行われます。時間の関数として見ると、結果のプロファイルは本質的に歪んでいます。この時間的非対称性は、Taylor and Harris(2019)5を含む以前の研究で報告された観察と一致しています。歪みのもう一つの考えられる原因は、実験画像キャプチャウィンドウの有限領域の影響です。式(1)で説明されているガウス近似の可能な代替案は、Bharadwaj、Santiago、およびMohammadi(2002)17で行われたように、有限画像キャプチャ領域(x)に対する式(2)のガウス式の積分に実験データを当てはめることです。この歪度への寄与は、キャプチャボックスのサイズがガウス曲線の標準偏差に匹敵する場合に特に重要になります。ここで、キャプチャウィンドウの長さは常にガウスの標準偏差よりも少なくとも1桁小さくなります。

この低コストの実験方法は、マイクロスケールでのテイラー分散実験へのアクセスしやすいアプローチを提供します。プロトコルの最もデリケートなステップは、マイクロチャネルネガの製造と除去です。製造プロセス中は、ミスカットを防ぐために、切断前にチャネルがしっかりと固定されていることを確認するために特別な注意を払う必要があります。ネガを剥がすときは、材料が残っていないことを確認し、信頼性の高い実験結果を確保するには、滑らかで平行かつ真っ直ぐである必要があるチャネル側壁との接触を避けてください。この方法の制限は、固有のXurography解像度の制限です。この原稿では、幅w = 200 μm(およびアスペクト比λ = 0.5)のチャネルを作成するのが最も困難であり、クラフトカッターの解像度5の限界に挑戦しました。エラーの主な原因は、クラフト カッターが採用しているステッピング モーターであり、機械式ギアに基づいて定義されたステップ増分でブレードを動かします。設計で定義されたステップ増分の間にカットを入れる必要がある場合、より大きな誤差が生じます。このXurography法の解像度の限界を特定する詳細な研究は、文献5で入手できます。

この実験手順は、単一種の受動トレーサーの増強分散係数 K と分子拡散係数 κ を計算する簡単な方法を提供します。さらに、このプロトコルは、イオン種間の相互作用と分離ダイナミクスを視覚化する簡単な方法を提供します。プラットフォームのアクセシビリティと汎用性を考慮すると、この方法はイオン種間のダイナミクスを分析し、輸送現象の複雑な相互作用をさらに理解するのに適しており、マイクロミキサーなどのアプリケーションに容易に使用できます。

無次元時間
アスペクト比、λ流量(cm/s)実験的 κ (cm2/s)相対誤差ペクレ番号(Pe)t分/tdt最大/td
0.10.025.813 x 10-6 ± 3.797 x 10-71.982 x 10-2~18名~30~52
0.250.055.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-76.443 x 10-2~ 44~ 11~27
0.250.15.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-77.838 x 10-3~88~6~ 16
0.250.25.978 x 10-6 ± 1.724 x 10-74.884 x 10-2~ 175~2~ 10
0.50.15.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-74.496 x 10-2~88~6~ 16

表1:フルオレセインナトリウム塩の実験的分子拡散係数(κ)。結果は、式 (3) から、増強分散係数 K の実験的近似と分散係数 f の理論値を使用して計算されます。各行は、指定されたアスペクト比(λ = 0.1、0.25、または0.5)と流量(0.05、0.1、または0.2 cm / s)のマイクロチャネルでの4つの実験の平均κ値(および関連する標準偏差)を報告します。それぞれについて、理論値10,11、κ = 5.70 x 10-6 cm2 / sに関する相対誤差を含めて、私たちの方法の精度を実証します。さらに、各行について、実験強度曲線がベースラインから逸脱した場合の次元時間tを拡散時間t d = h2/(4κ)で割ることによって定義された実験ペクレ数と無次元時間範囲をリストします。

figure-discussion-1
図8:3つのトレーサーのカメラキャプチャポイントでの平均逆青色チャネルトレーサー強度の時間発展。 3つのトレーサーのカメラキャプチャポイントでの平均逆青色チャネルトレーサー強度の時間発展:DI水中の青色食品着色料溶液(濃度比食品着色料:DI = 1:20 mL、-)、DI水中のフルオレセインナトリウム塩溶液(濃度0.6 g / Lなど)、および個々のトレーサー実験と同じ濃度の青色食品着色料とフルオレセインナトリウム塩の両方を含む混合溶液(----)、 つまり、青色の食品着色料:DI = 1:20 mLおよび0.6 g / Lのフルオレセイン。各曲線は、各方向に 1 つの標準偏差 (シェーディング) を持つ 5 つの実験試行の平均です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-discussion-2
図9:混合溶液のカメラキャプチャポイントでの平均逆青色チャネルトレーサー強度の時間発展。青色食品着色料とフルオレセインナトリウム塩(----)を含む青色食品着色料を含む混合溶液のカメラキャプチャポイントでの平均逆青色チャネルトレーサー強度の時間変化:DI = 1:20 mLおよび0.6 g / Lのフルオレセイン、および青色食品着色料溶液実験の強度を組み合わせた合計曲線(+++)(図8の実線曲線、 –)およびフルオレセインナトリウム塩溶液実験(図8の点線曲線、...)。混合曲線は、各方向に1つの標準偏差(シェーディング)を持つ5つの実験試行の平均です。合計曲線の標準偏差は、個々のトレーサー溶液を使用した実験から標準偏差の二乗を和の平方根とすることによって計算されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

バーナルディ氏とティーグ氏は、ウスター工科大学の教育・応用プロトタイプ研究所(LEAP)の支援と、数学者のための旅行支援(賞番号963534)を通じたサイモンズ財団からの資金提供に感謝したいと考えています。バーナルディ氏とティーグ氏はまた、実験セットアップに関する初期の作業を提供してくれたジュネーブ・アイザックソン氏、ジャスティン・シェン氏、トム・コーエン氏、ウースター工科大学のレミー・カプリンスキー氏とアカデミック・リサーチ・コンピューティング氏の3Dプリンティングサポート、ダニエル・M・ハリス氏、イーライ・シルバー氏、その他ブラウン大学ハリス研究所のメンバーに、ウスター工科大学で最初の実験をセットアップする際の洞察と有益なアドバイスに感謝します。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
容量調節可能なピペット、0.5–10 & ムー;Lムファ B08TBPMKZLテーブルに変わった
カメオカッティングマット、12 x 12インチシルエットアメリカ8.19177E+11テーブルで使用した Aphabetize 関数
カメラプラグインバッテリーニーワーB0B5WY8T96取り外した 3D プリント ポート
カメラ三脚 前衛B00CCA1Y3SForm 2 3D プリンタを追加

Form 2 3D プリンタを追加
クリアレジンV5Formlabshttps://formlabs.com/store/materials/clear-resin/3Dプリント用樹脂
シアノアクリレート(CA)接着剤促進剤スターボンドB00BUVAZ5S樹脂も追加
D-SLRカメラニコンD500プリンターソフトウェアを追加
ダッシュボードソフトウェアFormlabshttps://formlabs.com/software/dashboard/3Dプリントソフト

CADソリッドワークスを追加
脱イオン水該当なし該当なしMATLABを追加
調光可能なLEDライトパネルカイザーフォトテクニク202455Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 in

FSS ロットをカタログ番号に変更
両面ポリイミドテープ、1インチ x 36ヤードロールバーテックB00HFN6E0K
フルエセインナトリウム塩染料 - 100 gシグマ・アルドリッチ5184A17
Form 2 3DプリンターFormlabshttps://formlabs.com/3d-printers/form-2/
ルアーチップ付きガラスシリンジ、500 & micro;Lハミルトンカンパニー品番: 80801
高精度ピンセット、幅0.004インチ×厚さ0.002インチマクマスター・カーECCN:EAR99標準の尖った先端
キムワイプキムテックB0013HT2QW4.4 x 8.4インチ
液体ピペットピペッターチップ、1000個/袋ムファ B07S1WJCHP実験試験ごとに 1 つ必要
マクロレンズ 20 mm f/2ミタコン・ジョンイーB075JRGWW1
マスキングテープ、0.70インチ x 54.6ヤードスコッチブランドB00347A8E4
MATLAB ソフトウェア、エディション 2023bマスワークスhttps://www.mathworks.com/products/matlab.html
ミディアムCA接着剤、2オンス スターボンド126150047プレミアムシアノアクリレート瞬間接着剤
メモリーカード、64 GBサンディスク‎B09X7C7NCZ
ネオン盛り合わせ食品着色料&卵染め、1.5液量オンスマコーミック&マコーミック株式会社B09PFV6275ピンク、グリーン、ブルー。必要な青い食品着色料のバイアルは1本だけです。青色食品着色料成分:水、プロピレングリコール、FD&Cブルー1、プロピルパラベン(防腐剤)。
精密天びんザルトリウスラボ機器BCE224 - 1秒エントリー®IIエッセンシャルライン。トレーサー混合用のフルオレセインナトリウム塩粉末を計量するために使用されます。
PTFEマイクロチューブ、0.012インチ内径 x 0.030インチ外径コール・パラーMP-00060882マイクロボアトランスファーチューブ。最小必要:50cm。
リモートプログラマブルトリガピクセルプロTW-283DC0/DC2
鋏アマゾンB01BRGUAT6
セロハンテープスコッチブランドB01C5IHGJW
シルエット カメオ 4 クラフト カッターシルエットアメリカ8.19177E+11
シルエット カメオ オートブレード (タイプB)シルエットアメリカ8.19177E+112 個必要
Silhouette Studio Basic Editionソフトウェアバージョン4.5シルエットアメリカhttps://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio.このソフトウェアバージョンの補足ファイルの一部として提供されるDXFテンプレートファイルでは、まず、編集>設定>DXF>のインポート>そのまま開く>をクリックして、ファイルサイズを「現状のまま」読み取るようにソフトウェアインポート設定を設定します。
ソフトラバーブレイヤー、4.75 x 1.75 x 6.62インチ速球B003IFY622
SOLIDWORKSソフトウェア、Education Editionソリッドワークスhttps://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
標準注入/引き抜き11エリートシリンジポンプハーバード大学装置70-4504
ルアーロック付きシリンジチップ、チップサイズ:0.5インチ、27ゲージ、クリアメトカル B00F4B9W402 個必要
超透明ポリエステルシート、12 x 12 x 0.007インチグラフィックスB001K7Q6Z0

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Deen, W. M. Analysis of Transport Phenomena. , Oxford University Press. New York. (1998).
  2. Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. Proc R Soc Lond A. 219 (1137), 186-203 (1953).
  3. Bello, M. S., Rezzonico, R., Righetti, P. G. Use of Taylor-Aris dispersion for measurement of a solute diffusion coefficient in thin capillaries. Science. 266 (5186), 773-776 (1994).
  4. Ding, L. Shear dispersion of multispecies electrolyte solutions in the channel domain. J Fluid Mech. 970, A27(2023).
  5. Taylor, A. W., Harris, D. M. Optimized commercial desktop cutter technique for rapid-prototyping of microfluidic devices and application to Taylor dispersion. Rev Sci Instrum. 90 (11), 116102(2019).
  6. Lee, G., Luner, A., Marzuola, J., Harris, D. M. Dispersion control in pressure-driven flow through bowed rectangular microchannels. Microfluid Nanofluidics. 25, 1-11 (2021).
  7. Stroock, A. D., Dertinger, S. K. W., Ajdari, A., Mezic, I., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Chaotic mixer for microchannels. Science. 295 (5555), 647-651 (2002).
  8. Walsh, D. J., Schinski, D. A., Schneider, R. A., Guironnet, D. General route to design polymer molecular weight distributions through flow chemistry. Nat Commun. 11 (1), 3094(2020).
  9. Aris, R. On the dispersion of a solute in a fluid flowing through a tube. Proc R Soc Lond A Math Phys Sci. 235 (1200), 67-77 (1956).
  10. Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354, 1252-1256 (2016).
  11. Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. The diffusion of passive tracers in laminar shear flow. J Vis Exp. (135), e57205(2018).
  12. Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, D. T. Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems. Microfluid Nanofluidics. 2, 275-290 (2006).
  13. Bontoux, N., Pépin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels. Lab Chip. 6 (7), 930-935 (2006).
  14. Todd, D., Krasnogor, N. Homebrew photolithography for the rapid and low-cost,"Do It Yourself" prototyping of microfluidic devices. ACS Omega. 8 (38), 35393-35409 (2023).
  15. Chatwin, P. C. The approach to normality of the concentration distribution of a solute in a solvent flowing along a straight pipe. J Fluid Mech. 43 (2), 321-352 (1970).
  16. Gimadutdinova, L., Ziyatdinova, G., Davletshin, R. Selective voltammetric sensor for the simultaneous quantification of Tartrazine and Brilliant Blue FCF. Sensors (Basel). 23 (3), 1094(2023).
  17. Bharadwaj, R., Santiago, J. G., Mohammadi, B. Design and optimization of on-chip capillary electrophoresis. Electrophoresis. 23 (16), 2729-2744 (2002).

再版と許可

このJoVE記事のテキストまたは図の再利用許可をリクエスト

許可をリクエスト

タグ

関連記事