Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-10-07T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 56 s
Description: 学ぶテイラー分散法を用いた電解質溶液の拡散係数測定。低コストマイクロ流体デバイスで多種イオン相互作用を可視化し、再現性のある実験プラットフォームを構築する手法です。

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

<ol><li>Deen, W. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDeen%2C+WM+%22Analysis+of+Transport+Phenomena%22">Analysis of Transport Phenomena</a>. , Oxford University Press. New York. (1998).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dispersion+of+soluble+matter+in+solvent+flowing+slowly+through+a+tube%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+R+Soc+Lond+A%22%5BJournal%5D)">Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube.</a> Proc R Soc Lond A. 219 (1137), 186-203 (1953).</li>
<li>Bello, M. S., Rezzonico, R., Righetti, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+Taylor-Aris+dispersion+for+measurement+of+a+solute+diffusion+coefficient+in+thin+capillaries%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Use of Taylor-Aris dispersion for measurement of a solute diffusion coefficient in thin capillaries.</a> Science. 266 (5186), 773-776 (1994).</li>
<li>Ding, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shear+dispersion+of+multispecies+electrolyte+solutions+in+the+channel+domain%5BTitle%5D)+AND+%22J+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Shear dispersion of multispecies electrolyte solutions in the channel domain.</a> J Fluid Mech. 970, A27(2023).</li>
<li>Taylor, A. W., Harris, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimized+commercial+desktop+cutter+technique+for+rapid-prototyping+of+microfluidic+devices+and+application+to+Taylor+dispersion%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Optimized commercial desktop cutter technique for rapid-prototyping of microfluidic devices and application to Taylor dispersion.</a> Rev Sci Instrum. 90 (11), 116102(2019).</li>
<li>Lee, G., Luner, A., Marzuola, J., Harris, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dispersion+control+in+pressure-driven+flow+through+bowed+rectangular+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Dispersion control in pressure-driven flow through bowed rectangular microchannels.</a> Microfluid Nanofluidics. 25, 1-11 (2021).</li>
<li>Stroock, A. D., Dertinger, S. K. W., Ajdari, A., Mezic, I., Stone, H. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+mixer+for+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Chaotic mixer for microchannels.</a> Science. 295 (5555), 647-651 (2002).</li>
<li>Walsh, D. J., Schinski, D. A., Schneider, R. A., Guironnet, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((General+route+to+design+polymer+molecular+weight+distributions+through+flow+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">General route to design polymer molecular weight distributions through flow chemistry.</a> Nat Commun. 11 (1), 3094(2020).</li>
<li>Aris, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+dispersion+of+a+solute+in+a+fluid+flowing+through+a+tube%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+R+Soc+Lond+A+Math+Phys+Sci%22%5BJournal%5D)">On the dispersion of a solute in a fluid flowing through a tube.</a> Proc R Soc Lond A Math Phys Sci. 235 (1200), 67-77 (1956).</li>
<li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+boundaries+shape+chemical+delivery+in+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">How boundaries shape chemical delivery in microfluidics.</a> Science. 354, 1252-1256 (2016).</li>
<li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+diffusion+of+passive+tracers+in+laminar+shear+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">The diffusion of passive tracers in laminar shear flow.</a> J Vis Exp. (135), e57205(2018).</li>
<li>Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+channel+geometry+on+solute+dispersion+in+pressure-driven+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluid+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems.</a> Microfluid Nanofluidics. 2, 275-290 (2006).</li>
<li>Bontoux, N., Pépin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+characterization+of+hydrodynamic+dispersion+in+shallow+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels.</a> Lab Chip. 6 (7), 930-935 (2006).</li>
<li>Todd, D., Krasnogor, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homebrew+photolithography+for+the+rapid+and+low-cost%2C%26%2334%3BDo+It+Yourself%26%2334%3B+prototyping+of+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Homebrew photolithography for the rapid and low-cost,&#34;Do It Yourself&#34; prototyping of microfluidic devices.</a> ACS Omega. 8 (38), 35393-35409 (2023).</li>
<li>Chatwin, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+approach+to+normality+of+the+concentration+distribution+of+a+solute+in+a+solvent+flowing+along+a+straight+pipe%5BTitle%5D)+AND+%22J+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The approach to normality of the concentration distribution of a solute in a solvent flowing along a straight pipe.</a> J Fluid Mech. 43 (2), 321-352 (1970).</li>
<li>Gimadutdinova, L., Ziyatdinova, G., Davletshin, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+voltammetric+sensor+for+the+simultaneous+quantification+of+Tartrazine+and+Brilliant+Blue+FCF%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+%28Basel%29%22%5BJournal%5D)">Selective voltammetric sensor for the simultaneous quantification of Tartrazine and Brilliant Blue FCF.</a> Sensors (Basel). 23 (3), 1094(2023).</li>
<li>Bharadwaj, R., Santiago, J. G., Mohammadi, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+optimization+of+on-chip+capillary+electrophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">Design and optimization of on-chip capillary electrophoresis.</a> Electrophoresis. 23 (16), 2729-2744 (2002).</li>
</ol>

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。
<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">無次元時間</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>アスペクト比、λ</td>
			<td>流量(cm/s)</td>
			<td>実験的 κ (cm2/s)</td>
			<td>相対誤差</td>
			<td>ペクレ番号(Pe)</td>
			<td>t分/td</td>
			<td>t最大/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名</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>~2</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>
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。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig8.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig8large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig9.jpg"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig9large.jpg" target="_blank">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。</a>

<table><tbody><tr><td>容量調節可能なピペット、0.5&ndash;10 & ムー;L</td><td>ムファ&nbsp;</td><td>B08TBPMKZL</td><td>テーブルに変わった</td></tr><tr><td>カメオカッティングマット、12 x 12インチ</td><td>シルエットアメリカ</td><td>8.19177E+11</td><td>テーブルで使用した Aphabetize 関数</td></tr><tr><td>カメラプラグインバッテリー</td><td>ニーワー</td><td>B0B5WY8T96</td><td>取り外した 3D プリント ポート</td></tr><tr><td>カメラ三脚&nbsp;</td><td>前衛</td><td>B00CCA1Y3S</td><td>Form 2 3D プリンタを追加 Form 2 3D プリンタを追加</td></tr><tr><td>クリアレジン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>3Dプリント用樹脂</td></tr><tr><td>シアノアクリレート(CA)接着剤促進剤</td><td>スターボンド</td><td>B00BUVAZ5S</td><td>樹脂も追加</td></tr><tr><td>D-SLRカメラ</td><td>ニコン</td><td>D500</td><td>プリンターソフトウェアを追加</td></tr><tr><td>ダッシュボードソフトウェア</td><td>Formlabs</td><td><a href="https://formlabs.com/software/dashboard/">https://formlabs.com/software/dashboard/</a></td><td>3Dプリントソフト CADソリッドワークスを追加</td></tr><tr><td>脱イオン水</td><td>該当なし</td><td>該当なし</td><td>MATLABを追加</td></tr><tr><td>調光可能なLEDライトパネル</td><td>カイザーフォトテクニク</td><td>202455</td><td>Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 in FSS ロットをカタログ番号に変更</td></tr><tr><td>両面ポリイミドテープ、1インチ x 36ヤードロール</td><td>バーテック</td><td>B00HFN6E0K</td><td></td></tr><tr><td>フルエセインナトリウム塩染料 - 100 g</td><td>シグマ・アルドリッチ</td><td>5184A17</td><td></td></tr><tr><td>Form 2 3Dプリンター</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>ルアーチップ付きガラスシリンジ、500 & micro;L</td><td>ハミルトンカンパニー</td><td>品番: 80801</td><td></td></tr><tr><td>高精度ピンセット、幅0.004インチ×厚さ0.002インチ</td><td>マクマスター・カー</td><td>ECCN:EAR99</td><td>標準の尖った先端</td></tr><tr><td>キムワイプ</td><td>キムテック</td><td>B0013HT2QW</td><td>4.4 x 8.4インチ</td></tr><tr><td>液体ピペットピペッターチップ、1000個/袋</td><td>ムファ&nbsp;</td><td>B07S1WJCHP</td><td>実験試験ごとに 1 つ必要</td></tr><tr><td>マクロレンズ 20 mm f/2</td><td>ミタコン・ジョンイー</td><td>B075JRGWW1</td><td></td></tr><tr><td>マスキングテープ、0.70インチ x 54.6ヤード</td><td>スコッチブランド</td><td>B00347A8E4</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB ソフトウェア、エディション 2023b</td><td>マスワークス</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>ミディアムCA接着剤、2オンス&nbsp;</td><td>スターボンド</td><td>126150047</td><td>プレミアムシアノアクリレート瞬間接着剤</td></tr><tr><td>メモリーカード、64 GB</td><td>サンディスク</td><td>&lrm;B09X7C7NCZ</td><td></td></tr><tr><td>ネオン盛り合わせ食品着色料&卵染め、1.5液量オンス</td><td>マコーミック&マコーミック株式会社</td><td>B09PFV6275</td><td>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)。</td></tr><tr><td>精密天びん</td><td>ザルトリウスラボ機器</td><td>BCE224 - 1秒</td><td>エントリー&reg;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。</td></tr><tr><td>PTFEマイクロチューブ、0.012インチ内径 x 0.030インチ外径</td><td>コール・パラー</td><td>MP-00060882</td><td>マイクロボアトランスファーチューブ。最小必要:50cm。</td></tr><tr><td>リモートプログラマブルトリガ</td><td>ピクセルプロ</td><td>TW-283DC0/DC2</td><td></td></tr><tr><td>鋏</td><td>アマゾン</td><td>B01BRGUAT6</td><td></td></tr><tr><td>セロハンテープ</td><td>スコッチブランド</td><td>B01C5IHGJW</td><td></td></tr><tr><td>シルエット カメオ 4 クラフト カッター</td><td>シルエットアメリカ</td><td>8.19177E+11</td><td></td></tr><tr><td>シルエット カメオ オートブレード (タイプB)</td><td>シルエットアメリカ</td><td>8.19177E+11</td><td>2 個必要</td></tr><tr><td>Silhouette Studio Basic Editionソフトウェアバージョン4.5</td><td>シルエットアメリカ</td><td><a href="https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio">https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio</a></td><td>.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。</td></tr><tr><td>ソフトラバーブレイヤー、4.75 x 1.75 x 6.62インチ</td><td>速球</td><td>B003IFY622</td><td></td></tr><tr><td>SOLIDWORKSソフトウェア、Education Edition</td><td>ソリッドワークス</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>標準注入/引き抜き11エリートシリンジポンプ</td><td>ハーバード大学装置</td><td>70-4504</td><td></td></tr><tr><td>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</td><td>メトカル&nbsp;</td><td>B00F4B9W40</td><td>2 個必要</td></tr><tr><td>超透明ポリエステルシート、12 x 12 x 0.007インチ</td><td>グラフィックス</td><td>B001K7Q6Z0</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq2v5.jpg">(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<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;">88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。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq3v5.jpg">(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。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig1.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig1large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig2.jpg"> 
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)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig2large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig3.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig3large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig4.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig4large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig5.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig5large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig6.jpg"> 
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、Pe<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;">88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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig6large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig7.jpg"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig7large.jpg" target="_blank">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。</a>
補足ファイル1:ポートの.sdlprtファイルこの <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/3DPort_revised" target="_blank">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。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_top.dxf" target="_blank">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。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_gaskets.dxf" target="_blank">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。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_microchannel.dxf" target="_blank">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。</a>
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/MATLAB%20files%20documentation.pdf" target="_blank">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。</a>

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

adapting-taylor-dispersion-to-measure-dispersion-coefficient

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

ここでは、マイクロ流体デバイスにおける混合の不均一性を測定するために、マイクロスケールのシュリーレン技術を採用する手順について説明します。キャリブレーションにより、濃度勾配の分布をmicro-schlieren画像から導き出すことができます。...

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

非撹拌沈殿重合は、狭いサイズ分布の刺激応答性ポリ（N -isopropylacrylamide）ミクロゲルの合成への迅速な、再現性のプロトタイピング手法を提供します。このプロトコル合成では、光散乱特性評価および広視野顕微鏡のセットアップでこれらのミクロゲルの単一粒子蛍光追跡が実証されています。...

制御された合成および均一性の高いポリの蛍光トラッキング（<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide）ミクロゲル

動的光散乱顕微鏡を用いて濃縮された溶液中で粒度分布の直接測定のためのプロトコルが提供されます。...

動的光散乱顕微鏡による濁りソリューションにおける粒度分布の測定

ここでは、プロトコルを提案段階的ナノ材料の分散水溶液中における最適な超音波処理条件、強度、安定性の向上とナノ粒子の均一性の期間を識別するためにリアルタイムのキャラクタリゼーションとサンプルの整合性に影響を与えずに分散。...

水溶液中におけるナノ材料の分散: プロトコルの最適化に向けて

マイクロ流体バイオ センサー プラットフォームは、設計された、様々 な検体の迅速・高感度な定量化のため低コスト ドライ フィルム現像液の技術を用いて作製しました。この単回使用システムは、ストップ...

ドライ フィルムのレジストを用いた電気化学マイクロ流体バイオ プラットフォーム: デバイス作製、チップの試金の準備、およびシステム操作

圧力駆動型流のトレーサーの拡散の研究のためのプロトコルが表示されます。手順は、さまざまなキャピラリー パイプ...

層間せん断流中のトレーサーの拡散

ここに詳細なモジュラー マイクロ スクリーニング用コロイド状半導体ナノ結晶の合成の系統的な評価の操作およびアセンブリのプロトコルです。により、完全に調整可能なシステム、高効率スペクトル コレクションは間サンプリングの大量転送制御空間内の 4...

コロイド状半導体ナノ結晶の分類学的研究のためのモジュラー マイクロ流体技術

イオン輸送経路の整流は、一方向イオン...

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

1500の培養ユニット、強化された蠕動ポンプの配列、オンサイトミキシングモジュラスから構成される複雑な寿命機械の高スループット研究のためのマイクロ流体システムを発表します。マイクロ流体チップは、生体内の非常に複雑で動的な微小環境条件の解析を可能にします。...

ハイスループットマイクロ流体装置を用いた動的環境条件の生成

このプロトコルでは、微小管ポリマーの力学を調査するのに適したマイクロ流体デバイスの設計と製造について詳しく説明します。マイクロファブリケーション、自動フロー制御、および計算モデリング技術の合成により、 in...

微小管ポリマーメカニクス研究のためのマイクロ流体工学に基づくアプローチの開発

学ぶテイラー分散法を用いた電解質溶液の拡散係数測定。低コストマイクロ流体デバイスで多種イオン相互作用を可視化し、再現性のある実験プラットフォームを構築する手法です。

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

さらに動画を探す