접근 가능한 미세유체 설정을 통해 전해질 용액의 분산 계수를 측정하기 위해 Taylor 분산 조정

요약

여기에서는 데스크탑 공예 절단기로 사내에서 제작된 마이크로채널을 사용하여 Taylor 분산 실험을 마이크로 스케일에 적용하는 프로토콜을 제시합니다. 실험 플랫폼은 단일 종 수동 추적자의 확산 계수를 계산하고 다중 종 이온 상호 작용 및 분리를 시각화하는 데 사용될 수 있습니다.

초록

미세유체 분야는 유체와 입자를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있어 화합물을 더 쉽게 합성하고 혼합물을 분리할 수 있기 때문에 점점 더 두드러지고 있습니다. 우리는 데스크탑 공예 절단기로 사내에서 제작한 마이크로채널을 사용하여 Taylor 분산 실험의 접근 가능하고 반복 가능한 마이크로 스케일 적응을 완성했습니다. 이 빠르고 접근 가능한 미세유체 xurography 기술의 시작 비용은 약 300 USD로 일반적인 포토리소그래피 방법보다 훨씬 낮습니다. 프로그래밍 가능한 주사기 펌프의 압력 구동 층류는 주입된 추적자 용액을 마이크로채널의 다운스트림으로 운반하며, 매크로 렌즈가 있는 디지털 일안 반사(D-SLR) 카메라는 고정된 위치에서 시간 경과에 따른 추적자 농도 변화를 포착합니다. 이 실험 플랫폼을 사용하여 다양한 실험 조건에서 단일 종 수동 추적자의 확산 계수를 계산할 수 있습니다. 그런 다음 프로토콜을 전해질 혼합물로 확장하여 사소하지 않은 이온-이온 결합 효과로 인해 발생하는 확산률 변화의 예비 증거를 관찰했습니다. 이 접근 가능한 실험 방법은 다종 수송을 조사하기 위한 실용적인 도구를 제공하고 이온 이동성을 지배하는 복잡한 상호 작용에 대한 통찰력을 제공합니다.

서론

최근 몇 년 동안 흐름, 입자 및 용질 수송을 정밀하게 제어하는 비용 효율적인 미세유체 장치를 조사하고 개발하는 데 상당한 연구 노력이 집중되었습니다. 다종 전해질 솔루션은 에너지 저장 및 생의학 진단부터 환경 모니터링 및 수질 정화에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 시스템에서 다양한 이온 종이 어떻게 확산되고 상호 작용하는지 이해하는 것은 전기화학 및 수송 기반 공정의 성능과 안정성을 최적화하는 데 필수적입니다.

전해질 용액에 확산 계수가 다른 이온이 포함되어 있으면 외부에 인가된 전압이 없는 경우에도 이온의 불균등한 이동으로 인해 내부 전기장이 유도됩니다. 확산이 빠른 이온은 느린 이온과 분리되는 경향이 있어 일시적으로 전하 불균형이 발생합니다. 전기 중성을 유지하기 위해 시스템은 확산 유도 전위를 생성합니다. 이 필드는 더 빠른 이온을 느리게 하고 느린 이온을 가속합니다. 결과 전위는 상대 이온 이동도와 농도 구배에 따라 달라지며 전기 중성 제약 조건 하에서 Nernst-Planck 방정식으로 잘 설명됩니다. Henderson 및 Nernst 방정식과 같은 고전적인 전기화학 모델은 이 현상을 이온 수송 수 및 농도 차이와 연관시켜 정량화합니다¹.

테일러 분산 분석은 직선 채널 ^2,3을 통해 압력 구동 층류에서 용질이 어떻게 퍼지는지 관찰하여 분자 확산도를 측정하는 강력한 기술이었습니다. 이는 이류와 확산 사이의 상호 작용을 설명하고 유효 분산 속도에서 분자 확산 계수를 정확하게 추론할 수 있게 해줍니다. 이 방법은 정밀도, 최소 샘플 요구 사항 및 빠른 데이터 수집을 결합하기 때문에 특히 매력적입니다. 전통적으로 단일 종 추적자에 사용되었지만, 최근의 이론적 확장을 통해 이제 다종 시스템에 적용할 수 있게 되어 연구자가 결합된 수송 거동을 기반으로 개별 이온 확산률을 이론적으로 추론할 수 있습니다⁴.

그러나 종종 클린룸 의존적 포토리소그래피를 기반으로 하는 기존 미세유체 설정의 높은 비용과 기술적 복잡성은 이 방법의 광범위한 채택에 상당한 장벽이 됩니다. 이 작업에서 우리는 데스크탑 공예 절단기와 함께 xurography를 통해 제작된 마이크로 채널을 사용하는 Taylor 분산 기술의 저비용, 접근 가능, 재현 가능한 적응을 제시합니다. 약 300 USD의 시작 비용이 드는 이 접근 방식을 사용하면 값비싼^{전문 시설 5} 없이도 신속한 프로토타이핑과 일관된 채널 제작이 가능합니다. D-SLR 카메라와 매크로 렌즈를 통한 명시야 이미징을 사용하여 프로토콜은 주입 부위⁶의 하류에 있는 고정된 캡처 지점에서 추적자 농도 진화의 시계열을 구축합니다. 우리는 이 플랫폼이 단일 종 수동 추적자의 확산 계수를 정확하게 측정하고 다중 종 전해질 시스템을 분석하는 방법을 확장할 수 있음을 입증합니다. 결과는 이온-이온 결합 효과로 인해 발생하는 확산율 변화의 명확한 특징을 보여줍니다. 접근 가능하고 비용 효율적인 이 방법은 복잡한 전해질 혼합물에서 이온 수송 현상을 조사하기 위한 실용적인 도구를 제공합니다. 예를 들어, 제안된 실험 설정은 다종 용질⁷의 혼합 효율을 평가하기 위한 마이크로믹서로 사용되거나, 또는 컴퓨터 제어되는 관형 흐름 반응기⁽⁸)를 통해 원하는 고분자 분자량 분포를 설계하기 위해 쉽게 적응될 수 있다.

프로토콜

1. 재료 준비

참고: 이 보고서에서 미세유체 칩은 너비 w = 2.54cm, 두께 h = 100μm의 폴리이미드 테이프 단일 층에서 마이크로채널 설계를 절단한 다음 두 개의 폴리에스테르 시트 사이에 밀봉하여 제작됩니다. 마이크로채널의 종횡비(λ = h/w)는 폴리이미드의 두께에 따라 다릅니다. 채널의 폭(W)은 이 프로토콜에서 수정할 수 있는 유일한 단면 기능입니다.

1. 폴리이미드 테이프를 21cm 길이의 스트립으로 자릅니다.
2. 길이 21cm, 너비 5cm의 폴리에스터 직사각형 2개를 자릅니다.
   참고: 각 18.77cm 길이의 마이크로채널을 제작하려면 하나의 폴리이미드 스트립과 2개의 폴리에스테르 직사각형이 필요합니다. 폴리에스터 직사각형 중 하나는 데스크탑 공예 절단기를 사용하여 입구 및 출구 구멍을 만들고 다른 하나는 변경되지 않고 사용됩니다.
3. 개스킷 생성을 위해 길이 21cm의 폴리이미드 테이프 두 번째 스트립을 잘라서 따로 보관하십시오. 이 길이는 32개의 개스킷을 생산합니다. 각 마이크로채널에 하나의 개스킷이 필요합니다.
4. 레진 프린터에서 3차원(3D) 프린팅을 통해 마이크로채널 포트를 얻습니다.
   1. 마이크로채널당 하나의 포트를 인쇄합니다. 포트에 대한 .sdlprt 파일은 보충 파일 1에 포함되어 있습니다. 방수 밀봉을 위해 포트에 나사로 고정할 Luer lock 주사기 팁의 나사산을 설계하십시오.
   2. 추가 지지대 없이 빌드 플랫폼에서 직접 솔리드(채우기 없음)를 3D 프린팅합니다. 레이어 두께를 0.10mm로 설정합니다.
   3. 60°C에서 15분 동안 UV 챔버에서 경화 포스트 프린트.

2. 실험 설정의 조립

1. 미세유체 칩 최상층의 제작.
   1. 공예 절단기 디자인 소프트웨어를 실행합니다.
   2. 크래프트 커터 설계 소프트웨어를 사용하거나 다른 호환 소프트웨어에서 설계를 가져와 마이크로채널 상판을 설계합니다.
   3. 서로 18.77cm 떨어진 곳에 직경 0.27cm의 두 개의 원을 그립니다. 입구 구멍에서 2.71cm 떨어진 곳에 직경 0.15cm의 더 작은 추적자 입구 구멍을 그립니다.
      참고: ᅡ . DXF 템플릿 파일(보충 파일 2)이 참조로 포함되어 있습니다.
   4. 1.2단계의 두 개의 폴리에스터 직사각형 중 하나를 커팅 매트의 끈적끈적한 면에 부착합니다. 2.54cm 너비의 마스킹 테이프를 사용하여 둘레의 네 면을 따라 테이프를 붙입니다.
      알림: 폴리에스터 시트는 양면이 균일하기 때문에 양쪽이 "위로"인 상태로 사용할 수 있습니다. 마스킹 테이프는 절단하는 동안 폴리에스터의 움직임을 방지하기 위해 필요합니다. 1.2단계에서 컷한 다른 폴리에스터 직사각형은 그대로 사용됩니다.
   5. 크래프트 커터가 범용 직렬 버스(USB) 케이블 또는 Bluetooth를 통해 설계 소프트웨어가 있는 컴퓨터에 연결되어 있는지 확인합니다.
   6. 매트의 표시된 가장자리를 커터의 화살표 표시에 맞춰 커팅 매트를 크래프트 커터에 로드합니다. 블레이드를 크래프트 커터의 캐리지 슬롯에 삽입합니다.
      알림: 마이크로채널 제작의 잠재적 오류는 주로 블레이드 마모 또는 정렬 불량의 결과입니다. 블레이드 마모로 인해 채널 벽이 거칠고 고르지 않게 절단될 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 다른 칼날을 사용하여 각 유형의 재료를 절단하여 급격한 칼날 날카로움 저하를 줄입니다. 이 원리에 따라 이 프로토콜에는 폴리에스테르용과 폴리이미드 테이프용의 두 개의 블레이드가 필요합니다. 채널을 제조하는 동안 채널의 벽이 눈에 띄게 거칠어지거나 네거티브를 제거하기 어려워지면 블레이드를 교체해야 할 수 있습니다. 블레이드 정렬이 잘못되면 블레이드가 올바른 각도로 재료를 관통하지 못하여 채널이 더 넓거나 좁아질 수 있습니다. 이 문제는 폭이 더 작은 채널에서 더 일반적이지만 채널 벽을 별도의 평행선이 아닌 연속 절단 직사각형의 긴 면으로 설계하여 완화할 수 있습니다.
   7. 컴퓨터 모니터의 디자인 페이지 오른쪽 상단에서 보내기를 클릭하여 재료 및 컷 설정을 검토합니다.
   8. 폴리에스터 시트 컷 설정을 입력합니다. 이 설정에서 권장 설정은 블레이드 깊이: 9, 힘: 33, 패스: 1 및 속도: 1입니다.
      알림: 공예 절단기 설정 권장 사항은 Taylor와 Harris의 2019년 작업을 기반으로 합니다.
   9. 제출을 클릭하여 작업을 크래프트 커터에 제출합니다. 커터는 약 15초가 소요되는 절단 프로세스를 시작합니다.
   10. 블레이드가 홈 위치로 돌아올 때까지 기다리십시오. 그런 다음 꺼내 기 버튼을 눌러 커팅 매트를 제거합니다.
   11. 핀셋을 사용하여 네거티브 폴리에스터 소재를 제거합니다. 절단된 폴리에스터 시트에는 그림 1A와 같이 18.77cm 간격의 흐름 입구와 출구 구멍의 세 개의 구멍과 입구 구멍에서 2.71cm 떨어진 처음 두 개 사이의 더 작은 추적자 입구 구멍이 포함됩니다.
   12. 커팅 매트에서 모든 재료를 제거하고 칩 상단을 따로 보관합니다.
       알림: 폴리에스터로 절단할 때 칼날은 절단면의 시트에서 약간 튀어나온 거친 모서리를 남깁니다. 미세유체 칩을 조립할 때 이 가장자리가 마이크로채널을 통과하는 흐름을 방해하지 않도록 이 가장자리를 위로 향하게 합니다(폴리이미드에서 멀어짐).
2. 컷 개스킷
   1. 공예 절단기 설계 소프트웨어를 사용하거나 다른 호환 소프트웨어에서 설계를 가져와 도넛 모양의 폴리이미드 개스킷을 설계합니다.
   2. 직경이 각각 0.52cm와 0.24cm인 동심원 두 개를 그립니다.
      참고: ᅡ . 32개의 개스킷이 있는 DXF 템플릿 파일은 보충 파일 3으로 포함되어 있습니다. 마이크로채널에 부착할 때 각 포트에 하나의 개스킷이 필요합니다.
   3. 1.3단계의 폴리이미드 테이프를 끈적끈적한 면이 위로 향하도록 커팅 매트에 부착합니다. 2.54 cm 폭의 마스킹 테이프를 사용하여 둘레의 4면을 따라 테이프를 붙입니다.
   4. 매트의 표시된 가장자리를 커터의 화살표 표시에 맞춰 커팅 매트를 크래프트 커터에 로드합니다.
   5. 폴리에스터 시트에 사용되는 블레이드를 폴리이미드 테이프 절단 전용으로 사용할 새 블레이드로 교체하십시오.
   6. 컴퓨터 모니터의 디자인 페이지 오른쪽 상단에서 보내기를 클릭하여 재료 및 컷 설정을 검토합니다.
   7. 폴리이미드 테이프 절단 설정을 입력합니다. 이 설정에서 권장되는 설정은 블레이드 깊이: 9, 힘: 1, 패스: 1 및 속도: 1입니다.
      알림: 공예 절단기 설정 권장 사항은 Taylor와 Harris의 2019년 작업을 기반으로 합니다.
   8. 제출을 클릭하여 작업을 크래프트 커터에 제출합니다. 커터는 약 40초가 소요되는 절단 프로세스를 시작합니다.
   9. 블레이드가 홈 위치로 돌아올 때까지 기다리십시오. 그런 다음 꺼내 기 버튼을 눌러 커팅 매트를 제거합니다.
3. 상단 시트, 개스킷 및 포트 조립
   1. 2.1단계에서 절단한 폴리에스터 시트를 평평한 표면에 돌출부가 위쪽을 향하도록 놓습니다.
   2. 핀셋을 사용하여 2.2단계에서 절단한 폴리이미드 테이프에서 개스킷 하나를 떼어내고 3D 프린팅 포트의 평평한 밑면에 놓습니다. 포트와 개스킷 구멍을 정렬하십시오. 이를 돕기 위해 포트를 통해 주사기 팁을 삽입하고 지침으로 사용하십시오.
   3. 개스킷이 있는 포트를 폴리에스터 시트에 부착하고 포트와 유입구 구멍을 정렬하여 평평하게 눕힙니다. 다시 주사기 팁을 사용하여 포트를 시트 입구 구멍 중앙에 놓습니다. 양면 폴리이미드 개스킷을 폴리에스테르 칩 상단에 밀봉하는 데 도움이 되도록 30초 동안 제자리에 고정합니다.
      알림: 이 시점에서 포트와 상단 시트는 단단히 연결되어 있어야 하며, 포트만 들어 올려 포트와 상단 시트를 함께 들어 올릴 수 있어야 합니다.
   4. 포트 주변에 소량의 초강력 접착제를 바르고 아래로 눌러 영구적인 방수 밀봉을 만듭니다.
   5. 2-3시간 동안 옆에 두거나 초강력 접착제 활성제 스프레이를 사용하고 방수 밀봉을 위해 10분 동안 기다립니다.
      알림: 초강력 접착제를 다룰 때는 장갑을 끼고 연기 후드에서 작업하십시오.
4. 폴리이미드 마이크로채널 본체 제작
   1. 크래프트 커터 설계 소프트웨어를 사용하거나 다른 호환 소프트웨어에서 설계를 가져와 마이크로채널 본체를 설계합니다.
   2. 서로 18.6cm 떨어진 곳에 직경 0.36cm의 두 개의 원을 그립니다: 이는 2.1.3에서 설계된 칩 상단의 흐름 입구 및 출구 구멍에 해당합니다.
   3. 이 두 구멍 사이에 원하는 너비와 길이 18.77cm의 직사각형을 삽입합니다. 네거티브를 제거할 때 우발적으로 찢어질 위험을 줄이기 위해 직사각형의 0.05cm가 입구 및 출구 구멍과 겹치는지 확인하십시오.
   4. 유동 입구 구멍에서 17.71cm, 양쪽의 채널에서 0.2cm 떨어진 곳에 수직 0.2cm 선을 그립니다.
      참고: ᅡ . DXF 템플릿 파일은 보충 파일 4로 포함되어 있습니다. 이 설계는 그림 1B와 같이 길이 18.77cm, 너비 400μm의 마이크로채널용입니다.
   5. 1.1단계에서 절단한 폴리이미드 테이프를 끈적끈적한 면이 위로 향하도록 커팅 매트에 부착합니다. 2.54 cm 폭의 마스킹 테이프를 사용하여 둘레의 4면을 따라 테이프를 붙입니다.
   6. 매트의 표시된 가장자리를 커터의 화살표 표시에 맞춰 커팅 매트를 크래프트 커터에 로드합니다. 2.2단계에서 개스킷을 절단하는 데 사용한 것과 동일한 블레이드를 유지하십시오.
   7. 컴퓨터 모니터의 디자인 페이지 오른쪽 상단에서 보내기를 클릭하여 재료 및 컷 설정을 검토합니다. 2.2.7단계의 개스킷에 대해 동일한 절단 설정 입력을 사용합니다.
   8. 제출을 클릭하여 작업을 크래프트 커터로 보냅니다. 커터는 약 15초가 소요되는 절단 프로세스를 시작합니다.
   9. 블레이드가 홈 위치로 돌아올 때까지 기다리십시오. 그런 다음 크래프트 커터의 꺼내 기 버튼을 눌러 커팅 매트를 제거합니다. 눈에 보이는 입구, 출구 및 캡처 포인트 기능이 있는 마이크로 채널이 이제 폴리이미드로 절단됩니다.
      알림: 캡처 지점이 콘센트에 더 가까워지도록 칩의 방향을 조정하십시오. 제공된 디자인에서는 배출구에서 1.107cm이므로 추적기 입구 구멍과 캡처 지점 사이의 거리는 15cm입니다.
   10. 핀셋을 사용하여 채널에서 네거티브 폴리이미드 물질을 제거합니다. 마이크로채널의 폭과 기능에 따라 고정밀 핀셋에 더 적합한 매우 섬세한 절차입니다.
   11. 절단 매트에서 모든 재료를 제거하고 마이크로 채널을 따로 보관하십시오. 끈적끈적한 면이 손대지 않았는지 확인하십시오.
5. 미세유체 칩의 조립
   1. 폴리이미드 테이프의 끈적끈적한 면이 위로 향하도록 평평한 표면에 놓습니다.
   2. 노출된 폴리이미드 테이프 위에 1.2단계 크기의 하단 폴리에스터 직사각형(구멍 없음)을 놓습니다. 폴리이미드 스트립을 폴리에스테르 너비 내의 중앙에 놓습니다.
   3. 롤러로 아래쪽 압력을 가하여 더 큰 기포를 제거하고 폴리아미드에 파편이나 접힘이 있는지 검사합니다.
   4. 폴리이미드 테이프를 뒤집고 밑면에서 보호 덮개를 제거합니다.
   5. 3D 프린팅 포트에 장착된 상단 폴리에스터 시트를 폴리이미드 테이프의 입구와 출구에 맞추고 폴리에스터 시트를 폴리아미드 위에 놓습니다.
   6. 롤러로 아래쪽으로 압력을 가하여 더 큰 기포를 제거하고 폴리이미드 테이프에 파편이나 접힌 부분이 있는지 검사합니다.
      참고: 잘못 정렬된 입구 및 출구 구멍과 함께 채널이나 벽에 있는 상당한 파편은 층류에 영향을 미쳐 실험을 손상시킵니다. 이것으로 그림 1C와 같이 미세유체 칩의 제작이 완료됩니다.
6. 실험 구역 조립
   1. 주사기 펌프 설정
      1. 0.5mL 유리 주사기에 탈이온수(DI)수를 채웁니다. 주사기를 프로그래밍 가능한 주사기 펌프에 장착하고 주사기 팁에서 물이 나오기 시작할 때까지 빨리 감기 버튼을 누릅니다.
      2. 50cm 길이의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 튜브(0.3048mm ID, 0.762mm OD)를 절단하여 길이 1.27cm, OD 0.4064mm의 27G 주사기 팁에 연결합니다. 핀셋을 사용하여 주사기 팁 위에 튜브를 삽입하고 아래로 당깁니다.
         참고: 그림 2와 같이 PTFE 튜브에 더 넓은 개방 영역을 제공하고 주사기 팁을 삽입하기 위해 약 1mm의 작은 절단을 만듭니다.
      3. 튜브에 연결된 주사기 팁에 DI 물을 채워 개구부에 볼록한 메니스커스가 형성되도록 합니다.
      4. 펌프에 장착된 유리 주사기에 팁을 부착하여 주사기나 주사기 팁에 기포가 생기지 않도록 합니다.
      5. 주사기 펌프를 주입 전용으로 설정합니다. 주사기 유형과 크기를 0.5mL로 입력합니다.
   2. 라이트 패널 설정
      1. 조명 패널을 연결하고 실험실 벤치 가장자리 근처에 배치합니다. 이것은 마이크로채널이 테이프로 붙여지고 실험 실행이 발생하는 표면입니다.
      2. 조명 패널을 최고 밝기 모드로 켭니다. 모든 변화가 카메라의 이미지 캡처에 영향을 미치기 때문에 실험이 수행되는 영역에서 일관된 조명을 보장하는 것이 중요합니다.
      3. 2.54cm 너비의 마스킹 테이프를 사용하여 2.54단계에서 조립한 미세유체 칩을 라이트 패널에 테이프로 붙입니다.
         참고: 2.6.3단계에서 설명한 카메라 설정으로 사진을 찍을 수 있도록 채널을 실험실 벤치 가장자리에 충분히 가깝게 테이프로 붙입니다. 이 실험 설정에서 이러한 거리는 1cm입니다.
   3. 카메라 설정
      1. D-SLR 카메라에 SD(Secure Digital) 카드를 삽입하고 플러그인 배터리를 사용하여 카메라에 전원을 공급합니다. 20mm f/2 매크로 렌즈를 카메라에 장착합니다. 카메라를 리모트 트리거에 연결합니다.
      2. 삼각대를 설치하고 매크로 렌즈가 실험 위에 아래를 향하도록 카메라를 장착합니다. 레벨을 사용하여 매크로 렌즈가 관심 채널 영역과 평행한지 확인합니다.
      3. 폴리이미드 테이프에서 절단된 캡처 포인트에 카메라 뷰를 중앙에 배치합니다. 카메라는 캡처 포인트 컷과 넓은 채널 보기를 모두 캡처할 수 있도록 라이트 패널에서 최소 1cm 위에 있어야 합니다. 이미지는 추적기 입구 위치의 하류에 있는 고정된 위치에서 캡처됩니다.
      4. 카메라를 켜고 셔터 속도 1/100초, ISO 800의 수동 모드로 설정합니다. 이미지 품질을 JPEG 미세 로 설정하고 이미지 크기를 크게 설정합니다. 화이트 밸런스 설정을 형광등 2로 설정합니다. 이미지 영역 옵션을 열고 이미지 영역을 DX(24x16)로 설정합니다. 매크로 렌즈는 ×4 배율로 F2.6 으로 설정되어 있습니다.
      5. 원격 트리거를 사용하여 카메라를 프로그래밍하여 1초마다 사진을 촬영합니다.
         알림: 보고된 카메라 설정은 환경 조건을 기반으로 하며 주변 조명, 카메라, 렌즈 등에 따라 변경됩니다.
7. 추적자 준비
   1. 플루오레세인 나트륨염 분말 0.60g을 측정하여 추적자 용액을 준비합니다. 분말을 증류수 1L에 희석하여 원하는 염료 농도(0.6g/L 농도)를 얻습니다.
      참고: 사용되는 염료와 농도는 필요에 따라 변경할 수 있습니다. 그러나 추적자의 강도와 농도 사이에 선형 관계가 있는지 확인해야 합니다. 여기서 이것은 다양한 알려진 농도와 채널 높이의 실험 조건을 사용하여 샘플을 이미징함으로써 달성되었습니다. 0.6g/L 농도의 플루오레세인 나트륨염은 전체 빨간색, 녹색 및 파란색(RGB) 이미지에서 파란색 채널 강도 값을 플롯할 때 선형 관계를 생성하는 범위 내에 있도록 선택되었습니다. 전체 실험 설정의 사진은 그림 3에 나와 있습니다. 그림 4 는 실험 설정의 평면도( 그림 4A) 및 측면도( 그림 4B) 다이어그램을 보여줍니다.

3. 실험 실행

1. 설치
   1. 유출을 방지하기 위해 트레이서 입구 구멍 위에 스카치 테이프를 한 겹 붙이고 쉽게 제거할 수 있도록 한쪽이 접혀 있는지 확인합니다.
   2. 프로그래밍 가능한 주사기 펌프를 작동하여 매우 느린 유속으로 마이크로채널에 DI 물을 범류시킵니다.
      참고: 치수가 h x w x l = 100 μm x 400 μm x 18.77 cm인 마이크로 채널의 경우 체적 유량 2.4 μL/min(유량 0.1 cm/s에 해당)을 사용합니다.
   3. 약 5분 후에 범람이 완료되면 기포가 형성되지 않았는지 확인하십시오.
      알림: 기포가 형성되어 단순히 범람 시간을 연장하는 것만으로는 제거할 수 없는 경우 탈이온수를 제거하고 소량의 에탄올 또는 응집력이 낮고 표면 장력이 낮은 기타 유체로 마이크로채널을 세척하십시오. 그런 다음 탈이온수로 다시 수로를 빠르게 범람시키고 먼저 에탄올이 남지 않도록 잘 세척하십시오.
   4. 주사기 펌프를 끕니다.
2. 초기 조건
   1. 0.5μL 마이크로피펫 팁에 2.7단계에서 혼합된 추적자를 채웁니다.
   2. 접힌 탭을 사용하여 추적자 입구 구멍에서 테이프 덮개를 떼어냅니다. 보푸라기가 적은 물티슈의 모서리를 사용하여 추적자 입구 구멍에서 DI 물을 가볍게 제거하고 DI 워터 프론트가 안정화되도록 30초 동안 기다립니다.
   3. 시간이 지나면 마이크로피펫 내용물을 입구 구멍으로 배출합니다. 유체 운동으로 최소한의 압력을 사용하여 테이프를 구멍 위에 매끄럽게 하여 즉시 구멍을 다시 밀봉합니다.
      참고: 이 단계에서는 추적기 초기 조건을 생성합니다. 실험 실행을 시작하기 전에 추적자는 마이크로채널의 단면을 가로질러 확산되어야 합니다.
   4. 추적자 볼루스가 마이크로채널의 단면을 가로질러 확산될 때까지 t_w >_{t wd} 동안 기다리십시오.
      참고: 채널 폭을 따라 확산 시간을 t_wd = (w/2)²/κ로 계산하며, 여기서 κ는 추적자의 분자 확산 계수(cm²/s)이고 w/2는 마이크로채널 너비의 절반입니다. 추적기가 채널 중앙에 주입된다고 가정하면 이 대기 기간 동안 벽에 도달하기 위해 이동해야 하는 가장 먼 거리는 너비의 절반입니다. 대기 시간 t_w를 계산하는 이 방법은 특성 길이를 적절하게 선택하여 모든 단면에 일반화할 수 있습니다. 여기에 보고된 대표적인 결과에서 대기 시간은 w = 400 μm, h = 100 μm에 대해 약 t_w = 14 s입니다.
3. 흐름
   1. 주사기 펌프가 원하는 체적 유량으로 설정되어 있는지 확인하십시오.
   2. 동시에 주사기 펌프를 시작하고 원격 트리거를 활성화합니다. 초당 1프레임으로 사진을 찍으면서 5분 동안 실험을 실행합니다.
      참고: 2.4μL/min 체적 유량은 w = 400μm, 높이 h = 100μm(종횡비: λ = 1/4)인 마이크로채널에서 0.1cm/s의 유량에 해당합니다.

4. 데이터 처리

1. 카메라에서 메모리 카드를 제거하고 분석에 사용할 이미지 처리 소프트웨어가 있는 컴퓨터에 이미지를 다운로드합니다.
2. 실험 데이터 처리
   참고: 데이터 처리에 사용되는 코드 파일은 보충 파일 5에 포함되어 있습니다.
   1. 제공된 데이터 처리 파일을 시작합니다. D-SLR 카메라로 촬영한 이미지가 화면에 나타납니다. 직사각형 영역을 클릭하고 드래그하여 높이를 마이크로채널의 벽 사이의 거리에 맞춥니다.
   2. 직사각형의 수평면이 마이크로채널의 벽과 완벽하게 정렬되지 않으면 이미지를 회전해야 합니다. 커서를 직사각형의 모서리 위에 놓고 수평 벽이 마이크로 채널의 벽과 평행이 되도록 클릭하고 회전합니다. 계속하려면 아무 키나 누르십시오. 그림 5A와 같이 사진 팝업이 닫혔다가 회전한 후 다시 열립니다.
   3. 측면 길이가 마이크로채널의 벽 사이의 거리와 일치하고 캡처 지점의 중심을 갖는 정사각형 영역을 클릭하고 드래그합니다. 이것은 그림 5B와 같이 데이터 수집에 대한 관심 영역이 될 것입니다. 시퀀스의 각 이미지는 동일한 영역을 사용하여 잘립니다. 계속하려면 아무 키나 누르십시오. 이미지 팝업이 닫힙니다.
   4. 잘린 영역의 각 픽셀에서 전체 RGB 이미지(그림 5C)에서 파란색 채널을 추출하고 최대 색상 채널 값인 255에서 해당 값을 빼서 반전합니다(그림 5D).
      참고: 파란색 채널(전체 RGB 중 'B')은 사용 중인 광원과 폴리이미드 테이프 경계에서 채널 영역을 구별하려고 할 때 플루오레세인 염료 강도를 가장 잘 캡처하므로^{선택합니다 6}.
   5. 잘린 영역에 대한 평균 반전 파란색 채널 강도 값을 계산합니다.
   6. 나머지 모든 이미지에 대해 4.2.4-4.2.5단계를 반복하여 각 사진에서 잘린 영역에 대한 평균 반전 파란색 채널 강도 값을 추출하고 저장합니다. 그 결과 캡처 지점에서 반전된 파란색 채널의 평균 강도에 대한 시계열이 생성됩니다.
3. 외삽 적합
   1. 코드에 내장된 비선형 curveFitter 도구 상자는 4.2.6단계에서 생성된 반전된 파란색 채널 시계열의 평균 강도를 입력으로 사용하고 사용자 정의 방정식을 사용하여 적합을 생성합니다.
      (1)
      이 코드는 비선형 최소 제곱 접근 방식을 사용하여 h₃, x₁, K 및 h₄의 네 가지 매개 변수에 대한 최적 적합을 계산합니다. 여기서, h₄ 는 마이크로채널이 DI 물로 채워질 때 측정된 실험 기준선 강도에 대한 보정입니다. 매개변수 K는 실험적 향상된 분산 계수입니다.
      참고: 방정식 (1)은 방정식 (2)로 대표 적인 결과에 보고된 시간^경과에 따른 추적자 농도 진화에 대한 테일러 분산 이론 예측 ^2,5,9에서 채택되었습니다.

결과

미세유체 칩 제조 단계는 그림 1에 나와 있습니다. 그림 2 에는 프로그래밍 가능한 주사기 펌프를 통해 미세유체 칩에 탈이온수(DI)의 배경 흐름을 주입하는 데 사용되는 주사기 팁에 PTFE 튜브를 연결하는 제안된 단계를 포함합니다. 그림 3 에는 전체 실험 설정의 레이블이 지정된 사진이 포함되어 있습니다. 그림 4 에는 상대적인 미세유체 칩 및 카메라 위치를 강조하는 실험 설정의 평면도(그림 4A) 및 측면도(그림 4B) 다이어그램이 포함되어 있습니다. 그림 5 는 프로토콜의 데이터 처리 단계에서 실험 이미지에 적용된 일련의 작업을 보고합니다. 그림 5A 에서는 코드가 마이크로채널을 수평으로 정렬하는 방법(필요한 경우)을 보여준 다음 그림 5B 는 캡처 지점을 중심으로 측면 길이가 마이크로채널 너비로 설정된 정사각형 관심 영역의 자르기를 보여줍니다. 그림 5C 는 잘린 관심 영역의 전체 RGB 이미지에서 파란색 채널을 분리합니다. 마지막으로 그림 5D 는 255(각 색상 채널의 최대 강도)에서 빼서 얻은 잘린 영역의 파란색 채널에 대한 반전 강도 값을 보여줍니다.

그림 6은 한 번의 실험 실행(점선)의 결과를 해당 외삽 적합(실선)과 오버레이합니다. 여기서 각 실험 데이터 포인트는 그림 5에 표시된 데이터 처리 단계를 통해 계산된 평균화된 역청색 채널 강도 값입니다. 추적자 입구의 하류에 있는 고정된 포획 지점에서 테일러 분산 이론 ^2,5,9는 시간 경과에 따른 추적자 농도 변화가 다음과 같이 설명된다고 예측합니다.

(2)

여기서 C(t)는 단면적으로 평균된 추적자 농도(g/L)이며, 이는 추적자의 측정된 강도와 선형적으로 관련되어 있는 것으로 확인되었습니다. C₀은 초기 추적자 농도(g/L), U는 유속(cm/s), t는 시간(s), x(cm)는 추적자 주입 위치에 대한 채널의 축 좌표입니다. K는 이류와 분자 확산의 상호 작용으로 인한 추적자의 향상된 분산 계수(cm²/s)입니다. 실험 매개변수를 입력하고 코드의 비선형 곡선 피팅 애플리케이션(curveFitter)을 사용하여 K에 대한 최상의 적합 값을 찾습니다. 시간 t = 140초, 150초 및 200초에 대한 3개의 실험 프레임은 길이 18.77cm의 마이크로채널에서 유속 U = 0.1cm/s에서 한 번의 실험 실행에 대해 생성된 실험(점선) 및 적합(실선) 곡선과 함께 표시됩니다. 이것은 Péclet 번호 Pe 88에 해당합니다. 여기서, 추적자는 문헌^10,11에 보고된 분자 확산 계수가 κ = 5.70 x ^10-6 cm²/s로 있는 DI 물에 희석된 0.6g/L의 플루오레세인 나트륨염으로 구성된다. 이 원고에 보고된 모든 실험은 22°C의 실온에서 실행되었습니다.

실험적 향상된 분산 계수 K는 관련 수량인 분산 계수 ^2,5,9,12, f를 계산하여 실험 설정 및 프로토콜의 타당성을 벤치마킹하는 데 사용할 수 있습니다. 이 매개변수는 채널의 형상에 따라 다르며 ^5,12,13으로 계산됩니다.

(3)

여기서 κ는 추적자의 분자 확산 계수(cm²/s)이고 h/2는 선택된 특성 길이입니다. Péclet 수는 대류 효과와 확산 효과의 비율을 정량화하는 무차원 매개변수인 Pe = Uh/(2κ)입니다. 그림 7은 세 가지 다른 종횡비와 유속의 직사각형 단면을 가진 마이크로채널에서 실험 실행의 분산 계수 결과와 이론적 분산 계수 동작 ^5,12,13 사이의 양호한 일치를 보여줍니다.

그림 1: 미세유체 칩 제조. (A) 21 x 5cm 칩의 상단 폴리에스테르 시트 설계. 데스크탑 공예 절단기로 왼쪽에서 오른쪽으로 세 개의 구멍을 절단하여 각각 흐름 입구, 추적자 입구 및 흐름 출구 역할을 합니다. (B) 추적자 입구에서 15cm 하류에 캡처 지점이 있는 18.77cm 폴리이미드 마이크로채널을 설계합니다. (C) 미세유체 칩 어셈블리의 분해도, 아래에서 위로: 하단 폴리에스테르 층, 폴리이미드 마이크로채널 층, 폴리이미드 개스킷 및 3D 프린팅 포트가 있는 상단 폴리에스테르 층. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: PTFE 튜브를 주사기 팁에 연결하는 방법을 보여주는 다이어그램. 튜브 ID는 0.3048mm이고 27G 주사기 팁 OD는 0.4064mm이므로 약 1mm(왼쪽)의 작은 절단을 하면 주사기 팁(중앙)을 안내하는 더 넓은 개방 영역을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다. 핀셋을 사용하여 주사기 팁 위에 튜브를 삽입하고 아래로 당깁니다(오른쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 실험 설정의 레이블이 지정된 사진. 왼쪽에서 오른쪽으로: 20mm f/2 매크로 렌즈가 장착된 D-SLR 카메라를 삼각대에 아래로 향하게 장착하여 조명 패널에 테이프로 붙인 마이크로채널을 캡처합니다. PTFE 튜브를 통해 마이크로채널에 연결된 0.5mL 유리 주사기가 프로그래밍 가능한 주사기 펌프에 설치됩니다. 원격 트리거는 실험 실행 중에 카메라를 활성화하는 데 사용됩니다. 마이크로피펫은 프로토콜의 3.2단계에 설명된 대로 추적자 초기 조건을 생성하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 실험 설정의 다이어그램(축척되지 않음). (A) 평면도, 왼쪽에서 오른쪽으로: 0.5mL 유리 주사기가 장착된 프로그래밍 가능한 주사기 펌프; 주사기 펌프를 미세유체 칩에 연결하는 PTFE 튜브; 가장자리에서 1cm 떨어진 조명 패널에 테이프로 붙인 미세유체 칩; 추적자 입구 구멍을 통해 추적자 용액을 주입하는 데 사용되는 마이크로피펫; 삼각대에 매크로 렌즈가 앞면이 아래로 향하도록 장착된 D-SLR 카메라는 캡처 포인트의 구도를 잡습니다. (B) 측면도, 왼쪽에서 오른쪽으로: 주사기 펌프를 미세유체 칩에 연결하는 PTFE 튜브; 미세유체 칩의 주사기 팁 및 3D 프린팅 포트; 추적자 입구 구멍을 통해 추적자 용액을 주입하는 데 사용되는 마이크로피펫; 매크로 렌즈가 촬영 지점에서 1cm 위에 아래를 향하게 장착된 D-SLR 카메라입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 제공된 코드의 이미지 처리 단계(보충 파일 5 참조). (A) 마이크로채널이 수평이 되도록 회전된 실험 이미지. 스케일 바: 1000μm. (B) 마이크로채널 벽 사이의 거리와 일치하는 측면 길이로 잘릴 관심 영역(ROI)에 대한 정사각형 선택; 여기서는 400μm입니다. (C) 전체 빨간색, 녹색 및 파란색(RGB) 이미지에서 파란색 채널이 선택되는 자른 ROI. 스케일 바: 200μm. (D) 잘린 ROI를 위한 반전된 파란색 채널. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 외삽된 곡선 맞춤(단색)과 겹쳐진 플루오레세인 추적자(점선)에 대한 카메라 캡처 지점에서의 단면 평균 추적자 강도 대 시간. 이 시험은 길이 18.77cm, 종횡비 λ = 1/4의 마이크로 채널에서 길이 18.77cm, 종횡비 λ = 1/4, 유속 0.1cm/s 및 Pe 88에서 DI 물 추적자에 0.6g/L의 플루오레세인 나트륨염을 사용하여 실행되었습니다. 140초(파란색), 150초(주황색) 및 200초(녹색) 시간에 3개의 실험 프레임에 대한 반전된 파란색 채널 강도는 명확성을 위해 밝기를 두 배로 늘린 플롯 위에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7: 분산 계수 대 마이크로채널 종횡비. 분산 계 수 f에 대한 이론적(파란색 곡선) 및 실험 값(검은색 데이터 포인트)의 비교. 이론적 곡선은 Wolfram Mathematica(NDSolve)¹²에 내장된 유한 요소법 편미분 방정식 솔버를 사용하여 얻습니다. 다음에 대한 실험 데이터의 평균 및 표준 편차를 보여줍니다: λ = 0.1 및 유속 0.02cm/s인 4건의 시도; λ = 0.25 및 유속 0.05cm/s(4), 0.1cm/s(4) 및 0.2cm/s(4)인 12회 시도; λ = 0.5 및 유속 0.1cm/s인 4번의 시도. 모든 실험은 길이 6.07cm의 마이크로채널(추적 입구에서 하류 3cm의 캡처 지점 포함)에서 수행되었습니다. 그런 다음 결과를 18.77cm 마이크로채널에서 벤치마킹했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 포트용 .sdlprt 파일 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 2: . 칩 최상층의 DXF 템플릿 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 3: . 칩 개스킷의 DXF 템플릿 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 4: . 칩 마이크로채널의 DXF 템플릿 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 5: 데이터 처리에 사용되는 MATLAB 코드 파일입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

이 보고서에서 우리는 Taylor 분산 실험을 미세유체 규모에 적용하기 위한 반복 가능하고 접근 가능한 실험 설정 및 프로토콜을 제시했습니다. 우리는 기존 xurography 기술⁵ 을 활용하여 3D 프린팅과 데스크탑 공예 절단기를 사용하여 저렴한 비용으로 마이크로채널을 사내에서 제조합니다. 마이크로채널 제조에 대한 현재 산업 표준에는 채널을 주조할 수 있는 마스터 금형 생성이 포함됩니다. 이 원고에서 논의된 기술과 비교할 때 이러한 방법은 훨씬 더 나은 채널 해상도와 특징 크기(일부는 0.1μm만큼 작음)를 가질 수 있지만 최대 수만 USD¹⁴의 훨씬 더 높은 간접비라는 단점이 있습니다. 초기 간접비 외에도 채널 설계 기능을 변경하려면 새로운 마스터 금형을 생성하고 새 채널을 경화해야 하므로 가동 중지 시간이 늘어납니다. 대조적으로, 이 보고서에 사용된 채널 제조 장비의 시작 비용은 약 300달러입니다. 이는 마스터 몰드를 생산하는 가장 저렴한 방법(예: 폴리디메틸실록산(PDMS) 기반 기술 사용)과 비슷하지만, 200μm 너비의 채널에 대한 주요 제조 기술에 필적하는 표면 거칠기를 유지하면서 채널 설계 변경 및 새 채널의 인쇄에 훨씬 적은 시간이 걸린다는^{장점이 있습니다}5. 우리는 5분 이내에 1달러 미만으로 미세유체 칩을 절단할 수 있습니다.

이 프로토콜에서 데이터는 매크로 렌즈가 장착된 D-SLR 카메라를 사용하여 명시야 이미징을 통해 추적자 입구에서 다운스트림의 고정 캡처 지점에 기록됩니다. 이 프로토콜은 탈이온수(DI)에 플루오레세인 나트륨염 용액을 사용하여 개발되었지만, 이 이미징 방법은 추적자의 강도와 농도 사이에 선형 관계가 있는 한 식용 색소와 같은 다른 유형의 염료에 적용할 수 있습니다. 사용할 화학 물질의 잠재적 범위는 흡수 스펙트럼과 배경 조명을 고려하여 더욱 확장될 수 있습니다. 그러나 일부 식용 염료는 식물 재료에서 추출되며 하나 이상의 화학 종을 포함할 수 있습니다. 상충되는 결과를 피하기 위해 사용할 식용 색소를 선택할 때 주의를 기울여야 합니다.

이 설정 및 프로토콜의 타당성은 그림 7과 같이 다양한 채널 종횡비 및 실험 유량에 대한 실험 분산 계수 f를 계산하고 이를 직사각형 단면의 마이크로 채널에 대한 이론적 값과 비교하여 검증되었습니다. 우리는 또한 이러한 다양한 실험 조건에서 단일 종 수동 추적자에 대한 확산 계수 κ를 계산했습니다. 표 1은 이 실험 조사에서 얻은 플루오레세인 나트륨염의 분자 확산 계수를 보고합니다. 구체적으로, 표로 작성된 κ-값은 강화된 분산 계수 K에 대한 실험적 적합과 분산 계수 f에 대한 이론적 값을 사용하여 방정식 (3)에서 계산되었습니다. 다양한 종횡비(λ = 0.1, 0.25 및 0.5)와 유속(0.05, 0.1 및 0.2cm/s)을 가진 마이크로채널에 대한 4가지 실험의 평균값을 보고합니다. 각각에 대해 이론값^10,11, κ = 5.70 x ^10-6 cm²/s에 대한 상대 오차도 포함하여 우리 방법의 정확성을 보여줍니다. 마지막으로, 실험 매개변수의 각 세트에 대해 실험 강도 곡선이 기준선에서 벗어날 때 차원 시간 t를 확산 시간 t_d = h²/(4κ)로 나누어 정의된 Péclet 수와 무차원 시간 범위를 보고합니다. 우리는 시스템이 테일러 분산 체제에 진입했으므로 가우스 프로파일⁽¹⁵)에 의해 잘 근사화될 수 있음을 입증하기 위해 차원화되지 않은 실험 시간 범위를 포함합니다. 실제로 표 1의 마지막 두 열에 보고된 관찰 시간은 확산 시간 t_d의 약 2-5배(또는 그 이상)입니다.

다음으로, 프로토콜을 확장하여 다종 이온 상호 작용 및 분리를 조사했습니다. 우리는 순방향 물에 플루오레세인 나트륨 염 및 청색 식용 색소를 혼합하여 만든 다종 전해질 용액에 Taylor 분산 실험을 적용한 결과를 아래에 보고합니다. 그림 8 은 DI 물의 파란색 식용 색소 용액(-), DI 물의 플루오레세인 나트륨염 용액(...), DI 물의 혼합 파란색 식용 색소와 플루오레세인 나트륨염 용액(----)의 세 가지 용질에 대한 카메라 캡처 지점에서 반전된 파란색 채널 강도 곡선의 시간 진화를 보여줍니다. 각 곡선은 각 방향(음영)에 하나의 표준 편차가 있는 5번의 실험 시도의 평균입니다. 곡선은 플루오레세인 나트륨염 실험의 최대 시간 척도와 비교하여 파란색 식용 색소만(-)만으로 최소값에 도달한 실험을 보여줍니다(...). 이는 플루오레세인 나트륨염^{이 분자} 확산 계수를 사용하는 청색 식용 색소의 염료 성분인 청색16보다 한 배 작은 분자 확산 계수를 갖는 사실과 일치한다. 혼합 용액 실험(----)은 이러한 시간 척도 차이와 강도 프로파일의 오목한 변화를 통해 볼 수 있는 결과적인 이온 분리를 강조합니다. 곡선은 먼저 기준선 아래로 떨어지다가 위쪽으로 전환하여 기준선 위로 정점에 도달합니다. 그림 9 에서는 파란색 식용 색소 실험과 플루오레세인 나트륨염 실험(+++)의 개별 기여도를 합산하여 얻은 곡선과 겹쳐진 동일한 혼합 용액 반전 파란색 채널 강도 곡선(----)을 그립니다. 두 곡선 간의 차이는 이온-이온 상호 작용이 혼합 용액 강도 곡선에 미치는 영향을 강조합니다. 단순히 두 개의 개별 용질 기여도를 추가할 때 (+++) 곡선은 혼합 용액 곡선(----)에 비해 더 긴 시간 척도에서 오목함이 변경되기 전에 파란색 염료 용액의 강한 기준선 이하 기여도( 그림 8에서 -로 표시됨)에 의해 구동되는 더 깊은 최소값을 나타냅니다. 마지막으로, 합계 곡선은 플루오레세인 나트륨염 용액 거동(...  그림 8에서). 시간 척도 단축과 함께 더 부드러운 피킹은 파란색 식용 색소와 플루오레세인 나트륨 염 이온 사이의 상호 작용을 나타냅니다.

그림 6, 그림 8 및 그림 9의 강도 프로파일은 왜도를 나타냅니다. 이는 고전적인 테일러 분산 이론 ^2,5,9와 실험에서 측정된 양 사이의 몇 가지 차이점 때문일 수 있습니다. 방정식 (2)에 의해 예측된 농도 프로파일은 공간에서 대칭이지만 실험 설정에서 측정은 시간의 함수로 추적자 주입 부위 하류의 고정된 포획 지점에서 수행됩니다. 시간의 함수로 볼 때 결과 프로파일은 본질적으로 왜곡됩니다. 이러한 시간적 비대칭성은 Taylor and Harris(2019)⁵를 포함한 이전 연구에서 보고된 관찰과 일치합니다. 왜도의 또 다른 가능한 원인은 실험 이미지 캡처 창의 유한 영역의 영향입니다. 방정식 (1)에 설명된 가우스 적합에 대한 가능한 대안은 Bharadwaj, Santiago 및 Mohammadi(2002)¹⁷에서 수행한 것처럼 유한 이미지 캡처 영역(x)에 대한 방정식 (2)의 가우스 표현식의 적분에 실험 데이터를 맞추는 것입니다. 왜도에 대한 이러한 기여는 캡처 상자의 크기가 가우스 곡선의 표준 편차와 비슷할 때 특히 관련이 있습니다. 여기서 캡처 창의 길이는 항상 가우스의 표준 편차보다 한 배 이상 작습니다.

이 저비용 실험 방법은 마이크로 스케일에서 테일러 분산 실험에 대한 접근 가능한 접근 방식을 제공합니다. 프로토콜에서 가장 섬세한 단계는 마이크로채널 네거티브의 제조 및 제거입니다. 제조 과정에서 절단 오류를 방지하기 위해 절단하기 전에 채널이 안전한지 확인하기 위해 각별한 주의를 기울여야 합니다. 네거티브를 제거할 때 재료가 남지 않도록 하고 신뢰할 수 있는 실험 결과를 보장하기 위해 매끄럽고 평행하며 직선이어야 하는 채널 측벽과의 접촉을 피하십시오. 이 방법의 한계는 고유한 xurography 해상도 제한입니다. 이 원고에서 생산하기 가장 어려운 채널은 너비 w = 200 μm(및 종횡비 λ = 0.5)인 채널로, 이는 크래프트 커터 해상도의 한계를 넘어섰습니다⁵. 오류의 주요 원인은 기계식 기어를 기반으로 정의된 단계 단위로 블레이드를 움직이는 크래프트 커터에 사용되는 스테퍼 모터입니다. 설계에서 정의된 단계 증분 사이에 절단이 있어야 하는 경우 더 큰 오류가 발생합니다. 이 xurography 방법의 해상도 한계를 식별하는 심층 작업은 문헌⁵에서 확인할 수 있습니다.

이 실험 절차는 단일 종 수동 추적자의 향상된 분산 계수, K 및 분자 확산 계수, κ를 계산하는 간단한 방법을 제공합니다. 또한, 이 프로토콜은 이온 종 간의 상호 작용 및 분리 역학을 시각화하는 간단한 방법을 제공합니다. 플랫폼의 접근성과 다양성을 고려할 때 이 방법은 이온 종 간의 역학을 분석하고 수송 현상의 복잡한 상호 작용을 더 깊이 이해하는 데 적합하며 마이크로믹서와 같은 응용 분야에 쉽게 사용할 수 있습니다.

					무차원 시간
종횡비, λ	유량(cm/s)	실험적 κ(cm2/s)	상대 오차	페클레 번호(Pe)	tmin/td	t최대/td
0.1	0.02	5.813 x 10-6 ± 3.797 x 10-7	1.982 엑스 10-2	~ 18	~ 30	~ 52
0.25	0.05	5.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-7	6.443 엑스 10-2	~ 44	~ 11	~ 27
0.25	0.1	5.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-7	7.838 엑스 10-3	~ 88	~ 6	~ 16
0.25	0.2	5.978 x 10-6 ± 1.724 x 10-7	4.884 엑스 10-2	~ 175	~ 2	~ 10
0.5	0.1	5.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-7	4.496 엑스 10-2	~ 88	~ 6	~ 16

표 1: 플루오레세인 나트륨염에 대한 실험적 분자 확산 계수(κ). 결과는 강화된 분산 계수 K에 대한 실험적 적합과 분산 계수 f에 대한 이론적 값을 사용하여 방정식 (3)에서 계산됩니다. 각 행은 지정된 종횡비(λ = 0.1, 0.25 또는 0.5) 및 유속(0.05, 0.1 또는 0.2cm/s)을 가진 마이크로채널에서 4개의 실험에 대한 평균 κ-값(및 관련 표준 편차)을 보고합니다. 각각에 대해 이론값^10,11, κ = 5.70 x ^10-6 cm²/s에 대한 상대 오차를 포함하여 방법의 정확성을 입증합니다. 또한 각 행에 대해 실험 강도 곡선이 기준선에서 벗어날 때 차원 시간 t를 확산 시간 t_d = h²/(4κ)로 나누어 정의된 실험 Péclet 수와 비차원 시간 범위를 나열합니다.

그림 8: 3개의 추적기에 대한 카메라 캡처 지점에서 평균 역청색 채널 추적기 강도의 시간 진화. 3개의 추적자에 대한 카메라 캡처 지점에서 평균 역청색 채널 추적자 강도의 시간 변화: DI 물의 파란색 식용 색소 용액(농도 비율 식용 색소: DI = 1:20 mL, –), DI 물의 플루오레세인 나트륨염 용액(농도 0.6g/L, ...), 개별 추적자 실험에서와 동일한 농도의 파란색 식용 색소와 플루오레세인 나트륨염을 모두 포함하는 혼합 용액(----), 즉, 파란색 식용 색소: DI = 1:20 mL 및 0.6g/L의 플루오레세인. 각 곡선은 각 방향(음영)에 하나의 표준 편차가 있는 5번의 실험 시도의 평균입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9: 혼합 용액에 대한 카메라 캡처 지점에서 평균 역청색 채널 추적자 강도의 시간 진화. 청색 식용 색소와 플루오레세인 나트륨염(----)을 포함하는 혼합 용액에 대한 카메라 캡처 지점에서 평균 역청색 채널 추적자 강도의 시간 진화: DI = 1:20 mL 및 0.6g/L의 플루오레세인, 그리고 청색 식용 색소 용액 실험의 강도를 결합한 합계 곡선(+++)( 그림 8의 실선 곡선, –) 및 플루오레세인 나트륨염 용액 실험( 그림 8의 점선 곡선, ...). 혼합 곡선은 각 방향(음영)에 하나의 표준 편차가 있는 5번의 실험 시도의 평균입니다. 합계 곡선의 표준 편차는 각 개별 추적자 용액을 사용한 실험에서 표준 편차의 합계를 제곱한 제곱근을 취하여 계산됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
조절 가능한 용량 피펫, 0.5– 10 & 뮤; L	무화	B08TBPMKZL	테이블로 변신했습니다.
카메오 커팅 매트, 12 x 12인치	실루엣 아메리카	8.19177E+11	테이블에서 사용 된 aphabetize 함수
카메라 플러그인 배터리	니어	B0B5WY8T96	제거된 3D 프린팅 포트
카메라 삼각대	전위	B00CCA1Y3S	Form 2 3D 프린터 추가 Form 2 3D 프린터 추가
클리어 레진 V5	Formlabs	https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/	3D 프린팅 수지
시아노아크릴레이트(CA) 접착제 촉진제	스타본드	B00BUVAZ5S	수지도 추가했습니다.
D-SLR 카메라	니콘	D500	프린터 소프트웨어 추가
대시보드 소프트웨어	Formlabs	https://formlabs.com/software/dashboard/	3D 프린팅 소프트웨어 CAD 솔리드웍스 추가
탈이온수	해당 사항 없음	해당 사항 없음	MATLAB 추가
밝기 조절이 가능한 LED 조명 패널	카이저 포토테크닉	202455	Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 in FSS 로트를 카탈로그 번호로 변경했습니다.
양면 폴리이미드 테이프, 1인치 x 36야드 롤	버텍	B00HFN6E0K
플루레세인 나트륨 소금 염료 - 100g	시그마-알드리치	5184A17
Form 2 3D 프린터	Formlabs	https://formlabs.com/3d-printers/form-2/
루어 팁이 있는 유리 주사기, 500 및 마이크로; L	해밀턴 컴퍼니	PN : 80801
고정밀 핀셋, 너비 0.004인치 x 두께 0.002인치	맥마스터 카	ECCN: EAR99	표준 뾰족한 팁
김와이프	김테크	B0013HT2QW	4.4 x 8.4인치
액체 피펫 피펫터 팁, 1000개/가방	무화	B07S1WJCHP	실험 시도당 1개 필요
매크로 렌즈 20mm f/2	미타콘 중이	B075JRGWW1
마스킹 테이프, 0.70인치 x 54.6야드	스카치 브랜드	B00347A8E4
MATLAB 소프트웨어, 에디션 2023b	매스웍스	https://www.mathworks.com/products/matlab.html
미디엄 CA 접착제, 2온스	스타본드	126150047	프리미엄 시아노아크릴레이트 슈퍼 글루
메모리 카드, 64GB	샌 디스크	‎ B09X7C7NCZ
네온 모듬 식용 색소 & 계란 염료, 1.5 fl oz	맥코믹 & 회사, Inc.	B09PFV6275	분홍색, 녹색, 파란색. 파란색 식용 색소 1병만 있으면 됩니다. 파란색 식용 색소 성분: 물, 프로필렌 글리콜, FD& C 블루 1, 프로필파라벤(방부제).
정밀 저울	Sartorius 실험실 기기	BCE224 - 1S	엔트리스® II 필수 라인. 추적자 혼합을 위해 플루오레세인 나트륨염 분말을 계량하는 데 사용됩니다.
PTFE 마이크로 튜빙, 0.012" ID x 0.030" OD	콜 파러	MP-00060882	마이크로보어 이송 튜브. 최소 필요 : 50cm.
원격 프로그래밍 가능 트리거	픽셀 프로	TW-283DC0/DC2
가위	아마존	B01BRGUAT6
스카치 테이프	스카치 브랜드	B01C5IHGJW
실루엣 카메오 4 크래프트 커터	실루엣 아메리카	8.19177E+11
실루엣 카메오 오토블레이드(타입 B)	실루엣 아메리카	8.19177E+11	2 필요
Silhouette Studio Basic Edition 소프트웨어 버전 4.5	실루엣 아메리카	https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio	를 가져오는 경우 . 이 소프트웨어 버전에서 보충 파일의 일부로 제공되는 DXF 템플릿 파일은 먼저 편집 > 기본 설정 > DXF >가져오기 > > 있는 그대로 열기를 클릭하여 파일 크기를 '있는 그대로' 읽도록 소프트웨어 가져오기 설정을 설정합니다.
부드러운 고무 브레이어, 4.75 x 1.75 x 6.62인치	스피드볼	B003IFY622
SOLIDWORKS 소프트웨어, Education Edition	솔리드웍스	https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
표준 주입/인출 11 엘리트 주사기 펌프	하버드 장치	70-4504
루어 잠금 장치가 있는 주사기 팁, 팁 크기: 0.5인치, 27 게이지, 투명	메트칼	B00F4B9W40	2 필요
울트라 클리어 폴리에스테르 시트, 12 x 12 x 0.007인치	그라픽스	B001K7Q6Z0