Adaptacja dyspersji Taylora do pomiaru współczynnika dyspersji roztworów elektrolitów za pomocą dostępnego zestawu mikroprzepływowego

Podsumowanie

W tym miejscu przedstawiamy protokół adaptacji eksperymentu dyspersji Taylora do mikroskali przy użyciu mikrokanałów wytworzonych we własnym zakresie za pomocą stacjonarnego obcinaka rzemieślniczego. Platforma doświadczalna może być wykorzystana do obliczenia współczynnika dyfuzji jednogatunkowych znaczników pasywnych oraz do wizualizacji wielogatunkowej interakcji jonowej i separacji.

Streszczenie

Dziedzina mikrofluidyki staje się coraz bardziej znana, ponieważ pozwala na szybką i precyzyjną kontrolę płynów i cząstek, co ułatwia syntezę związków i rozdzielanie mieszanin. Udoskonaliliśmy dostępną, powtarzalną adaptację eksperymentu dyspersji Taylora w mikroskali, wykorzystując mikrokanały wyprodukowane we własnym zakresie za pomocą stołowego noża rzemieślniczego. Koszt początkowy tej szybkiej i dostępnej techniki ksurografii mikroprzepływowej wynosi około 300 USD, czyli o rzędy wielkości mniej niż w przypadku typowych metod fotolitografii. Napędzany ciśnieniem przepływ laminarny z programowalnej pompy strzykawkowej transportuje wstrzyknięty roztwór znacznikowy w dół mikrokanału, gdzie cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa (D-SLR) z obiektywem makro rejestruje ewolucję stężenia znacznika w czasie w ustalonym miejscu. Korzystając z tej platformy eksperymentalnej, możemy obliczyć współczynniki dyfuzji dla jednogatunkowych znaczników pasywnych w różnych warunkach eksperymentalnych. Następnie rozszerzyliśmy protokół na mieszaniny elektrolitów, obserwując wstępne dowody na zmiany dyfuzyjności wynikające z nietrywialnych efektów sprzężenia jon-jon. Ta łatwo dostępna metoda eksperymentalna stanowi praktyczne narzędzie do badania transportu wielogatunkowego i oferuje wgląd w złożone interakcje rządzące ruchliwością jonów.

Wprowadzenie

W ostatnich latach znaczące wysiłki badawcze koncentrowały się na badaniu i opracowywaniu opłacalnych urządzeń mikroprzepływowych, które oferują precyzyjną kontrolę nad przepływem, cząstkami i transportem substancji rozpuszczonej. Wielogatunkowe roztwory elektrolitów odgrywają kluczową rolę w szerokim zakresie zastosowań, od magazynowania energii i diagnostyki biomedycznej po monitorowanie środowiska i oczyszczanie wody. Zrozumienie, w jaki sposób różne rodzaje jonów dyfundują i oddziałują w tych układach, jest niezbędne do optymalizacji wydajności i stabilności w procesach elektrochemicznych i transportowych.

Gdy roztwór elektrolitu zawiera jony o różnych współczynnikach dyfuzji, ich nierównomierna migracja indukuje wewnętrzne pole elektryczne, nawet przy braku zewnętrznego napięcia. Szybciej dyfuzyjne jony mają tendencję do oddzielania się od wolniejszych, chwilowo tworząc nierównowagę ładunków. Aby zachować neutralność elektrostatyczną, system generuje potencjał elektryczny indukowany dyfuzją. Pole to spowalnia szybsze jony i przyspiesza wolniejsze. Wynikowy potencjał elektryczny zależy od względnej ruchliwości jonów i gradientów stężeń i jest dobrze opisany przez równania Nernsta-Plancka przy ograniczeniach elektroneutralności. Klasyczne modele elektrochemiczne, takie jak równania Hendersona i Nernsta, określają ilościowo to zjawisko, odnosząc je do liczby transportu jonów i różnic stężeń¹.

Analiza dyspersji Taylora od dawna jest potężną techniką pomiaru dyfuzyjności molekularnej poprzez obserwację, jak substancja rozpuszczona rozprzestrzenia się w przepływie laminarnym napędzanym ciśnieniem przez prosty kanał ^2,3. Uwzględnia wzajemne oddziaływanie między adwekcją a dyfuzją i umożliwia dokładne wnioskowanie o współczynnikach dyfuzji molekularnej na podstawie efektywnych współczynników dyspersji. Metoda ta jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ łączy w sobie precyzję, minimalne wymagania dotyczące próbek i szybkie pozyskiwanie danych. Tradycyjnie stosowany do znaczników jednogatunkowych, ostatnie rozszerzenia teoretyczne umożliwiają teraz jego zastosowanie w systemach wielogatunkowych, umożliwiając naukowcom teoretyczne wnioskowanie o indywidualnych dyfuzyjnościach jonów na podstawie sprzężonego zachowania transportowego⁴.

Jednak wysokie koszty i złożoność techniczna konwencjonalnych układów mikroprzepływowych – często opartych na fotolitografii zależnej od pomieszczeń czystych – stanowią poważne bariery dla szerszego zastosowania tej metody. W niniejszej pracy przedstawiamy tanią, dostępną i powtarzalną adaptację techniki dyspersji Taylora, która wykorzystuje mikrokanały wytwarzane za pomocą ksurografii za pomocą stołowego noża rzemieślniczego. Takie podejście, którego koszt początkowy wynosi około 300 USD, pozwala na szybkie prototypowanie i spójną produkcję kanałów bez konieczności korzystania z kosztownych specjalistycznych obiektów⁵. Wykorzystując obrazowanie w jasnym polu za pomocą lustrzanki cyfrowej i obiektywu makro, protokół tworzy szereg czasowy ewolucji stężenia znacznika w ustalonym punkcie przechwytywania poniżej miejsca wstrzyknięcia⁶. Pokazujemy, że platforma ta może dokładnie mierzyć współczynniki dyfuzji dla jednogatunkowych znaczników pasywnych i rozszerzać metodę o analizę wielogatunkowych układów elektrolitowych. Wyniki ujawniają wyraźne sygnatury zmian dyfuzyjności wynikających z efektów sprzężenia jon-jon. Ta przystępna i ekonomiczna metoda stanowi praktyczne narzędzie do badania zjawisk transportu jonów w złożonych mieszaninach elektrolitów. Na przykład, proponowana konfiguracja doświadczalna może być łatwo przystosowana do wykorzystania jako mikromikser do oceny wydajności mieszania wielogatunkowych substancji rozpuszczonych⁷ lub do zaprojektowania pożądanego rozkładu masy cząsteczkowej polimeru za pomocą sterowanego komputerowo reaktora o przepływie rurowym⁸.

Protokół

1. Przygotowanie materiałów

UWAGA: W tym raporcie chipy mikroprzepływowe są budowane poprzez wycinanie projektów mikrokanalików w jednej warstwie taśmy poliimidowej o szerokości w = 2,54 cm i grubości h = 100 μm, która jest następnie uszczelniana między dwoma arkuszami poliestru. Współczynnik kształtu mikrokanalika (λ = h/w) zależy od grubości poliimidu; Szerokość kanału (W) jest jedyną cechą przekroju, która może być modyfikowana w tym protokole.

1. Pokrój taśmę poliamidową na pasek o długości 21 cm.
2. Wytnij dwa poliestrowe prostokąty o długości 21 cm i szerokości 5 cm.
   UWAGA: Do wytworzenia każdego mikrokanału o długości 18,77 cm potrzebny jest jeden pasek poliimidowy i dwa prostokąty poliestrowe. Jeden z prostokątów poliestrowych jest cięty za pomocą noża do majsterkowania w celu wykonania otworów wlotowych i wylotowych, podczas gdy drugi jest używany w niezmienionej postaci.
3. Odetnij i odłóż na bok drugi pasek taśmy poliimidowej o długości 21 cm do wykonania uszczelki. Ta długość daje 32 uszczelki; Do każdego mikrokanalika potrzebna jest jedna uszczelka.
4. Uzyskaj port mikrokanałowy przez drukowanie trójwymiarowe (3D) na drukarce żywicznej.
   1. Drukuj jeden port na mikrokanał. Plik .sdlprt dla portu znajduje się w pliku uzupełniającym 1. Zaprojektuj gwinty końcówek strzykawek Luer Lock, które należy wkręcić w port, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie.
   2. Bryła do druku 3D (bez wypełnienia) bezpośrednio na platformie konstrukcyjnej bez dodatkowych podpór. Ustaw grubość warstwy na 0,10 mm.
   3. Utwardzać po wydrukowaniu w komorze UV przez 15 minut w temperaturze 60 °C.

2. Montaż zestawu doświadczalnego

1. Wykonanie wierzchniej warstwy chipa mikroprzepływowego.
   1. Uruchom oprogramowanie do projektowania noży rzemieślniczych.
   2. Zaprojektuj górną część mikrokanału za pomocą oprogramowania do projektowania noży rzemieślniczych lub importując projekt z innego kompatybilnego oprogramowania.
   3. Narysuj dwa okręgi o średnicy 0,27 cm w odległości 18,77 cm od siebie: są to wlot i wylot przepływu. W odległości 2,71 cm od otworu wlotowego narysuj mniejszy otwór wlotowy znacznika o średnicy 0,15 cm.
      UWAGA: Plik . Plik szablonu DXF (Plik uzupełniający 2) jest dołączony jako odniesienie.
   4. Przymocuj jeden z dwóch prostokątów poliestrowych z kroku 1.2 do lepkiej strony maty do cięcia. Za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2,54 cm przyklej taśmę wzdłuż czterech stron obwodu.
      UWAGA: Ponieważ arkusze poliestrowe są jednolite po obu stronach, można ich używać z dowolną stroną "do góry". Taśma maskująca jest niezbędna, aby zapobiec wszelkim ruchom poliestru podczas cięcia. Drugi prostokąt poliestrowy wycięty w kroku 1.2 jest używany bez zmian.
   5. Upewnij się, że nóż rzemieślniczy jest podłączony do komputera z oprogramowaniem do projektowania za pomocą kabla uniwersalnej magistrali szeregowej (USB) lub Bluetooth.
   6. Załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie maty z oznaczeniami strzałek na nożu. Włóż ostrze do szczeliny wózka noża rzemieślniczego.
      UWAGA: Potencjalne błędy w produkcji mikrokanalików wynikają przede wszystkim ze zużycia lub niewspółosiowości ostrzy. Zużycie ostrza może powodować zgrubne i nierównomierne cięcie ścianek kanałów. Aby rozwiązać ten problem, do cięcia każdego rodzaju materiału używa się innego ostrza, aby zmniejszyć szybką degradację ostrości ostrza. Zgodnie z tą zasadą, w tym protokole potrzebne są dwa ostrza, jedno dla taśmy poliestrowej, a drugie dla taśmy poliimidowej. Jeśli podczas produkcji kanałów ścianki kanału staną się zauważalnie bardziej szorstkie lub negatyw stanie się trudny do usunięcia, ostrze może wymagać wymiany. Niewspółosiowość ostrza może spowodować, że ostrze nie wbije się w materiał pod odpowiednim kątem, co spowoduje szersze lub węższe kanały. Ten problem występuje częściej w kanałach o mniejszej szerokości, ale można go złagodzić, projektując ściany kanału tak, aby były dłuższymi bokami prostokąta ciętego w sposób ciągły, a nie oddzielnymi równoległymi liniami.
   7. W prawym górnym rogu strony projektu na monitorze komputera kliknij przycisk Wyślij , aby przejść do przeglądania materiałów i ustawień cięcia.
   8. Wprowadź ustawienia cięcia arkusza poliestru. W tej konfiguracji zalecane ustawienia to: Głębokość ostrza: 9, Siła: 33, Przejścia: 1 i Prędkość: 1.
      UWAGA: Zalecenia dotyczące ustawień noży rzemieślniczych są oparte na pracy Taylora i Harrisa⁵ z 2019 roku.
   9. Kliknij przycisk Prześlij , aby przesłać zadanie do narzędzia do cięcia rzemieślniczego. Nóż rozpoczyna proces cięcia, który trwa około 15 s.
   10. Poczekaj, aż ostrze powróci do pozycji wyjściowej. Następnie zdejmij matę do cięcia, naciskając przycisk wysuwania .
   11. Usuń negatywowy materiał poliestrowy za pomocą pęsety. Wycięty arkusz poliestrowy zawiera trzy otwory: otwory wlotowe i wylotowe przepływu oddalone od siebie o 18,77 cm oraz mniejszy otwór wlotowy znacznika między pierwszymi dwoma, 2,71 cm od otworu wlotowego, jak pokazano na rysunku 1A.
   12. Usuń cały materiał z maty do cięcia i odłóż na bok wierzch wiórów.
       UWAGA: Podczas cięcia w poliester ostrze pozostawia szorstką krawędź lekko wystającą z arkusza po stronie cięcia. Podczas montażu chipa mikroprzepływowego należy skierować tę krawędź do góry (z dala od poliimidu), aby uniknąć zakłócania przepływu przez mikrokanał.
2. Wytnij uszczelkę
   1. Zaprojektuj uszczelki poliimidowe w kształcie pączka za pomocą oprogramowania do projektowania noży rzemieślniczych lub importując projekt z innego kompatybilnego oprogramowania.
   2. Narysuj dwa koncentryczne okręgi o średnicy odpowiednio 0,52 cm i 0,24 cm.
      UWAGA: Plik . Plik szablonu DXF z 32 uszczelkami jest dołączony jako plik uzupełniający 3. Podczas podłączania do mikrokanału potrzebna jest jedna uszczelka dla każdego portu.
   3. Przymocuj taśmę poliamidową z kroku 1.3 do maty do cięcia, obie lepką stroną do góry. Za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2,54 cm przyklej taśmę wzdłuż czterech stron obwodu.
   4. Załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie maty z oznaczeniami strzałek na nożu.
   5. Wymień ostrze używane do arkuszy poliestrowych na nowe ostrze, które będzie używane wyłącznie do cięcia taśmy poliimidowej.
   6. W prawym górnym rogu strony projektu na monitorze komputera kliknij przycisk Wyślij , aby przejść do przeglądania materiałów i ustawień cięcia.
   7. Wprowadź ustawienia cięcia taśmy poliimidowej. W tej konfiguracji zalecane ustawienia to: Głębokość ostrza: 9, Siła: 1, Przejścia: 1 i Prędkość: 1.
      UWAGA: Zalecenia dotyczące ustawień noży rzemieślniczych są oparte na pracy Taylora i Harrisa⁵ z 2019 roku.
   8. Kliknij przycisk Prześlij , aby przesłać zadanie do narzędzia do cięcia rzemieślniczego. Nóż rozpoczyna proces cięcia, który trwa około 40 s.
   9. Poczekaj, aż ostrze powróci do pozycji wyjściowej. Następnie zdejmij matę do cięcia, naciskając przycisk wysuwania .
3. Montaż górnego arkusza, uszczelki i portu
   1. Umieść arkusz poliestru wycięty w kroku 2.1 na płaskiej powierzchni, wystającymi elementami skierowanymi do góry.
   2. Użyj pęsety, aby odkleić jedną uszczelkę z taśmy poliamidowej przeciętej w kroku 2.2 i połóż ją na płaskim spodzie portu wydrukowanego w 3D. Dopasuj otwory portu i uszczelki; Aby w tym pomóc, włóż końcówkę strzykawki przez port i użyj jej jako wskazówki.
   3. Przymocuj port z uszczelką do arkusza poliestru, układając płasko, wyrównując port i otwór wlotowy przepływu. Ponownie użyj końcówki strzykawki, aby wyśrodkować port do otworu wlotowego arkusza. Przytrzymaj w miejscu przez 30 sekund, aby uszczelnić dwustronną uszczelkę poliimidową do wierzchu wióra poliestrowego.
      UWAGA: Port i górny arkusz powinny być w tym momencie mocno połączone, z możliwością podniesienia portu i górnego arkusza razem, podnosząc tylko port.
   4. Nałóż niewielką ilość kleju Superglue na obwód portu, jednocześnie dociskając go, aby uzyskać trwałe wodoszczelne uszczelnienie.
   5. Odstawić na bok na 2-3 godziny lub użyć aktywatora superglue w sprayu i odczekać 10 minut, aby zapewnić wodoszczelne uszczelnienie.
      UWAGA: Podczas pracy z klejem superglue należy używać rękawiczek i pracować w dygestorium.
4. Wykonanie korpusu mikrokanalika z poliimidu
   1. Zaprojektuj korpus mikrokanałowy za pomocą oprogramowania do projektowania frezów rzemieślniczych lub importując projekt z innego kompatybilnego oprogramowania.
   2. Narysuj dwa okręgi o średnicy 0,36 cm w odległości 18,6 cm od siebie: odpowiadają one otworom wlotowym i wylotowym przepływu górnej części wióra zaprojektowanej w 2.1.3.
   3. Pomiędzy tymi dwoma otworami wstaw prostokąt o żądanej szerokości i długości 18,77 cm. Upewnij się, że 0.05 cm prostokąta zachodzi na otwory wlotowe i wylotowe, aby zmniejszyć ryzyko przypadkowego rozerwania podczas wyjmowania negatywu.
   4. Narysuj pojedynczą prostopadłą linię 0.2 cm umieszczoną 17.71 cm od otworu wlotowego przepływu i 0.2 cm od kanału po obu stronach.
      UWAGA: Plik . Plik szablonu DXF jest dołączony jako plik uzupełniający 4. Ta konstrukcja jest przeznaczona dla mikrokanału o długości 18,77 cm i szerokości 400 μm, jak pokazano na rysunku 1B.
   5. Przymocuj taśmę poliamidową przeciętą w kroku 1.1 do maty do cięcia, obie lepką stroną do góry. Za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2,54 cm przyklej taśmę wzdłuż czterech stron obwodu.
   6. Załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie maty z oznaczeniami strzałek na nożu. Zachowaj to samo ostrze, które zostało użyte do przecięcia uszczelek w kroku 2.2.
   7. W prawym górnym rogu strony projektu na monitorze komputera kliknij przycisk Wyślij , aby przejść do przeglądania materiałów i ustawień cięcia. Użyj tych samych ustawień cięcia dla uszczelek w kroku 2.2.7.
   8. Kliknij przycisk Prześlij , aby wysłać zadanie do narzędzia do cięcia rzemieślniczego. Nóż rozpoczyna proces cięcia, który trwa około 15 s.
   9. Poczekaj, aż ostrze powróci do pozycji wyjściowej. Następnie zdejmij matę do cięcia, naciskając przycisk wysuwania na nożu rzemieślniczym. W poliimidach wycina się teraz mikrokanał z widocznymi cechami wlotu, wylotu i punktu przechwytywania.
      UWAGA: Ustaw chip tak, aby punkt przechwytywania znajdował się bliżej wylotu; W dostarczonym projekcie znajduje się on w odległości 1,107 cm od wylotu, dzięki czemu odległość między otworem wlotowym znacznika a punktem chwytania wynosi 15 cm.
   10. Usuń ujemny materiał poliimidowy z kanału za pomocą pęsety. W zależności od szerokości i cech mikrokanalika, jest to bardzo delikatna procedura, która lepiej nadaje się do pęsety o wysokiej precyzji.
   11. Usuń cały materiał z maty do cięcia i odłóż mikrokanalik na bok; Upewnij się, że lepka strona pozostaje nietknięta.
5. Montaż układu mikroprzepływowego
   1. Umieść taśmę poliamidową lepką stroną do góry na płaskiej powierzchni.
   2. Umieść dolny prostokąt poliestrowy (bez otworów) o rozmiarze opisanym w kroku 1.2 na odsłoniętej taśmie poliimidowej. Wyśrodkuj pasek poliimidowy na szerokości poliestru.
   3. Naciskaj wałkiem w dół, aby usunąć większe pęcherzyki i sprawdź, czy w poliamidzie nie ma zanieczyszczeń lub fałd.
   4. Odwróć taśmę poliamidową i zdejmij jej osłonę ochronną od spodu.
   5. Dopasuj górny arkusz poliestru zamontowany z portem wydrukowanym w 3D do wlotu i wylotu taśmy poliimidowej, a następnie połóż arkusz poliestrowy na wierzchu poliamidu.
   6. Naciskaj wałkiem w dół, aby usunąć wszelkie większe pęcherzyki i sprawdź, czy w taśmie poliimidowej nie ma zanieczyszczeń lub fałd.
      UWAGA: Znaczne zanieczyszczenia w kanale lub na ścianach, wraz z niewspółosiowymi otworami wlotowymi i wylotowymi, wpływają na przepływ laminarny, zagrażając eksperymentowi. Na tym kończy się wytwarzanie chipa mikroprzepływowego, jak pokazano na rysunku 1C.
6. Montaż obszaru doświadczalnego
   1. Konfiguracja pompy strzykawkowej
      1. Napełnij szklaną strzykawkę o pojemności 0,5 ml wodą dejonizowaną (DI). Zamontuj strzykawkę na programowalnej pompie strzykawkowej i naciskaj przycisk przewijania do przodu , aż woda zacznie wypływać z końcówki strzykawki.
      2. Wytnij i podłącz kawałek rurki z politetrafluoroetylenu (PTFE) o długości 50 cm (średnica wewnętrzna 0,3048 mm, średnica zewnętrzna 0,762 mm) do końcówki strzykawki 27 G o długości 1,27 cm i średnicy zewnętrznej 0,4064 mm. Za pomocą pęsety wsuń rurkę na końcówkę strzykawki i pociągnij w dół.
         UWAGA: Wykonaj małe nacięcie o średnicy około 1 mm, aby zapewnić szerszy obszar otworu w rurki PTFE i wprowadź do niego końcówkę strzykawki, jak pokazano na rysunku 2.
      3. Napełnij końcówkę strzykawki podłączoną do rurki wodą demineralizowaną, tak aby przy otworze utworzyła się wypukła menisk.
      4. Przymocować końcówkę do szklanej strzykawki zamontowanej na pompie, upewniając się, że w strzykawce lub końcówce strzykawki nie tworzą się pęcherzyki powietrza.
      5. Ustawić pompę strzykawkową tylko na infuzję. Wprowadzić typ i rozmiar strzykawki jako 0,5 ml.
   2. Konfiguracja panelu świetlnego
      1. Podłącz panel świetlny i umieść go w pobliżu krawędzi stołu laboratoryjnego. Jest to powierzchnia, na której zostanie przyklejony mikrokanał i nastąpi przebieg eksperymentalny.
      2. Włącz panel światła na najwyższy tryb jasności. Zapewnienie spójnego oświetlenia w obszarze, w którym prowadzone są eksperymenty, jest niezbędne, ponieważ każda zmiana wpływa na uchwycenie obrazu przez kamerę.
      3. Przyklej chip mikroprzepływowy zmontowany w kroku 2.5 do panelu świetlnego za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2.54 cm.
         UWAGA: Przyklej kanał taśmą na tyle blisko krawędzi stołu laboratoryjnego, aby można go było sfotografować za pomocą konfiguracji aparatu opisanej w kroku 2.6.3. W tej eksperymentalnej konfiguracji taka odległość wynosi 1 cm.
   3. Konfiguracja kamery
      1. Włóż bezpieczną kartę cyfrową (SD) do lustrzanki cyfrowej i użyj baterii wtykowej do zasilania aparatu. Zamontuj w aparacie obiektyw makro 20 mm f/2. Podłącz aparat do zdalnego wyzwalacza.
      2. Ustaw statyw i zamontuj aparat tak, aby obiektyw makro znajdował się nad eksperymentem, skierowany w dół. Użyj poziomicy, aby upewnić się, że obiektyw makro jest ustawiony równolegle do obszaru zainteresowania kanału.
      3. Wyśrodkuj widok kamery na punkcie przechwytywania wyciętym w taśmie poliimidowej. Kamera powinna znajdować się co najmniej 1 cm nad panelem świetlnym, aby mogła uchwycić zarówno cięcie punktu przechwytywania, jak i widok z szerokiego kanału. Obrazy będą rejestrowane w ustalonej lokalizacji za lokalizacją wlotu znacznika.
      4. Włącz aparat i ustaw go w trybie ręcznym z czasem otwarcia migawki 1/100 s i ISO 800. Ustaw jakość obrazu na JPEG Fine , a rozmiar obrazu na Large. Ustaw balans bieli na Fluorescencyjny 2. Otwórz opcje obszaru zdjęcia i ustaw obszar obrazu na DX (24x16). Obiektyw makro jest ustawiony na F2.6 z powiększeniem ×4.
      5. Zaprogramuj aparat za pomocą zdalnego spustu, aby robić zdjęcia co 1 s.
         UWAGA: Zgłaszane ustawienia aparatu są oparte na warunkach otoczenia i będą się zmieniać w zależności od oświetlenia otoczenia, aparatu, obiektywu itp.
7. Przygotowanie znacznika
   1. Odmierzyć 0,60 g sproszkowanej soli sodowej fluoresceiny, aby przygotować roztwór znacznikowy. Rozcieńczyć proszek w 1 litrze wody destylowanej w celu uzyskania pożądanego stężenia barwnika (stężenie 0,6 g/l).
      UWAGA: Zastosowany barwnik i jego stężenie można zmienić w zależności od potrzeb. Należy jednak sprawdzić, czy istnieje liniowa zależność między intensywnością a stężeniem znacznika. W tym przypadku udało się to osiągnąć poprzez obrazowanie próbek w warunkach eksperymentalnych o różnych znanych stężeniach i wysokościach kanałów. Stężenie soli sodowej fluoresceiny wynoszące 0,6 g/l zostało wybrane tak, aby mieściło się w zakresie wytwarzającym zależność liniową podczas wykreślania wartości intensywności kanału niebieskiego z pełnego obrazu czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB). Zdjęcie kompletnej konfiguracji eksperymentalnej pokazano na rysunku 3. Rysunek 4 przedstawia diagramy konfiguracji eksperymentalnej w widoku z góry ( Rysunek 4A) i z boku ( Rysunek 4B).

3. Przebieg eksperymentalny

1. Instalacji
   1. Nałóż warstwę taśmy klejącej na otwór wlotowy znacznika, aby zapobiec wypływaniu, upewniając się, że jedna strona jest złożona w celu ułatwienia usunięcia.
   2. Uruchom programowalną pompę strzykawkową, aby zalać mikrokanał wodą DI o bardzo wolnym przepływie.
      UWAGA: W przypadku mikrokanału o wymiarach wys. x szer. x dł. = 100 μm x 400 μm x 18,77 cm należy użyć objętościowego natężenia przepływu 2,4 μl/min (co odpowiada natężeniu przepływu 0,1 cm/s).
   3. Gdy zalanie zakończy się po około 5 minutach, upewnij się, że nie utworzyły się pęcherzyki powietrza.
      UWAGA: Jeśli tworzą się pęcherzyki powietrza, których nie można usunąć po prostu wydłużając czas zalania, usuń wodę dejonizowaną i przepłucz mikrokanał niewielką ilością etanolu lub innego płynu o niskiej kohezji i niskim napięciu powierzchniowym. Następnie szybko ponownie zalej kanał wodą dejonizowaną, upewniając się, że najpierw dobrze go przepłukałeś, aby nie pozostał etanol.
   4. Wyłączyć pompę strzykawkową.
2. Warunek początkowy
   1. Napełnij końcówkę mikropipety o pojemności 0,5 μl znacznikiem zmieszanym z krokiem 2.7.
   2. Oderwij osłonę taśmy od otworu wlotowego znacznika za pomocą złożonej zakładki. Używając rogu chusteczki o niskiej ilości kłaczków, delikatnie usuń wodę DI z otworu wlotowego znacznika i odczekaj 30 sekund, aby zagwarantować stabilizację frontów wody DI.
   3. Po upływie tego czasu wylej zawartość mikropipety do otworu wlotowego. Natychmiast ponownie uszczelnij otwór, wygładzając na nim taśmę, używając minimalnego nacisku płynnym ruchem.
      UWAGA: Ten krok tworzy warunek początkowy znacznika. Zanim będzie można rozpocząć przebieg eksperymentalny, znacznik będzie musiał dyfundować w przekroju poprzecznym mikrokanału.
   4. Poczekaj_>pewien czas, aż bolus znacznikowy zacznie dyfundować przez przekrój poprzeczny mikrokanału.
      UWAGA: Oblicz czas dyfuzji wzdłuż szerokości kanału jako t_wd = (w/2)²/κ, gdzie κ jest współczynnikiem dyfuzji molekularnej znacznika (cm²/s), a w/2 jest połową szerokości mikrokanału. Zakładając, że znacznik zostanie wstrzyknięty w środek kanału, najdalej będzie musiał przebyć, aby dotrzeć do ściany w tym okresie oczekiwania, to połowa jego szerokości. Ten sposób obliczania czasu oczekiwania, t_w, można uogólnić na dowolny przekrój z odpowiednim doborem długości charakterystycznej. W przedstawionych tutaj reprezentatywnych wynikach czas oczekiwania wynosi w przybliżeniu t_w = 14 s dla w = 400 μm, a h = 100 μm.
3. Płynąć
   1. Upewnij się, że pompa strzykawkowa jest ustawiona na żądane objętościowe natężenie przepływu.
   2. Jednocześnie uruchomić pompę strzykawkową i aktywować zdalny spust. Eksperyment trwał 5 minut, robiąc zdjęcia z prędkością 1 klatki na sekundę.
      UWAGA: Objętościowe natężenie przepływu 2,4 μl/min odpowiada natężeniu przepływu 0,1 cm/s w mikrokanaliku o w = 400 μm i wysokości h = 100 μm (współczynnik kształtu: λ = 1/4).

4. Przetwarzanie danych

1. Wyjmij kartę pamięci z aparatu i pobierz obrazy do komputera z oprogramowaniem do przetwarzania obrazu, które ma być używane do analizy.
2. Eksperymentalne przetwarzanie danych
   UWAGA: Pliki kodu używane do przetwarzania danych znajdują się w pliku uzupełniającym 5.
   1. Uruchom dostarczone pliki przetwarzania danych. Na ekranie pojawi się obraz zarejestrowany przez lustrzankę cyfrową. Kliknij i przeciągnij prostokątny obszar, wyrównując jego wysokość z odległością między ściankami mikrokanału.
   2. Jeśli poziome boki prostokąta nie są idealnie wyrównane ze ściankami mikrokanału, obraz należy obrócić. Najedź kursorem na róg prostokąta, kliknij i obróć go tak, aby jego poziome ściany były równoległe do ścian mikrokanału. Naciśnij dowolny, aby kontynuować; wyskakujące okienko zdjęcia zamyka się i otwiera ponownie po obróceniu, jak pokazano na rysunku 5A.
   3. Kliknij i przeciągnij kwadratowy obszar o boku o długości odpowiadającej odległości między ścianami mikrokanału i wyśrodkowany w punkcie przechwytywania. Będzie to obszar zainteresowania dla akwizycji danych, pokazany na rysunku 5B; Każdy obraz w sekwencji zostanie przycięty przy użyciu tego samego regionu. Naciśnij dowolny, aby kontynuować; Wyskakujące okienko obrazu zostanie zamknięte.
   4. Dla każdego piksela przyciętego obszaru wyodrębnij kanał niebieski z pełnego obrazu RGB (Rysunek 5C) i odwróć go, odejmując jego wartość od 255, maksymalnej wartości kanału koloru (Rysunek 5D).
      UWAGA: Wybierz kanał niebieski ("B" z pełnego RGB), ponieważ najlepiej nadaje się do uchwycenia intensywności barwnika fluoresceinowego podczas próby odróżnienia obszaru kanału od granicy taśmy poliimidowej z używanym źródłem światła⁶.
   5. Oblicz średnią wartość intensywności odwróconego kanału niebieskiego dla przyciętego obszaru.
   6. Powtórz kroki 4.2.4-4.2.5 dla wszystkich pozostałych obrazów, aby wyodrębnić i zapisać średnią wartość intensywności odwróconego kanału niebieskiego dla przyciętego obszaru na każdym zdjęciu. W ten sposób powstaje szereg czasowy dla średniej intensywności odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania.
3. Ekstrapolowane dopasowanie
   1. Wbudowany nieliniowy przybornik curveFitter w kodzie przyjmuje jako dane wejściowe średnią intensywność szeregu czasowego odwróconego kanału niebieskiego utworzonego w kroku 4.2.6 i tworzy dopasowanie przy użyciu niestandardowego równania:
      (1)
      W kodzie zastosowano nieliniowe podejście najmniejszych kwadratów w celu obliczenia najlepszego dopasowania dla czterech parametrów: h₃, x₁, K i h₄. Tutaj h₄ jest poprawką na eksperymentalną intensywność bazową mierzoną, gdy mikrokanał jest wypełniony wodą DI. Parametr K to eksperymentalny zwiększony współczynnik dyspersji.
      UWAGA: Równanie (1) jest zaadaptowane z przewidywania teorii dyspersji Taylora dla ewolucji stężenia znacznika w czasie ^2,5,9 przedstawionego w reprezentatywnych wynikach jako równanie (2).

Wyniki

Etapy wytwarzania chipów mikroprzepływowych pokazano na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiamy sugerowane kroki podłączania rurki PTFE do końcówki strzykawki służącej do wstrzykiwania przepływu tła wody dejonizowanej (DI) do chipa mikroprzepływowego przez programowalną pompę strzykawkową. Rysunek 3 zawiera oznaczone zdjęcie kompletnej konfiguracji eksperymentalnej. Rysunek 4 zawiera schematy widoku z góry (Rysunek 4A) i widoku z boku (Rysunek 4B) konfiguracji eksperymentalnej, podkreślające względne położenie układu mikroprzepływowego i kamery. Rysunek 5 przedstawia sekwencję operacji zastosowanych do obrazów eksperymentalnych podczas fazy przetwarzania danych w protokole. Na rysunku 5A pokazujemy, w jaki sposób kod wyrównuje mikrokanał w poziomie (w razie potrzeby), następnie rysunek 5B pokazuje kadrowanie kwadratowego obszaru zainteresowania wyśrodkowanego wokół punktu przechwytywania i z długością boku ustawioną przez szerokość mikrokanału, w. Rysunek 5C izoluje kanał niebieski od pełnego obrazu RGB w przyciętym obszarze zainteresowania, a na końcu rysunek 5D pokazuje odwróconą wartość intensywności dla kanału niebieskiego przyciętego obszaru, uzyskaną przez odjęcie go od 255 (maksymalna intensywność dla każdego kanału koloru).

Rysunek 6 nakłada na siebie wyniki z jednego przebiegu eksperymentalnego (przerywane) z odpowiadającym im ekstrapolowanym pasowaniem (bryłowym). W tym przypadku każdy punkt danych eksperymentalnych jest uśrednioną wartością intensywności odwróconego kanału niebieskiego obliczoną za pomocą etapów przetwarzania danych pokazanych na rysunku 5. W ustalonym punkcie przechwytywania poniżej wlotu znacznika, teoria dyspersji Taylora ^2,5,9 przewiduje, że ewolucja stężenia znacznika w czasie jest opisana przez:

  (2)

gdzie C(t) jest uśrednionym stężeniem znacznika w przekroju poprzecznym (g/l), co do którego sprawdzono, że jest liniowo związane ze zmierzoną intensywnością znacznika; C₀ to początkowe stężenie znacznika (g/L), U to natężenie przepływu (cm/s), t to czas (s), a x (cm) to współrzędna osiowa w kanale w odniesieniu do miejsca wtrysku znacznika. K to zwiększony współczynnik dyspersji znacznika (cm² / s) ze względu na wzajemne oddziaływanie adwekcji i dyfuzji molekularnej. Wprowadzamy parametry eksperymentalne i używamy nieliniowej aplikacji do dopasowywania krzywych (curveFitter) w kodzie, aby znaleźć najlepszą wartość dopasowania dla K. Trzy klatki doświadczalne dla czasu t = 140 s, 150 s i 200 s są pokazane obok krzywych doświadczalnych (przerywanych) i dopasowanych (stałych) wytworzonych dla jednego przebiegu doświadczalnego przy natężeniu przepływu U = 0,1 cm/s w mikrokanale o długości 18,77 cm i proporcjach λ = 1/4; odpowiada to numerowi Peclet Pe 88. W tym przypadku znacznik składa się z 0,6 g/l soli sodowej fluoresceiny rozcieńczonej w wodzie DI o współczynniku dyfuzji molekularnej podawanym w literaturze^jako κ = 5,70 x ^10-6 cm²/s. Wszystkie eksperymenty opisane w tym manuskrypcie przeprowadzono w temperaturze pokojowej 22 °C.

Eksperymentalny współczynnik zwiększonej dyspersji, K, może być wykorzystany do porównania ważności naszej eksperymentalnej konfiguracji i protokołu poprzez obliczenie powiązanej wielkości - współczynnika dyspersji ^2,5,9,12, f. Ten parametr zależy od geometrii kanału i jest obliczany jako ^5,12,13:

  (3)

gdzie κ jest współczynnikiem dyfuzji molekularnej znacznika (cm²/s), a h/2 jest wybraną długością charakterystyczną. Liczba Pécleta jest niewymiarowym parametrem określającym ilościowo stosunek efektów adwekcyjnych do dyfuzyjnych, Pe = Uh/(2κ). Rysunek 7 pokazuje dobrą zgodność między wynikami współczynnika dyspersji z przebiegów eksperymentalnych w mikrokanałach o prostokątnych przekrojach o trzech różnych proporcjach i natężeniach przepływu, a teoretycznym zachowaniem współczynnika dyspersji ^5,12,13.

Rysunek 1: Wytwarzanie chipów mikroprzepływowych. (A) Projekt górnego arkusza poliestru chipa o wymiarach 21 x 5 cm. Trzy otwory są wycinane przez biurkowy nóż rzemieślniczy, od lewej do prawej, aby służyć odpowiednio jako wlot przepływu, wlot znacznika i wylot przepływu. (B) Projekt mikrokanału poliimidowego o długości 18,77 cm z punktem wychwytywania 15 cm poniżej wlotu znacznika. (C) Widok rozstrzelony zespołu chipów mikroprzepływowych, od dołu do góry: dolna warstwa poliestru, warstwa mikrokanalików poliimidowych, górna warstwa poliestru z uszczelką poliamidową i portem wydrukowanym w 3D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat przedstawiający sposób podłączenia rurki PTFE do końcówki strzykawki. Średnica wewnętrzna rurki wynosi 0,3048 mm, a średnica zewnętrzna końcówki strzykawki 27 G wynosi 0,4064 mm, więc wykonanie małego cięcia o średnicy około 1 mm (po lewej) może być pomocne w zapewnieniu szerszego obszaru otworu do prowadzenia końcówki strzykawki (środek). Użyj pęsety, aby włożyć rurkę na końcówkę strzykawki i pociągnij w dół (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Oznaczone zdjęcie zestawu eksperymentalnego. Od lewej do prawej: lustrzanka cyfrowa z obiektywem makro 20 mm f/2 jest zamontowana na statywie skierowanym w dół, aby uchwycić mikrokanał przyklejony do podświetlanego panelu świetlnego. Szklana strzykawka o pojemności 0,5 ml podłączona do mikrokanalika za pomocą rurki PTFE jest umieszczona na programowalnej pompie strzykawkowej. Zdalny spust służy do aktywacji kamery podczas przebiegów eksperymentalnych. Mikropipeta służy do generowania stanu początkowego znacznika, zgodnie z opisem w kroku 3.2 protokołu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Schematy konfiguracji eksperymentalnej (nie w skali). (A) Widok z góry, od lewej do prawej: programowalna pompa strzykawkowa wyposażona w szklaną strzykawkę o pojemności 0,5 ml; Rurka PTFE łącząca pompę strzykawkową z chipem mikroprzepływowym; chip mikroprzepływowy przyklejony do lekkiego panelu w odległości 1 cm od krawędzi; mikropipeta służąca do wstrzykiwania roztworu znacznikowego przez otwór wlotowy znacznika; Lustrzanka cyfrowa z obiektywem makro zamontowanym na statywie zadrukowaną w dół, aby wykadrować punkt uchwycenia. (B) Widok z boku, od lewej do prawej: rurka PTFE łącząca pompę strzykawkową z chipem mikroprzepływowym; końcówka strzykawki i port wydrukowany w 3D na chipie mikroprzepływowym; mikropipeta służąca do wstrzykiwania roztworu znacznikowego przez otwór wlotowy znacznika; Lustrzanka cyfrowa z obiektywem makro zamontowanym ekranem do dołu 1 cm nad punktem przechwytywania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Etapy przetwarzania obrazu w dostarczonym kodzie (patrz plik uzupełniający 5). (A) Obrócony obraz eksperymentalny tak, aby mikrokanał był poziomy. Podziałka skali: 1000 μm. (B) Wybór kwadratu dla obszaru zainteresowania (ROI), który ma zostać przycięty, z długością boku dopasowaną do odległości między ściankami mikrokanału; tutaj 400 μm. (C) Przycięty ROI, w którym kanał niebieski jest wybrany z pełnego obrazu czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB). Pasek skali: 200 μm. (D) Odwrócony niebieski kanał dla przyciętego ROI. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Uśredniona w przekroju poprzecznym intensywność znacznika w funkcji czasu w punkcie przechwytywania kamery dla znacznika fluoresceiny (przerywanego) nałożonego na ekstrapolowane dopasowanie krzywej (pełne). Próbę przeprowadzono z 0,6 g/l soli sodowej fluoresceiny w znaczniku wodnym DI, na mikrokanale o długości 18,77 cm i współczynniku kształtu λ = 1/4, przy natężeniu przepływu 0,1 cm/s i Pe 88. Intensywność odwróconego kanału niebieskiego dla trzech eksperymentalnych klatek w czasie 140 s (niebieski), 150 s (pomarańczowy) i 200 s (zielony) jest pokazany powyżej wykresu z jasnością podwojoną dla przejrzystości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Współczynnik dyspersji a proporcje mikrokanałów. Porównanie wartości teoretycznych (krzywa niebieska) i doświadczalnych (czarne punkty danych) dla współczynnika dyspersji, f. Krzywą teoretyczną uzyskuje się za pomocą wbudowanego solvera równań różniczkowych cząstkowych metodą elementów skończonych w Wolfram Mathematica (NDSolve)¹². Pokazujemy średnią i odchylenie standardowe danych eksperymentalnych dla: czterech prób z λ = 0,1 i natężeniem przepływu 0,02 cm/s; dwanaście prób z λ = 0,25 i natężeniami przepływu 0,05 cm/s (cztery), 0,1 cm/s (cztery) i 0,2 cm/s (cztery); Cztery próby z λ = 0,5 i natężeniem przepływu 0,1 cm/s. Wszystkie doświadczenia przeprowadzono na mikrokanalikach o długości 6,07 cm (z punktem wychwytywania 3 cm poniżej wlotu znacznika); Wyniki zostały następnie porównane na mikrokanałach o długości 18,77 cm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Plik uzupełniający 1: Plik .sdlprt dla portu Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2: . Plik szablonu DXF górnej warstwy chipa. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 3: . Plik szablonu DXF uszczelek wiórowych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 4: . Plik szablonu DXF mikrokanału chipa. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 5: Pliki kodu MATLAB używane do przetwarzania danych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

W niniejszym raporcie przedstawiliśmy powtarzalną i dostępną konfigurację eksperymentalną i protokół adaptacji eksperymentu dyspersji Taylora do skali mikroprzepływowej. Wykorzystujemy istniejącą technikę kserograficzną⁵ do produkcji naszych mikrokanałów we własnym zakresie przy niskich kosztach przy użyciu druku 3D i stacjonarnego obcinacza rzemieślniczego. Obecny standard branżowy w produkcji mikrokanałów obejmuje tworzenie form wzorcowych, w których można odlewać kanały. W porównaniu z techniką omówioną w tym manuskrypcie, metody te mogą mieć znacznie lepszą rozdzielczość kanału i rozmiar funkcji (niektóre nawet 0,1 μm), ale mają wadę w postaci znacznie wyższych kosztów ogólnych, sięgających nawet dziesiątek tysięcy USD¹⁴. Oprócz początkowych kosztów ogólnych, każda zmiana cech konstrukcyjnych kanału wymaga zarówno stworzenia nowej formy wzorcowej, jak i utwardzania nowych kanałów, co wydłuża czas przestoju. Natomiast koszt początkowy sprzętu do produkcji kanałów użytego w tym raporcie wynosi około 300 USD; Jest to porównywalne z najtańszym sposobem produkcji formy wzorcowej (takim jak techniki oparte na polidimetylosiloksanach (PDMS), ale ma tę zaletę, że zmiany w konstrukcji kanałów i drukowanie nowych kanałów zajmują znacznie mniej czasu przy zachowaniu chropowatości powierzchni porównywalnej z wiodącymi technikami produkcji dla kanałów o szerokości 200 μm⁵. Jesteśmy w stanie wyciąć chip mikroprzepływowy w mniej niż 5 minut i za mniej niż 1 USD.

W tym protokole dane są rejestrowane w ustalonym punkcie przechwytywania za wlotem znacznika poprzez obrazowanie w jasnym polu za pomocą lustrzanki cyfrowej zamontowanej z obiektywem makro. Chociaż protokół został opracowany przy użyciu roztworu soli sodowej fluoresceiny w wodzie dejonizowanej (DI), ta metoda obrazowania ma zastosowanie do innych rodzajów barwników, takich jak barwniki spożywcze, o ile istnieje liniowa zależność między intensywnością a stężeniem znacznika. Potencjalny zakres stosowanych substancji chemicznych można jeszcze bardziej rozszerzyć, biorąc pod uwagę ich widmo absorpcyjne i oświetlenie tła. Zauważamy jednak, że niektóre barwniki spożywcze pochodzą z materiałów roślinnych i mogą zawierać więcej niż jeden gatunek chemiczny; Należy zachować ostrożność przy wyborze barwnika spożywczego, który ma być użyty, aby uniknąć sprzecznych wyników.

Poprawność tego układu i protokołu zweryfikowano poprzez obliczenie eksperymentalnego współczynnika dyspersji, f, dla zmiennego współczynnika kształtu kanału i eksperymentalnego natężenia przepływu, oraz porównanie go z jego teoretycznymi wartościami dla mikrokanałów o przekrojach prostokątnych, jak pokazano na rysunku 7. Obliczyliśmy również współczynnik dyfuzji κ dla jednogatunkowych znaczników pasywnych w tych różnych warunkach eksperymentalnych. Tabela 1 przedstawia współczynnik dyfuzji molekularnej soli sodowej fluoresceiny otrzymanej w wyniku tego badania doświadczalnego. W szczególności tabelaryczne wartości κ zostały obliczone z równania (3) przy użyciu eksperymentalnych dopasowań dla zwiększonego współczynnika dyspersji, K i teoretycznych wartości dla współczynnika dyspersji, f. Podajemy średnie wartości dla czterech eksperymentów na mikrokanałach o różnych proporcjach (λ = 0,1, 0,25 i 0,5) i natężeniach przepływu (0,05, 0,1 i 0,2 cm/s). Dla każdego z nich uwzględniamy również błąd względny w odniesieniu do wartości teoretycznej^10,11, κ = 5,70 x ^10-6 cm 2/s, co świadczy o dokładności naszej metody. Na koniec, dla każdego zestawu parametrów eksperymentalnych podajemy liczbę Pécleta i niewymiarowy zakres czasu zdefiniowany przez podzielenie czasu wymiarowego t, gdy krzywa intensywności doświadczalnej odbiega od linii podstawowej, przez czas dyfuzji t_d = h²/(4κ). Uwzględniamy niezwymiarowany eksperymentalny zakres czasowy, aby pokazać, że nasz system wszedł w reżim dyspersji Taylora i dlatego może być dobrze przybliżony przez profil Gaussa¹⁵. W rzeczywistości czasy obserwacji podane w dwóch ostatnich kolumnach tabeli 1 są około 2-5 (lub więcej) razy dłuższe niż czas dyfuzji t_d.

Następnie rozszerzyliśmy protokół, aby zbadać wielogatunkową interakcję jonową i separację. Poniżej przedstawiamy nasze wyniki z zastosowania eksperymentu dyspersji Taylora do wielogatunkowego roztworu elektrolitu wykonanego przez zmieszanie soli sodowej fluoresceiny i niebieskiego barwnika spożywczego w wodzie DI. Rysunek 8 przedstawia ewolucję w czasie krzywych intensywności odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania kamery dla trzech substancji rozpuszczonych: niebieskiego roztworu barwnika spożywczego w wodzie DI (–), roztworu soli sodowej fluoresceiny w wodzie DI (...) oraz mieszanego niebieskiego barwnika spożywczego i roztworu soli sodowej fluoresceiny w wodzie DI (----). Każda krzywa jest średnią z pięciu prób eksperymentalnych z jednym odchyleniem standardowym w każdym kierunku (cieniowanie). Krzywe pokazują, że eksperymenty z samym niebieskim barwnikiem spożywczym (–) osiągnęły najpierw minimum, w porównaniu ze skalą czasową maksimum dla eksperymentów z solą sodową fluoresceiny (...). Jest to zgodne z faktem, że sól sodowa fluoresceiny ma współczynnik dyfuzji molekularnej o jeden rząd wielkości mniejszy niż w przypadku niebieskiego 1, składnika barwnika do niebieskiego barwnika spożywczego¹⁶. Eksperymenty z roztworem mieszanym (----) podkreślają tę różnicę w skali czasowej i wynikającą z niej separację jonów widoczną poprzez zmianę wklęsłości w profilu intensywności; Krzywa najpierw zanurza się poniżej linii bazowej, a następnie skręca w górę i osiąga szczyt powyżej linii bazowej. Na rysunku 9 wykreślamy tę samą krzywą intensywności odwróconego kanału niebieskiego w roztworze mieszanym (----) nałożoną na krzywą uzyskaną przez zsumowanie indywidualnych wkładów eksperymentów z niebieskim barwnikiem spożywczym i eksperymentów z solą sodową fluoresceiny (+++). Różnica między tymi dwiema krzywymi podkreśla wpływ, jaki oddziaływanie jon-jon wywiera na krzywą intensywności roztworu mieszanego. Po prostu dodając dwa indywidualne wkłady substancji rozpuszczonej, krzywa (+++) przedstawia głębsze minimum napędzane silnym wkładem roztworu niebieskiego barwnika poniżej linii podstawowej (pokazanego jako – na rysunku 8), zanim wklęsłość zmieni się w dłuższej skali czasowej w porównaniu z krzywą roztworu mieszanego (----). Wreszcie, krzywa sumy pokazuje ponownie wyższy pik powyżej linii podstawowej w porównaniu z krzywą mieszaną, ze względu na zachowanie roztworu soli sodowej fluoresceiny (pokazane jako ... na rysunku 8). Łagodniejsze pikowanie wraz ze skróceniem skali czasowej wskazuje na interakcję między niebieskim barwnikiem spożywczym a jonami soli sodowej fluoresceiny.

Profile intensywności na rys. 6, rys. 8 i rys. 9 wykazują skośność; Może to wynikać z kilku różnic między klasyczną teorią dyspersji Taylora ^2,5,9 a wielkością zmierzoną w eksperymentach. Profil stężeń przewidywany za pomocą równania (2) jest symetryczny w przestrzeni, ale w naszym układzie eksperymentalnym pomiar jest wykonywany w ustalonym punkcie wychwytywania poniżej miejsca wstrzyknięcia znacznika w funkcji czasu. Patrząc na to jako funkcję czasu, wynikowy profil jest z natury zniekształcony. Ta asymetria czasowa jest zgodna z obserwacjami zgłoszonymi w poprzednich badaniach, w tym Taylor i Harris (2019)⁵. Inną możliwą przyczyną skośności jest wpływ skończonego obszaru eksperymentalnego okna przechwytywania obrazu. Możliwa alternatywa dla dopasowania Gaussa opisanego w równaniu (1) polega na dopasowaniu danych eksperymentalnych do całki wyrażenia Gaussa w równaniu (2) nad skończonym obszarem przechwytywania obrazu (w x), jak to zrobiono w Bharadwaj, Santiago i Mohammadi (2002)¹⁷. Ten wpływ na skośność staje się szczególnie istotny, gdy rozmiar pola przechwytywania jest porównywalny z odchyleniem standardowym krzywej Gaussa; tutaj długość naszego okna przechwytywania jest zawsze co najmniej o jeden rząd wielkości mniejsza niż odchylenie standardowe Gaussa.

Ta tania metoda eksperymentalna zapewnia przystępne podejście do eksperymentu dyspersji Taylora w mikroskali. Najdelikatniejszym krokiem w protokole jest wyprodukowanie i usunięcie negatywu mikrokanałowego. Podczas procesu produkcyjnego należy zachować szczególną ostrożność, aby upewnić się, że kanał jest bezpieczny przed cięciem, aby zapobiec błędnym cięciom. Podczas usuwania negatywu upewnij się, że nie pozostał żaden materiał i unikaj kontaktu ze ściankami bocznymi kanału, które muszą być gładkie, równoległe i proste, aby zapewnić wiarygodne wyniki eksperymentalne. Ograniczeniem tej metody jest nieodłączny limit rozdzielczości ksurografii. W tym manuskrypcie najtrudniejszymi do wyprodukowania kanałami są te o szerokości w = 200 μm (i proporcjach λ = 0,5), które przekraczały granicę rozdzielczości frezu rzemieślniczego⁵. Główną przyczyną błędu jest silnik krokowy stosowany przez przecinarkę rzemieślniczą, który porusza ostrzami w określonych krokach w oparciu o mechaniczne koła zębate. Gdy projekty wymagają, aby cięcia znajdowały się między zdefiniowanym stopniem, wprowadzany jest większy błąd. Szczegółowe prace identyfikujące granice rozdzielczości tej metody ksurografii są dostępne w literaturze⁵.

Ta procedura eksperymentalna zapewnia prosty sposób obliczania zwiększonego współczynnika dyspersji K i współczynnika dyfuzji molekularnej κ dla jednogatunkowych znaczników pasywnych. Ponadto protokół oferuje prosty sposób wizualizacji dynamiki interakcji i separacji między gatunkami jonów. Biorąc pod uwagę dostępność i wszechstronność platformy, metoda ta jest odpowiednia do analizy dynamiki między gatunkami jonów i dalszego zrozumienia złożonych wzajemnych oddziaływań zjawisk transportowych i może być z łatwością stosowana w zastosowaniach takich jak mikromikser.

					Czas niewymiarowy
Współczynnik kształtu, λ	Natężenie przepływu (cm/s)	Eksperymentalne κ (cm2/s)	Błąd względny	Numer Péclet (Pe)	tmin/td	tmax/td
0.1	0.02	5,813 x 10-6 ± 3,797 x 10-7	1.982 x 10-2	~ 18	~ 30	~ 52
0.25	0.05	5.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-7	6.443 x 10-2	~ 44	~ 11	~ 27
0.25	0.1	5.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-7	7.838 x 10-3	~ 88	~ 6	~ 16
0.25	0.2	5,978 x 10-6 ± 1,724 x 10-7	4.884 x 10-2	~ 175	~cyfra arabska	~ 10
0.5	0.1	5.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-7	4.496 x 10-2	~ 88	~ 6	~ 16

Tabela 1: Eksperymentalny współczynnik dyfuzji molekularnej (κ) dla soli sodowej fluoresceiny. Wyniki oblicza się na podstawie równania (3) przy użyciu dopasowań doświadczalnych dla zwiększonego współczynnika dyspersji, K, i teoretycznych wartości dla współczynnika dyspersji, f. Każdy wiersz podaje średnią wartość κ (i związane z nią odchylenie standardowe) dla czterech eksperymentów na mikrokanałach o określonym współczynniku proporcji (λ = 0,1, 0,25 lub 0,5) i natężeniu przepływu (0,05, 0,1 lub 0,2 cm/s). Dla każdego z nich uwzględniamy błąd względny w odniesieniu do wartości teoretycznej^10,11, κ = 5,70 x ^10-6 cm 2/s, aby wykazać dokładność naszej metody. Dodatkowo dla każdego wiersza podajemy doświadczalną liczbę Pécleta i niewymiarowy zakres czasu zdefiniowany przez podzielenie czasu wymiarowego t, gdy krzywa intensywności doświadczenia odbiega od linii podstawowej, przez czas dyfuzji t_d = h²/(4κ).

Rysunek 8: Ewolucja w czasie uśrednionej intensywności znacznika odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania kamery dla trzech znaczników. Ewolucja w czasie uśrednionej intensywności znacznika odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania kamery dla trzech znaczników: roztworu niebieskiego barwnika spożywczego w wodzie demineralizowanej (przy stosunku stężeń barwnika spożywczego: DI = 1:20 ml, –), roztworu soli sodowej fluoresceiny w wodzie demineralizowanej (przy stężeniu 0,6 g/L, ...) oraz roztworu mieszanego zawierającego zarówno niebieski barwnik spożywczy, jak i sól sodową fluoresceiny o takich samych stężeniach, jak w ich indywidualnych doświadczeniach znacznikowych (----), tj. niebieski barwnik spożywczy: DI = 1:20 ml i 0,6 g/l fluoresceiny. Każda krzywa jest średnią z pięciu prób eksperymentalnych z jednym odchyleniem standardowym w każdym kierunku (cieniowanie). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Ewolucja w czasie uśrednionej intensywności znacznika odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania kamery dla roztworu mieszanego. Ewolucja w czasie uśrednionej intensywności znacznika odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania kamery dla roztworu mieszanego zawierającego niebieski barwnik spożywczy i sól sodową fluoresceiny (----) z niebieskim barwnikiem spożywczym: DI = 1:20 ml i 0,6 g/l fluoresceiny oraz krzywa sumy (+++) łącząca intensywność eksperymentów z niebieskim roztworem barwiącym żywność (krzywa bryła na rysunku 8, –) i eksperymenty z roztworem soli sodowej fluoresceiny (krzywa przerywana na rysunku 8, ...). Krzywa mieszana jest średnią z pięciu prób eksperymentalnych z jednym odchyleniem standardowym w każdym kierunku (cieniowanie). Odchylenie standardowe krzywej sumy oblicza się, biorąc pierwiastek kwadratowy z sumy odchyleń standardowych podniesionych do kwadratu z doświadczeń dla każdego poszczególnego roztworu znacznikowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Pipeta o regulowanej objętości, 0,5 cala 10 μ L	MUHWA	B08TBPMKZL	Zamieniony w stół
Mata do cięcia Cameo, 12 x 12 cali	Sylwetka Ameryka	8.19177E+11	Używana funkcja aphabetize w tabeli
Bateria wtykowa aparatu	NOWSZE	B0B5WY8T96	usunięto porty drukowane w 3D
Statyw do aparatu	Awangarda	B00CCA1Y3S	dodano drukarkę 3D Form 2 dodano drukarkę 3D Form 2
Przezroczysta żywica V5	Laboratoria formowe	https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/	Żywica do druku 3D
Akcelerator kleju cyjanoakrylowego (CA)	Gwiezdna obligacja	B00BUVAZ5S	Dodano również żywicę
Lustrzanka cyfrowa	Nikon	Zobacz materiał D500	Dodano oprogramowanie drukarki
Oprogramowanie do obsługi tablic rozdzielczych	Laboratoria formowe	https://formlabs.com/software/dashboard/	Oprogramowanie do druku 3D dodano CAD solidworks
Dejonizowana	N/A	N/A	Dodano Matlab
Ściemnialny panel świetlny LED	Kaiser Fototechnik	202455	Slimlite Plano 5000K 19,6 x 13,8 cala zmienił(a) numer partii FSS na numer katalogowy
Dwustronna taśma poliimidowa, rolka 1 cal x 36 jardów	Bertech (Przedsiębiorstwo Bertech	B00HFN6E0K
Barwnik soli sodowej flouresceiny - 100 g	Sigma-Aldrich	5184A17
Drukarka 3D Form 2	Laboratoria formowe	https://formlabs.com/3d-printers/form-2/
Szklana strzykawka z końcówką Luer, 500 i mikro; L	Firma Hamilton	Numer części: 80801
Precyzyjna pęseta o szerokości 0,004 x grubości 0,002 cala	McMaster Carr	ECCN: EAR99	Standardowa spiczasta końcówka
Chusteczki KimWipes	Kimtech	B0013HT2QW	4,4 x 8,4 cala
Końcówki do pipet do pipet do cieczy, 1000 szt./worek	MUHWA	B07S1WJCHP	1 potrzebny na próbę eksperymentalną
Obiektyw makro 20 mm f/2	Mitakon Zhongyi	B075JRGWW1
Taśma maskująca, 0,70 cala x 54,6 jarda	Marka szkockiej	B00347A8E4
Oprogramowanie MATLAB, edycja 2023b	Matematyka	https://www.mathworks.com/products/matlab.html
Średni klej CA, 2 uncje	Gwiezdna obligacja	126150047	Wysokiej jakości klej cyjanoakrylowy Super Glue
Karta pamięci, 64 GB	Dysk San	‎ B09X7C7NCZ
Neonowe różne barwniki spożywcze i barwnik do jajek, 1.5 uncji	McCormick & Spółka, Inc.	B09PFV6275	Różowy, zielony i niebieski. Potrzebna jest tylko 1 fiolka niebieskiego barwnika spożywczego. Niebieskie składniki barwnika spożywczego: woda, glikol propylenowy, FD& C niebieski 1, propyloparaben (środek konserwujący).
Waga precyzyjna	Instrumenty laboratoryjne Sartorius	BCE224 - 1S	Entris® II Linia podstawowa. Służy do ważenia sproszkowanej soli sodowej fluoresceiny do mieszania znaczników.
Mikrorurki PTFE, średnica wewnętrzna 0,012" x średnica zewnętrzna 0,030"	Cole'a Parera	MP-00060882	Rurki transferowe z mikrootworami. Wymagane minimum: 50 cm.
Zdalny programowalny spust	Piksel Pro	TW-283DC0/DC2
Nożyczki	Amazonka	B01BRGUAT6
Taśma klejąca	Marka szkockiej	B01C5IHGJW
Silhouette Cameo 4 Craft Cutter	Sylwetka Ameryka	8.19177E+11
Sylwetka Cameo AutoBlade (Typ B)	Sylwetka Ameryka	8.19177E+11	2 potrzebne
Oprogramowanie Silhouette Studio Basic Edition w wersji 4.5	Sylwetka Ameryka	https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio	W przypadku importowania pliku . Pliki szablonów DXF dostarczane jako część plików uzupełniających w tej wersji oprogramowania, najpierw ustaw ustawienia importu oprogramowania tak, aby odczytywały rozmiar pliku "tak jak jest", klikając: Edytuj preferencje > > Importuj > DXF > Otwórz > tak, jak jest.
Miękka gumowa brayer, 4,75 x 1,75 x 6,62 cala	Speedball	B003IFY622
Oprogramowanie SOLIDWORKS, Education Edition	SOLIDWORKS (Solidworks)	https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
Standardowa pompa strzykawkowa do zaparzania/pobierania 11 elite	Aparatura Harvarda	70-4504
Końcówka strzykawki z blokadą Luer, rozmiar końcówki: 0,5 cala, rozmiar 27, przezroczysta	Metcal	B00F4B9W40	2 potrzebne
Ultra przezroczyste arkusze poliestrowe, 12 x 12 x 0,007 cala	Grafix	B001K7Q6Z0