Analiza niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym za pomocą mikroskalowej techniki Schliarenna
12 czerwca 2015
Tutaj opisujemy procedurę, która wykorzystuje technikę schlierena w mikroskali do pomiaru niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym. Dzięki kalibracji można wyprowadzić rozkład gradientu stężeń na podstawie obrazu mikro-schlierena.
Ogólnym celem tej procedury jest nieinwazyjny pomiar gradientu stężeń w urządzeniu mikroprzepływowym przy użyciu techniki mikroskalowej sch larin. Osiąga się to poprzez skonstruowanie najpierw mikroskalowego systemu sch larin z modulacyjnego mikroskopu kontrastowego Hoffmana. Zdejmij płytkę szczelinową kondensatora i zastąp modulator w tylnym ognisku obiektywu ostrzem noża.
Drugim krokiem jest zamontowanie mikrokanału T i rozpoczęcie procedury mieszania kalibracyjnego. Zobrazuj kanał T, aby uzyskać obrazy mikro schleina w skali szarości. Następnie porównaj obrazy z mikrolarina z symulacją obliczeniowej dynamiki płynów.
Aby znaleźć zależność między skalą szarości a gradientami stężeń, ostatnim krokiem jest załadowanie docelowego urządzenia mikroprzepływowego. Wykonaj mikro obraz mieszania Schleina i użyj krzywej kalibracyjnej, aby przekonwertować wartości skali szarości na gradienty stężeń. Ostatecznie, technika Schleina w mikroskali jest wykorzystywana do ilościowego pokazywania mieszania w jednorodności w urządzeniu mikroprzepływowym w czasie rzeczywistym.
Główną przewagą tej metody nad istniejącymi technikami, takimi jak obrazowanie fluorescencyjne lub cień, jest to, że umożliwia ona niestabilne pomiary gradientu stężeń, które ujawniają trójwymiarowość w jednorodności w urządzeniu do mikrocieczy. Tę procedurę zademonstruje dr A, świeżo upieczony doktorant z laboratorium. Pierwszym krokiem jest przygotowanie urządzenia mikroprzepływowego, które zostanie użyte w eksperymencie.
To urządzenie mikrokanałowe t zostało wyprodukowane przez formowanie polidimetylu Sloane. Schemat urządzenia przedstawia jego kanały zasilające i kanał konfluencji. Każdy kanał jest połączony z okrągłym obszarem, który będzie miejscem połączenia płynów.
Na potrzeby eksperymentu zamontuj urządzenie mikroprzepływowe na szklanym szkiełku i włóż rurki teflonowe. Aby wykonać płynne połączenia, odłóż urządzenie na bok. Przygotowując eksperyment, skonstruuj mikroskalowy system Schleina z modulacyjnego mikroskopu kontrastowego Hoffmana.
Przygotuj krawędź noża do umieszczenia w ścieżce optycznej. Ta krawędź noża jest wykonana na zamówienie do użytku w tym systemie i jest przyciemniona w celu zmniejszenia odbicia. Trzymaj krawędź noża pod ręką i zacznij modyfikować pęknięcie mikroskopu.
Zdejmij płytkę szczelinową przed płaszczyzną ogniskową skraplacza. Następnie wyjmij modulator z tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu z pięcioma rozmiarami. Weź krawędź noża i włóż ją w miejsce modulatora.
Aby nagrać wideo, użyj szybkiej kamery zamontowanej na tubusie trójokularowym mikroskopu i podłączonej do komputera. Włącz źródło światła i rozpocznij wysyłanie wideo w skali szarości do komputera. Następnie przechwyć i przetwórz obraz.
Nagraj obraz ze strumienia wideo i użyj oprogramowania do przetwarzania obrazu, aby uzyskać jego wartość w skali szarości. Wróć do mikroskopu i usuń krawędź noża z komputera. Monitoruj średni odczyt skali szarości podczas regulacji oświetlenia i przysłony.
Zatrzymaj się, gdy średni odczyt skali szarości obrazu jest o około 10% mniejszy niż wartość maksymalna. Jest to intensywność tła dla odcięcia 0%. Teraz włóż krawędź noża, aby całkowicie zablokować padające światło.
Przy komputerze. Zapisz średni odczyt skali szarości obrazu. Jest to intensywność tła dla 100% odcięcia.
Następnie iteracyjnie dostosuj położenie krawędzi noża, jednocześnie monitorując średni odczyt skali szarości przechwyconych obrazów. Zatrzymać. Gdy średni odczyt skali szarości obrazu znajduje się w środku wartości zero i 100%, ustawia to stopień odcięcia na 50%Teraz wróć do mikroskopu, aby zamontować urządzenie mikrokanałowe T. Umieść go na stoliku próbki tak, aby kanał zlewający się był równoległy do krawędzi noża.
Z grubsza dostosuj ostrość, gdy urządzenie jest na miejscu. Napraw płyny do eksperymentu. Wybierz dwa przezroczyste płyny bez współczynników załamania światła, które są całkowicie pomijane ze sobą.
W tym filmie woda jest używana jako płyn odniesienia, a wodny roztwór etanolu jest drugim i s plus współczynnika załamania światła w funkcji stężenia. I wybierz udział masowy wodnego etanolu tak, aby mieścił się w obszarze liniowym. W tym eksperymencie wykorzystuje się ułamek masowy 0,05 do dozowania naprawy płynów.
Dwie identyczne strzykawki napełniają jedną strzykawkę wodą, a druga rozcieńcza wodny roztwór etanolu, łącząc strzykawki z mikrokanalikiem T. Użyj rurki teflonowej, aby połączyć każdy z dwóch wlotów mikrokanału T z jedną ze strzykawek. Mieć dwie pompy strzykawkowe na miejscu, aby dostarczać płyny do wlotów mikrokanałów.
Załadować jedną pompę strzykawką z płynem referencyjnym. Załaduj drugą pompę ze strzykawką z rozcieńczonym etanolem, ale koniec rurki odpływowej do pojemnika i zamocuj ją na ścianie pojemnika. Rozpocznij kalibrację, aby nadać im liczbę Reynoldsa, ustawiając natężenie przepływu pomp strzykawkowych.
Uruchomić pompy strzykawkowe, aby jednocześnie dostarczać płyny robocze o identycznym natężeniu przepływu. Użyj aparatu, aby dobrze obserwować mikrokanał. Dostrój ostrość i poczekaj, aż stały przepływ ustabilizuje się, sygnalizowany przez stacjonarny SL i wzór.
Użyj szybkości 30 klatek na sekundę, aby nagrać 20 klatek miksowania płynowego. Te klatki są uzyskanym obrazem. Po zakończeniu przygotuj pompy, aby uzyskać kolejny zestaw ramek.
Zatrzymać pompę strzykawkową dla rozcieńczonego etanolu i kontynuować pompowanie wody przez jeden wlot. Obserwuj przepływ i poczekaj, aż pojawi się stały przepływ z nole i wzorem. Nagrywaj 20 klatek obrazów z szybkością 30 klatek na sekundę.
Ramki te są obrazem referencyjnym. Kontynuuj, przechwytując obrazy etanolu i wody, a następnie tylko wody dla każdej interesującej nas liczby Reynoldsa. Po zebraniu wszystkich danych włącz się do komputera, aby kontynuować kalibrację.
Użyj oprogramowania do przetwarzania obrazu, aby podzielić uzyskane obrazy przez obraz referencyjny dla każdego błędu liczby Reynoldsa. Próbka uzyskanych obrazów, gdy wodny roztwór etanolu dostaje się z kanału u góry obrazu, a kanał u dołu dzieli się przez obraz referencyjny, daje dane dotyczące współczynnika szarości w danej odległości wzdłuż strumienia. Wybierz punkty w kierunku strumienia poprzecznego i wyodrębnij proporcje szarości dla każdego z nich.
Zrób to dla kilku punktów wzdłuż strumienia i wykreśl dane do porównania. Wykonaj symulację obliczeniową dynamiki płynów eksperymentu. Użyj tego, aby obliczyć pochodną ułamka masowego w odniesieniu do pochodnej strumienia krzyżowego.
Następnie wykorzystaj oczekiwaną zależność liniową między współczynnikiem skali szarości a pochodną za pomocą regresji liniowej. Aby znaleźć linię regresji po kalibracji, użyj techniki mikro schleina do zbadania urządzenia docelowego. Najpierw odłącz i wyjmij urządzenie mikrokanałowe T ze stolika na próbkę.
Zastąp go docelowym urządzeniem mikroprzepływowym o mniej więcej równej głębokości. Podłącz urządzenie do wody i wodnego roztworu etanolu z kamerą rejestrującą wodę wejściową i rozcieńcz etanol przy równych natężeniach przepływu objętościowego w komputerze. Poczekaj, aż przepływ się ustabilizuje i nagraj 20 klatek dla uzyskanego obrazu.
Następnie zatrzymaj pompę strzykawkową dla wodnego roztworu etanolu i wprowadź tylko wodę do docelowego urządzenia mikroprzepływowego. Wróć do komputera, aby uzyskać obraz referencyjny. Współczynnik skali szarości pod różnymi liczbami Reynoldsa dla dodatnich i ujemnych gradientów ułamka masy ma pasmo pojawiające się w środku mikrokanału T przy niskiej liczbie Reynoldsa.
Ogon pasma Schleina jest rozszerzony i rozmyty z powodu dyspersji na interfejsie mieszania. Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa długość dyfuzji skraca się, co prowadzi do węższego pasma. W tym filmie liniowa zależność znaleziona między stosunkiem skali szarości a pochodną ułamka masowego została wykorzystana do uchwycenia oscylacyjnej natury przepływu w oscylatorze mikroprzepływowym przy liczbie Reynoldsa 250.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wdrożyć technikę warstw w mikroskali do ilościowego oznaczania gradientów stężeń w urządzeniu mikroprzepływowym.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł opisuje procedurę wykorzystującą mikroskalową technikę schlieren do pomiaru niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym. Metoda ta umożliwia nieinwazyjną ocenę gradientów stężenia za pomocą technik kalibracji i obrazowania.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Techniki obrazowania optycznego
- Dynamika płynów
Wstęp
- Urządzenia mikrofluidyczne są niezbędne w wielu zastosowaniach biologicznych i chemicznych.
- Zrozumienie dynamiki mieszania jest kluczowe dla optymalizacji tych urządzeń.
- Mikroskalowa technika schlierena zapewnia nowatorskie podejście do wizualizacji gradientów stężeń.
- Kalibracja jest niezbędna do dokładnej interpretacji uzyskanych obrazów.
Cel badania
- Opracowanie nieinwazyjnej metody pomiaru gradientów stężeń w systemach mikroprzepływowych.
- Wykorzystanie techniki schlieren w skali mikro do ulepszonego obrazowania procesów mieszania.
- Porównanie wyników eksperymentalnych z symulacjami numerycznymi dynamiki płynów.
Zastosowane metody
- Konstrukcja mikroscale schlieren systemu z wykorzystaniem mikroskopu kontrastowego z modulacją Hoffmana.
- Zastąpienie płytki szczelinowej ostrzem noża w celu modulacji.
- Montaż mikrokanału w kształcie litery T do procedur mieszania kalibracyjnego.
- Obrazowanie kanału T w celu uzyskania obrazów mikro-schlieren w skali szarości.
Główne wyniki
- Pomyślne obrazowanie gradientów stężeń w urządzeniu mikrofluidycznym.
- Kalibracja umożliwiła dokładną interpretację obrazów schlierenowskich.
- Porównanie z symulacjami obliczeniowej mechaniki płynów potwierdziło otrzymane wyniki.
- Technika ta wykazała potencjał do szerszego zastosowania w badaniach nad dynamiką płynów.
Wnioski
- Technika mikroskalowego schlierenu jest skuteczna w pomiarze niejednorodności mieszania.
- Metoda ta zapewnia nieinwazyjne podejście do badania systemów mikrofluidycznych.
- Przyszłe zastosowania mogą objąć różne dziedzziny wymagające precyzyjnej analizy dynamiki płynów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa ocena niejednorodności mieszania w urządzeniach mikrofluidycznych ma krytyczne znaczenie dla wczesnych etapów procesów biofarmaceutycznych, w których precyzyjny rozkład reagentów wpływa na wiarygodność testów i walidację celów. Technika schlieren w skali mikro umożliwia nieinwazyjny pomiar gradientów stężeń w czasie rzeczywistym, co zwiększa pewność prognostyczną w platformach badawczych opartych na mikrofluidyce. Możliwość ta usprawnia podejmowanie decyzji dotyczących portfolio poprzez redukcję niejednoznaczności w kontroli mikrośrodowiska i odtwarzalności testów.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednią wizualizację i kwantyfikację gradientów stężeń w celu mechanistycznej minimalizacji ryzyka.
- Wspiera walidację funkcjonalną mieszania mikrofluidycznego istotnego dla wydajności testów biologicznych.
- Zwiększa pewność prognostyczną w kwestii przydatności układu mikrofluidycznego do badania celu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Ułatwia kalibrację i standaryzację urządzeń mikroprzepływowych w celu zapewnienia odtwarzalności przesiewania związków.
- Zapewnia ilościowe wyniki w skali szarości, co pozwala na rzetelną opracowanie i optymalizację testów.
- Umożliwia szybką ocenę jednorodności mieszania, wspierając skalowalne przepływy pracy w testach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość między mikrofluidycznymi testami odkrywczymi a preklinicznymi systemami modelowymi poprzez gwarancję wierności mieszania.
- Zmniejsza ryzyko niepowodzenia translacyjnego wynikającego z niewykrytej niejednorodności mikrośrodowiska.
- Poprawia spójność wyników mikrofluidycznych z późniejszymi badaniami biomarkerów lub skuteczności.
Integracja potoku i przepływu pracy
Technika mikro-schlieren łączy etap wczesnego odkrywania z rozwojem testów, stanowiąc narzędzie diagnostyczne do walidacji urządzeń mikroprzepływowych przed identyfikacją związków wiodących lub badaniami przedklinicznymi.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określanie przestrzennych gradientów stężeń w celu wyjaśnienia hipotez biologicznych zależnych od mieszania.
- Przesiewanie: Zapewnienie powtarzalnych, ilościowych wyników w celu weryfikacji gotowości testów oraz standaryzacji platformy.
- Analityka: Umożliwienie bezpośredniego porównania eksperymentalnych i symulowanych profili mieszania w celu rzetelnej oceny urządzenia.
- Badania translacyjne: Zapewnienie, że wyniki testów mikroprzepływowych są predyktywne dla wydajności systemów przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanowienie wielokrotnego wykorzystania przepływu pracy kalibracji i walidacji dla różnych platform mikroprzepływowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w analizach opartych na mikrofluidyce.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje walidację urządzeń i wspiera skalowalne, powtarzalne przepływy pracy.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez dostarczenie ilościowych wskaźników mieszania na wczesnym etapie procesu.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację platform mikrofluidycznych dla dalszego rozwoju z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu optycznym oraz obsłudze urządzeń mikrofluidycznych.
- Wymaga dostępu do mikroskopu z kontrastem modulacji Hoffmana oraz infrastruktury do przetwarzania obrazów.
- Wymaga standaryzacji kalibracji międzyzespołowej w celu zapewnienia spójnego mapowania skali szarości na gradienty.
- Możliwość adaptacji do różnych układów płynów przezroczystych o liniowych zależnościach między współczynnikiem załamania światła a stężeniem.
- Ograniczone do płynów optycznie przezroczystych oraz urządzeń kompatybilnych z zestawem do obrazowania.
Często zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
The Microfluidic Device
2:29
Experimental Setup
5:55
Calibration
8:10
Quantification
9:02
Results: Schlieren Band Behavior with Variation of the Reynolds Number, and the Evolution of the Mass Fraction Gradient in a Microfluidic Oscillator
9:47
Conclusion
