Name: Adaptacja dyspersji Taylora do pomiaru współczynnika dyspersji roztworów elektrolitów za pomocą dostępnego zestawu mikroprzepływowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-10-07T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 56 s
Description: Poznaj metodę dyspersji Taylora w mikroskali do pomiaru współczynników dyfuzji elektrolitów z wykorzystaniem taniego zestawu mikroprzepływowego. Protokół umożliwia wizualizację interakcji jonów wielogatunkowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Bernardi i Teague pragną podziękować za wsparcie Laboratorium Edukacji i Prototypów Aplikacji (LEAP) w Worcester Polytechnic Institute, a także za dofinansowanie z Fundacji Simonsa za pośrednictwem Travel Support for Mathematicians (nagroda numer 963534). Bernardi i Teague dziękują również Genewie Isaacson, Justinowi Shenowi i Tomowi Kohenowi za wczesną pracę nad eksperymentalną konfiguracją, Remy'emu Kaplinsky'emu i Academic & Research Computing w Worcester Polytechnic Institute za wsparcie druku 3D, a także Danielowi M. Harrisowi, Eli Silverowi i innym członkom Harris Lab na Uniwersytecie Browna za ich spostrzeżenia i pomocne rady podczas organizowania pierwszych eksperymentów w Worcester Polytechnic Institute.

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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 teoretycznej10,11, 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 td = 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 td.
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.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td colspan="2">Czas niewymiarowy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Współczynnik kształtu, λ</td>
			<td>Natężenie przepływu (cm/s)</td>
			<td>Eksperymentalne κ (cm2/s)</td>
			<td>Błąd względny</td>
			<td>Numer Péclet (Pe)</td>
			<td>tmin/td</td>
			<td>tmax/td</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.1</td>
			<td>0.02</td>
			<td>5,813 x 10-6 ± 3,797 x 10-7</td>
			<td>1.982 x 10-2</td>
			<td>~ 18</td>
			<td>~ 30</td>
			<td>~ 52</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.05</td>
			<td>5.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-7</td>
			<td>6.443 x 10-2</td>
			<td>~ 44</td>
			<td>~ 11</td>
			<td>~ 27</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.1</td>
			<td>5.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-7</td>
			<td>7.838 x 10-3</td>
			<td>~ 88</td>
			<td>~ 6</td>
			<td>~ 16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25</td>
			<td>0.2</td>
			<td>5,978 x 10-6 ± 1,724 x 10-7</td>
			<td>4.884 x 10-2</td>
			<td>~ 175</td>
			<td>~cyfra arabska</td>
			<td>~ 10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5</td>
			<td>0.1</td>
			<td>5.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-7</td>
			<td>4.496 x 10-2</td>
			<td>~ 88</td>
			<td>~ 6</td>
			<td>~ 16</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
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 teoretycznej10,11, 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 td = h2/(4κ).
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig8.jpg"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig9.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>

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.

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

adaptacja dyspersji taylora do pomiaru współczynnika dyspersji roztworów elektrolitów za pomocą dostępnego zestawu mikroprzepływowego

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

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.

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:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq2v5.jpg">  (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 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;"> 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 literaturzejako 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:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq3v5.jpg">  (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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig1.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig2.jpg"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig3.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig4.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig5.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig6.jpg"> 
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 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/69040/69040eq10.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69040/69040fig7.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/69040fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
Plik uzupełniający 1: Plik .sdlprt dla portu <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/3DPort_revised" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2: . Plik szablonu DXF górnej warstwy chipa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_top.dxf" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 3: . Plik szablonu DXF uszczelek wiórowych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_gaskets.dxf" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 4: . Plik szablonu DXF mikrokanału chipa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/Chip_microchannel.dxf" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 5: Pliki kodu MATLAB używane do przetwarzania danych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69040/MATLAB%20files%20documentation.pdf" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

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.

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

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

Zakres naszych prac polega na zaprojektowaniu i wdrożeniu dostępnej platformy eksperymentalnej mikrofluidyki, która odpowie na szeroki zakres podstawowych pytań dotyczących płynów. Największym wyzwaniem jest opracowanie powtarzalnego, a jednocześnie elastycznego procesu produkcyjnego dla mikrokanałów z wystarczającą precyzją przy użyciu taniego sprzętu. Nasze badania mają na celu rozwiązanie obecnego braku łatwo dostępnych i dokładnych konfiguracji i protokołów eksperymentalnych do pomiaru zwiększonej dyfuzyjności gatunków elektrolitów.Nasza platforma pozwala również na wizualizację wielogatunkowych oddziaływań jonowych. Nasza eksperymentalna konfiguracja i protokół są niedrogie, łatwo dostępne i dokładne. Zastosowana tania technika produkcji mikrokanałowej pozwala na produkcję niestandardowych chipów w ciągu kilku minut.Aby rozpocząć, uruchom oprogramowanie do projektowania noży rzemieślniczych na podłączonym komputerze. Zaprojektuj górną część mikrokanału bezpośrednio w oprogramowaniu lub zaimportuj kompatybilny projekt z oprogramowania zewnętrznego. Następnie przymocuj poliestrowy prostokąt o wymiarach 21 na pięć centymetrów do lepkiej strony maty do cięcia.Za pomocą taśmy maskującej przyklej taśmą wszystkie cztery krawędzie obwodu, aby zabezpieczyć prostokąt. Następnie załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie ze wskaźnikami strzałek na urządzeniu. Włóż ostrze w pierwszą szczelinę wózka noża rzemieślniczego.Kliknij Wyślij znajdujący się w prawym górnym rogu strony projektu na monitorze, aby przejść do ekranu recenzji. Następnie ustaw głębokość ostrza na dziewięć, siłę na 33, przejścia na jeden i prędkość na jeden. Teraz kliknij Wyślij, aby przesłać zadanie do noża rzemieślniczego i rozpocząć proces cięcia.Po wyjęciu maty do cięcia z noża, za pomocą pęsety usuń ujemny materiał poliestrowy z ciętego arkusza. Następnie zaprojektuj uszczelki poliamidowe w kształcie pączka za pomocą oprogramowania do projektowania noży rzemieślniczych lub zaimportuj projekt uszczelki z kompatybilnego oprogramowania. Przymocuj kawałek taśmy poliamidowej o długości 21 centymetrów lepką stroną do góry na macie do cięcia i zabezpiecz go taśmą maskującą wzdłuż wszystkich czterech krawędzi.Wprowadź ustawienia cięcia dla taśmy poliamidowej o głębokości ostrza wynoszącej dziewięć, sile jednego, przejściach jednego i prędkości jeden. Kliknij Wyślij, aby przesłać zadanie cięcia uszczelek do noża rzemieślniczego. Następnie umieść wycięty arkusz poliestru na czystej, płaskiej powierzchni występami skierowanymi do góry.Za pomocą pęsety odklej jedną uszczelkę z przeciętej taśmy poliamidowej i umieść ją na płaskim spodzie wydrukowanego w 3D portu. Dopasuj port do otworu wlotowego przepływu i za pomocą uszczelki przymocuj go do płasko ułożonego arkusza poliestrowego. Teraz w dygestorium nałóż niewielką ilość super kleju wzdłuż obwodu portu, jednocześnie dociskając go w dół, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie.Aby wyprodukować korpus mikrokanalika z poliamidu, zaprojektuj korpus mikrokanału za pomocą oprogramowania do projektowania frezów rzemieślniczych lub importując kompatybilny projekt zewnętrzny. Przymocuj pasek taśmy poliamidowej o długości 21 centymetrów lepką stroną do góry na macie do cięcia. Następnie załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie ze wskaźnikami strzałek na urządzeniu.Kliknij Wyślij w prawym górnym rogu strony projektu, aby przejrzeć ustawienia materiału i cięcia. Stosować te same parametry skrawania, co w przypadku uszczelek. Kliknij przycisk Wyślij, aby przesłać zadanie cięcia do narzędzia do cięcia rzemieślniczego.Następnie zdejmij matę do cięcia z noża i za pomocą pęsety usuń ujemny materiał poliamidowy z konstrukcji kanału. Teraz umieść taśmę poliamidową lepką stroną skierowaną do góry na płaskiej, czystej powierzchni. Ostrożnie umieść prostokąt poliestrowy na odsłoniętej taśmie poliamidowej, centrując pasek poliamidu na całej szerokości poliestru.Za pomocą wałka dociśnij równomiernie w dół, aby wyeliminować duże pęcherzyki powietrza i sprawdź wzrokowo, czy nie ma żadnych zanieczyszczeń lub wypaczeń. Następnie odwróć zespół taśmy poliamidowej i zdejmij osłonę ochronną od strony kleju. Dopasuj górny arkusz poliestrowy zamontowany z portem wydrukowanym w 3D do wlotu i wylotu taśmy poliamidowej, a następnie ostrożnie połóż arkusz poliestrowy na warstwie poliamidu.Aby skonfigurować pompę strzykawkową, napełnij szklaną strzykawkę o pojemności 0,5 mililitra wodą dejonizowaną. Zamontuj strzykawkę na programowalnej pompie strzykawkowej i naciśnij przycisk szybkiego przewijania do przodu, aż woda zacznie wypływać z końcówki strzykawki. Następnie wytnij 50-centymetrowy kawałek rurki z politetrafluoroetylenu.Za pomocą pęsety połącz dwa końce rurki z końcówkami strzykawki o rozmiarze 27, wkładając rurkę na końcówki i ciągnąc ją w dół. Napełnij podłączoną końcówkę strzykawki i rurkę wodą dejonizowaną, aż w otworze końcówki utworzy się wypukły menisk. Przymocuj końcówkę do szklanej strzykawki zamontowanej na pompie, upewniając się, że ani w strzykawce, ani w końcówce nie ma pęcherzyków powietrza.Ustawić pompę strzykawkową tylko w trybie zaparzania. Wprowadź typ i rozmiar strzykawki jako 0,5 mililitra do interfejsu pompy. Za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2,54 centymetra przyklej w pełni zmontowaną końcówkę mikroprzepływową do panelu świetlnego.Następnie zamontuj obiektyw makro 20 mm F2 w aparacie i podłącz go do zdalnego spustu. Ustaw statyw i zamontuj kamerę nad panelem świetlnym, pod kątem w dół, tak aby była skierowana w stronę eksperymentu. Wyśrodkuj widok na punkcie przechwytywania wyciętym w taśmie poliamidowej.Zaprogramuj aparat za pomocą zdalnego spustu, aby robił zdjęcia co sekundę. Nałóż warstwę przezroczystej taśmy na otwór wlotowy znacznika, aby zapobiec wydostawaniu się cieczy, upewniając się, że jedna krawędź taśmy jest zagięta, tworząc małą zakładkę ułatwiającą usunięcie. Podłącz i uruchom programowalną pompę strzykawkową, aby delikatnie zalać mikrokanał wodą dejonizowaną o bardzo niskim natężeniu przepływu.Następnie napełnij końcówkę mikropipety o pojemności 0,5 mikrolitra przygotowanym roztworem znacznikowym. Za pomocą złożonej zakładki odklej taśmę zakrywającą otwór wlotowy znacznika. Używając rogu chusteczki o niskiej zawartości kłaczków, delikatnie odchodź nadmiar dejonizowanej wody z otworu wlotowego i odczekaj 30 sekund, aż nabrzeża się ustabilizują.Po 30 sekundach dozować roztwór znacznikowy do otworu wlotowego za pomocą pipety. Natychmiast wygładź taśmę z powrotem nad otworem, używając minimalnego nacisku i ciągłego ruchu, aby ponownie uszczelnić wlot. Po upewnieniu się, że pompa strzykawkowa jest zaprogramowana na docelowe objętościowe natężenie przepływu, uruchom pompę strzykawkową i jednocześnie uruchom zdalną kamerę, aby rozpocząć obrazowanie.Jeśli poziome krawędzie nakładki prostokąta nie są wyrównane ze ścianami mikrokanałów, najedź kursorem na róg prostokąta, kliknij i obróć obraz, aż poziome ściany wyrównają się równolegle do ścian kanału. Naciśnij dowolny, aby kontynuować. Wyskakujące okienko obrazu zostanie zamknięte i ponownie otwarte z poprawioną orientacją.Kliknij i przeciągnij, aby zaznaczyć kwadratowy obszar o bokach równych szerokości kanału, wyśrodkowany w punkcie przechwytywania. Naciśnij dowolny, aby kontynuować, a wyskakujące okienko obrazu zostanie zamknięte. Następnie wyodrębnij intensywność kanału niebieskiego dla każdego piksela w wybranym obszarze kadrowania z obrazu RGB.Odwróć wartości, odejmując każdą z nich od 255, maksymalnej wartości kanału niebieskiego. Oblicza średnią wartość intensywności odwróconego kanału niebieskiego we wszystkich pikselach w przyciętym obszarze. Zapisz każdą obliczoną wartość, aby wygenerować szereg czasowy średniej intensywności odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania.Użyj przybornika do dopasowywania krzywych nieliniowych w kodzie, aby wprowadzić pełną serię średnich intensywności odwróconego kanału niebieskiego. Uśrednione intensywności odwróconego kanału niebieskiego w czasie zostały wykreślone i wykazały ścisłą zgodność między danymi eksperymentalnymi a teoretycznym dopasowaniem dyspersji dostosowanej, z wyraźnie pokazanymi punktami czasowymi na 140 sekundach, 150 sekundach i 200 sekundach. Wyniki współczynnika dyspersji z eksperymentów przy trzech różnych proporcjach wykazały dobrą zgodność z przewidywaniami teoretycznymi.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

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.

Analiza niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym za pomocą mikroskalowej techniki Schliarenna

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

Przedstawiono protokół bezpośredniego pomiaru rozkładu wielkości cząstek w stężonych roztworach za pomocą dynamicznej mikroskopii rozpraszania światła.

Pomiar rozkładu wielkości cząstek w mętnych roztworach za pomocą mikroskopii dynamicznego rozpraszania światła

Tutaj prezentujemy krok po kroku protokół dyspersji nanomateriałów w środowisku wodnym z charakterystyką w czasie rzeczywistym w celu określenia optymalnych warunków sonikacji, intensywności i czasu trwania dla poprawy stabilności i jednorodności dyspersji nanocząstek bez wpływu na integralność próbki.

Dyspersja nanomateriałów w środowisku wodnym: w kierunku optymalizacji protokołu

Platforma mikroprzepływowego biosensoru została zaprojektowana i wykonana przy użyciu taniej technologii fotorezystu z suchą folią do szybkiej i czułej kwantyfikacji różnych analitów. Ten jednorazowy system pozwala na elektrochemiczny odczyt testów enzymatycznych immobilizowanych na chipie za pomocą techniki stop-flow.

Elektrochemiczna platforma biosensorów mikroprzepływowych oparta na suchym filmie fotorezystu: produkcja urządzenia, przygotowanie testu na chipie i obsługa systemu

Przedstawiono protokół badania dyfuzji pasywnych znaczników w przepływie napędzanym ciśnieniem laminarnym. Procedura ma zastosowanie do różnych geometrii rur kapilarnych.

Dyfuzja pasywnych znaczników w laminarnym przepływie ścinającym

Szczegółowe są tutaj protokoły działania i montażu modułowej platformy do badań przesiewowych mikroprzepływowych do systematycznej charakterystyki syntez koloidalnych półprzewodników nanokrystalicznych. Dzięki w pełni regulowanym układom systemów, wysoce wydajne zbieranie widm może być przeprowadzane w 4 skalach czasu reakcji rzędu wielkości w przestrzeni próbkowania kontrolowanej przeniesieniem masy.

Modułowa technologia mikroprzepływowa do systematycznych badań koloidalnych nanokryształów półprzewodnikowych

Rektyfikacja ścieżek transportu jonów jest skuteczną metodą generowania jednokierunkowych przepływów elektrohydrodynamicznych ciągniętych jonami. Poprzez ustawienie membrany jonowymiennej w kanale przepływowym, generowany jest stan spolaryzowany elektrycznie, który powoduje napędzanie przepływu cieczy, gdy pole elektryczne jest przyłożone na zewnątrz.

Wytwarzanie i sterowanie przepływami elektrohydrodynamicznymi w wodnych roztworach elektrolitów

Prezentujemy system mikroprzepływowy do wysokoprzepustowych badań nad złożonymi maszynami życia, który składa się z 1500 jednostek hodowlanych, szeregu ulepszonych pomp perystaltycznych i modułu mieszania na miejscu. Chip mikroprzepływowy pozwala na analizę wysoce złożonych i dynamicznych warunków mikrośrodowiskowych in vivo.

Generowanie dynamicznych warunków środowiskowych za pomocą wysokowydajnego urządzenia mikroprzepływowego

Ten protokół szczegółowo opisuje projekt i wykonanie urządzenia mikroprzepływowego odpowiedniego do badania mechaniki polimerów mikrotubul. Synteza technik mikrowytwarzania, zautomatyzowanej kontroli przepływu i modelowania obliczeniowego umożliwia stworzenie elastycznego systemu idealnie nadającego się do sondowania cytoszkieletu komórkowego in vitro.

Opracowanie opartego na mikrofluidyce podejścia do badania mechaniki polimerów mikrotubul

Poznaj metodę dyspersji Taylora w mikroskali do pomiaru współczynników dyfuzji elektrolitów z wykorzystaniem taniego zestawu mikroprzepływowego. Protokół umożliwia wizualizację interakcji jonów wielogatunkowych.

Adaptacja dyspersji Taylora do pomiaru współczynnika dyspersji roztworów elektrolitów za pomocą dostępnego zestawu mikroprzepływowego (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów