Name: Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-06T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Aprenda a analisar impactos de gotículas líquidas em superfícies sólidas usando câmera de alta velocidade e MATLAB. Este método sistemático permite coletar dados precisos sobre dinâmica de fluidos em pouco tempo.

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Este trabalho foi apoiado pelo Fundo Marsden, administrado pela Sociedade Real da Nova Zelândia.

1. Configuração da câmera de alta velocidade
<ol><li>Defina o campo de visão fixo (FOV) para a câmera e calcule o fator de conversão de pixel para mm.<ol>
<li>Coloque um marcador de alinhamento (por exemplo, um marcador de comprimento lateral de 4 mm com o código de análise de imagem fornecido) na posição central do estágio de amostra para que ele esteja voltado para a câmera. Ajuste a ampliação da câmera de modo que o marcador quadrado se encaixe dentro do FOV. Certifique-se de que o marcador está em foco e capture uma imagem. NOTA: O código de análise de imagem requer que uma gotícula com imagem cubra mais de 1% do FOV total, caso contrário, é classificado como ruído. Da mesma forma, a gotícula não deve tomar mais de 40% do FOV, caso contrário, é identificado como um evento de processamento de imagem com falha.</li>
		<li>Bloqueie a ampliação da lente e certifique-se de que ela permaneça inalterada durante um lote de experimentos.</li>
		<li>Carregue a interface gráfica do usuário (GUI) para o software de análise de impacto de gotículas clicando no ícone dentro do MATLAB.</li>
		<li>Execute o código de análise de imagem. Na GUI, clique no botão calibrar da câmera e selecione a imagem obtida na etapa 1.1.1. Digite o tamanho do quadrado de calibração em mm e clique em OK.</li>
		<li>Mova o retângulo mostrado na tela até que o quadrado de calibração seja o único objeto dentro dele. Clique em OK e o software calculará automaticamente o fator de conversão. Se a calibração automática falhar, siga o guia de software para realizar a calibração manual.</li>
	</ol></li>
	<li>Alinhe o sistema experimental.<ol><li>Prepare o líquido que está sendo usado para a distribuição de gotículas individuais.<ol>
<li>Posicione a montagem da agulha ao redor do nível dos olhos do usuário para permitir a facilidade de carregamento.</li>
			<li>Limpe manualmente o tubo para remover qualquer fluido empurrando o ar através de uma seringa. Certifique-se de que o tubo não está torcido e que a agulha está segura e limpa. Conserte a agulha e o tubo para que a agulha esteja vertical. NOTA: Se necessário, limpe a agulha de aço com etanol em um banho ultrassônico.</li>
			<li>Encha a seringa com o fluido que está sendo investigado (por exemplo, água) e conecte-o à bomba de seringa controlada pelo computador. Limpe a agulha usando a bomba de seringa (clique e segure o botão de distribuição) até que não haja bolhas no fluido.</li>
			<li>Ajuste a bomba de seringa de modo que dispense o volume necessário para a liberação de uma gotícula individual. NOTA: Para os resultados representativos, o diâmetro médio das gotículas foi de 2,6 mm utilizando uma taxa de dispensa de 0,5 mL/min e um volume dispensado de 11 μL. A taxa de bombeamento deve ser lenta o suficiente para que as gotículas se formem e soltem gravidade, e isso pode ser ajustado por tentativa e erro. O volume da gotícula pode ser aproximado como14 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ01.jpg"> onde D é o diâmetro da agulha, γLG é a tensão da superfície líquido-gás, e ρ é a densidade do fluido.</li>
		</ol></li>
		<li>Alinhe a amostra (por exemplo, polidimetilsiloxano plano [PDMS]) colocando-a a agulha e dispensando uma única gota usando a bomba de seringa. Verifique se a gota pousa e se espalha na área da amostra de interesse, e se não alterar a posição amostral conforme necessário. NOTA: Se o alinhamento das gotículas estiver se mostrando difícil, verifique se a agulha está montada corretamente no suporte da agulha verticalmente e não está dobrada. A amostra está agora alinhada em relação aos eixos X e Y e não deve ser movida durante os experimentos.</li>
		<li>Alinhe e foque a câmera.<ol>
<li>Distribua uma única gota na amostra. Ajuste a posição vertical (Z) do suporte da amostra até que a superfície esteja nivelada com o centro do FOV da câmera.</li>
			<li>Ajuste a posição horizontal (X) da câmera para que a gota na amostra esteja alinhada no centro do FOV. Ajuste as posições verticais (Z) e horizontais (X) do LED para corresponder à posição da câmera, de modo que o centro da luz apareça no centro do FOV. Ajuste a distância (Y) da câmera da gotícula para que a gota entre em foco. NOTA: O sistema está agora alinhado e calibrado. Se o posicionamento de todos os equipamentos não for alterado, o protocolo pode ser pausado e reiniciado sem realinhamento. O alinhamento da amostra na direção vertical (Z) deve ser repetido para amostras de espessura variável.</li>
		</ol></li>
		<li>Defina as condições de gravação para a câmera.<ol>
<li>Defina a taxa de quadros da câmera como um valor ideal para o objeto que está sendo gravado. NOTA: A taxa de quadros ideal da câmera(fps)pode ser prevista usando31 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ02.jpg"> onde N é a taxa de amostragem (número de imagens capturadas como o objeto cobre a escala de comprimento, normalmente 10), V é a velocidade da gota, e j é a escala de comprimento de imagem (por exemplo, o FOV).</li>
			<li>Ajuste o tempo de exposição da câmera para um valor o menor possível, mantendo iluminação suficiente. Nesta fase, ajuste a abertura da lente para a menor configuração disponível, mantendo iluminação suficiente. NOTA: Uma estimativa para o tempo mínimo de exposição(te)é dada por31 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60778/60778equ03.jpg"> onde k é a escala de comprimento (por exemplo, o tamanho de um pixel), PMAG é a ampliação primária, e V é a velocidade da gotícula.</li>
			<li>Coloque o gatilho para a câmera. Use um gatilho de modo final para que a câmera tampe a gravação e pare no gatilho (por exemplo, um clique do mouse do usuário). NOTA: Um sistema de gatilho automático pode ser usado para automatizar esse processo.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>2. Realização de experimentos
<ol><li>Prepare o sistema de arquivos do computador para um lote de experimentos.<ol>
<li>Crie uma pasta para armazenar filmes para o lote atual de experimentos. Defina esta pasta como o local de salvamento do software da câmera seguindo o guia do fabricante da câmera. Certifique-se de que o formato do arquivo para imagens capturadas é .tif.</li>
		<li>Clique no botão Definir caminho na GUI de análise de imagem e escolha a mesma pasta da etapa 2.1.1, que diz ao software para monitorar esta pasta para novos vídeos.</li>
		<li>Crie a estrutura da pasta para um lote de experimentos.<ol>
<li>Clique no botão Fazer pastas na GUI de análise de imagem e digite quatro valores conforme solicitado: 1) a altura mínima de lançamento de gotículas, 2) a altura máxima de lançamento, 3) o passo de altura entre cada experimento e 4) o número de experimentos de repetição em cada altura. NOTA: A velocidade de impacto pode ser aproximada como V = (2gh)1/2, onde g é a aceleração devido à gravidade e h é a altura de liberação de queda.</li>
			<li>Clique em OK para executar o script Fazer pastas. NOTA: Uma série de pastas foi criada no diretório para este experimento. Essas pastas são chamadas de "height_xx" onde xx é a altura da liberação de gotículas. Em cada uma dessas pastas, pastas vazias estão prontas para armazenar dados para cada experimento de repetição. Repita a seção 2.1 para cada nova superfície ou fluido a ser estudado.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Prepare a superfície conforme necessário para o experimento. Para o impacto em uma superfície seca e sólida, limpe a superfície com um protocolo padrão adequado e permita que ela seque completamente.</li>
	<li>Registre um evento de impacto de gotículas.<ol>
<li>Coloque a amostra no estágio amostral. Se necessário, gire a superfície para alinhá-la com a câmera. Mova a agulha para a altura de liberação desejada.</li>
		<li>Certifique-se de que a visualização da câmera está desobstruída e, em seguida, capture e salve uma imagem (a ser usada mais tarde durante o processamento da imagem) usando o software da câmera. Inicie a gravação de vídeo para que a câmera esteja gravando e tamponando (ou seja, preenchendo a memória interna da câmera).</li>
		<li>Dispense uma única gota na amostra usando a bomba de seringa (passo 1.2.1.4). Acione a gravação para parar assim que o evento de impacto estiver concluído. Remova a superfície do suporte da amostra e seque-a, conforme apropriado.</li>
	</ol></li>
	<li>Prepare o arquivo de vídeo para mais análises.<ol>
<li>Corte o vídeo.<ol>
<li>Usando um software adequado (por exemplo, o software da câmera de alta velocidade), digitalizar através do vídeo para encontrar o primeiro quadro em que a gotícula está completamente dentro do FOV. Corte o início do vídeo para este quadro.</li>
			<li>Avançar pelo número de quadros necessários para capturar os fenômenos de interesse durante o experimento de impacto (por exemplo, 250 quadros são geralmente suficientes para impactos capturados a 10.000 fps). Corte o final do vídeo para este quadro.</li>
			<li>Salve o vídeo como um arquivo .avi, definindo o caminho de salvamento para a pasta correspondente para o lote experimental atual, a altura de liberação e o número de repetição.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Na GUI de análise de imagem, clique no botão Classificar arquivos. Confirmar visualmente que a imagem de fundo tirada na etapa 2.3.2 agora é exibida na tela. Isso encontra o arquivo .avi salvo mais recente e o arquivo .tif e os move para a mesma pasta, assumindo que foram tiradas ao mesmo tempo.</li>
		<li>Clique no botão Executar rastreamento para iniciar o processamento de imagens. O vídeo será exibido com o processamento de imagem resultante sobreposto. Verifique qualitativamente se o processamento da imagem está funcionando corretamente assistindo ao vídeo. NOTA: Após a conclusão do processamento da imagem, o código de processamento de imagem exibirá uma imagem da gotícula ao máximo de propagação. A falha na calibração adequada da câmera pode levar ao processamento incorreto da imagem. Se necessário, repita a calibração até que o processamento da imagem seja bem sucedido.</li>
		<li>Repita as seções 2.3 e 2.4, ajustando a altura da agulha conforme necessário para realizar todos os experimentos neste lote. NOTA: Cada pasta experimental agora conterá uma série de arquivos .mat. Esses arquivos contêm os dados extraídos pelo software de processamento de imagem e salvos para análise futura, incluindo o contorno de queda, área, caixa delimitador e perímetro para cada quadro.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Análise de dados brutos
<ol><li>Na GUI de análise de imagem, clique no botão Dados de Processo para iniciar o cálculo das principais variáveis dos dados processados brutos. Se isso for executado após a sessão experimental, o usuário será solicitado a selecionar a pasta que contém o lote de experimentos a ser processado.</li>
	<li>Insira os quatro valores conforme solicitado: 1) taxa de quadros de gravação (fps), 2) densidade de fluido (kg/m3), 3) tensão superficial fluida (N/m) e 4) viscosidade fluida (Pa·s). NOTA: O software é padrão para uma taxa de quadros de 9.300 fps e as propriedades fluidas da água em condições ambientais. Os valores inseridos são usados para calcular os números de Weber e Reynolds.</li>
	<li>Salve os dados no arquivo videofolders.mat e exporte como um arquivo .csv. NOTA: O código carregará o arquivo prop_data.mat para um único experimento, calculará a posição do centro de gotas, encontrará o quadro de impacto (definido como o último quadro antes do centro de gotículas desacelerar) e o quadro no qual a propagação horizontal da gotícula é maximizada. Os dados de saída salvos serão a velocidade de impacto (usando um ajuste polinômio de 1ª ordem à posição vertical do centro de gotículas em função do tempo), o diâmetro equivalente da gotícula (calculado assumindo simetria rotacional sobre o eixo Z para encontrar o volume de gotículas, encontrando então o diâmetro de uma esfera com esse volume36), o diâmetro da gotícula no spread máximo, e o impacto dos números de Weber e Reynolds.</li>
</ol>

<ol><li>Josserand, C., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+on+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Drop impact on a solid surface.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).</li>
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<li>Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+impact+on+superhydrophobic+surfaces%3A+A+review+of+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Industrial+and+Engineering+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments.</a> Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).</li>
<li>Robson, S., Willmott, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetries+in+the+spread+of+drops+impacting+on+hydrophobic+micropillar+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays.</a> Soft Matter. 12 (21), 4853-4865 (2016).</li>
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<li>Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+droplet+impact+on+elastic+superhydrophobic+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces.</a> Scientific Reports. 6, 30328(2016).</li>
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<li>Hugli, H., Gonzalez, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+volume+measurements+by+vision%5BTitle%5D)+AND+%22Machine+Vision+Applications+in+Industrial+Inspection+VIII%22%5BJournal%5D)">Drop volume measurements by vision.</a> Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).</li>
</ol>

Os autores não têm nada para revelar.

Este método depende do controle da posição e alinhamento de várias partes do sistema. Um requisito mínimo para usar este método é a capacidade de alinhar a amostra, câmera e LED de iluminação. O alinhamento incorreto da fonte de luz ao sensor da câmera é um problema comum. Se o caminho da luz entrar na câmera em um ângulo, artefatos indesejados são produzidos e dificultam o processamento da imagem. O usuário deve procurar alcançar um caminho de iluminação horizontal quase perfeito entre o LED e o sensor da câmera. Controles precisos de posicionamento (por exemplo, estágios de micrômetros) são úteis para este aspecto do método.
A escolha da lente depende do FOV necessário para o experimento. Embora as lentes de zoom variável comumente disponíveis permitam que o sistema seja adaptado na hora, eles muitas vezes sofrem de outros problemas. Se utilizar lentes de zoom variáveis, o usuário deve certificar-se de que a ampliação total não muda durante um lote de experimentos (uma vez que o sistema está calibrado, seção de protocolo 1). Este problema pode ser evitado usando lentes de ampliação fixas. Com a ampliação fixada, a posição do plano focal de qualquer tipo de lente pode ser alterada movendo a câmera em relação à amostra.
Ao alinhar o sistema é aconselhável usar uma amostra em branco da mesma espessura que as amostras a serem investigadas. Isso impede que as amostras de interesse sejam danificadas ou molhadas antes dos experimentos. Se a espessura da amostra mudar durante um lote de experimentos, então o sistema precisa ser realinhado na direção Z.
Embora não seja necessário, a adição de um sistema de posicionamento de agulha controlado por computador pode aumentar consideravelmente a velocidade e a resolução do método. Sistemas de trilhos de esteira comumente disponíveis podem ser usados que permitem o posicionamento da agulha com precisão de micrômetros. O controle digital da agulha também permite ao usuário zerar a altura relativa à superfície com maior precisão. Esta etapa adicional garante que a configuração experimental possa ser restaurada com precisão no início de uma nova sessão de laboratório.
É aconselhável que o usuário aprenda a usar o software de controle para a câmera de alta velocidade. A maioria dos sistemas modernos pode usar um gatilho de imagem. Este método usa a eletrônica interna de alta velocidade da câmera para monitorar uma área do FOV para mudanças. Se calibrado cuidadosamente, isso pode ser usado para acionar a câmera automaticamente à medida que a gotícula impacta a superfície. Este método reduz o tempo gasto para encontrar os quadros corretos do vídeo para cortar depois que um vídeo é gravado.
Este método pode ser expandido para usar mais de uma câmera para análise de fenômenos direcionalmente dependentes. Se usar várias câmeras, é aconselhável que o usuário use acionamento e sincronização de hardware. A maioria dos sistemas de câmeras de alta velocidade permitem a sincronização de várias câmeras para gravar na mesma taxa de quadros. Usando um gatilho de hardware compartilhado (por exemplo, o pulso de lógica transistor-transistor transistor (TTL), o usuário pode registrar visualizações simultâneas do mesmo experimento. Este método poderia ser ainda mais adaptado para registrar o mesmo evento em duas ampliações variadas.
Este protocolo visa permitir a coleta e o processamento rápido de dados de vídeo de alta velocidade para gotículas que impactam superfícies. Como demonstrado, é versátil sobre uma série de condições de impacto. Com alterações relativamente pequenas no código de análise, poderia ser estendido para fornecer dados adicionais (por exemplo, dependência de tempo e perfis de respingos) ou para estudar diferentes geometrias de impacto. Outras melhorias podem envolver o corte automático de vídeos para incluir os quadros-chave de interesse. Esta etapa, juntamente com a automação da altura da agulha, permitiria que os vídeos em lote fossem coletados de forma totalmente automática, exigindo apenas que o usuário mudasse a amostra entre os impactos.

Os impactos da queda líquida nas superfícies são de grande interesse tanto para a compreensão dos fenômenos fundamentais1 quanto para os processos industriais2. Os impactos da queda têm sido estudados há mais de 100 anos3, mas muitos aspectos ainda estão para ser totalmente investigados. A fotografia de alta velocidade é quase universalmente usada para estudos de impactos de queda4 porque fornece dados ricos e acessíveis que permitem que medições analíticas sejam feitas com boa resolução de tempo. Os resultados de um impacto de queda em uma superfície sólida5,6,7 variam de simples deposição atérespingos 8. Os impactos em superfícies superhidrofóbicas são frequentemente estudados, pois podem gerar resultados particularmente interessantes, incluindo quedade9,10,11,12. O protocolo descrito aqui foi desenvolvido para estudar os impactos da gota d'água em superfícies de polímeros com padronização de microescala e, em particular, a influência do padrão nos desfechos de impacto de queda13,14.
O resultado de um experimento de impacto de queda pode ser afetado por uma grande variedade de variáveis possíveis. O tamanho e a velocidade da queda podem variar, juntamente com propriedades fluidas como densidade, tensão superficial e viscosidade. A queda pode ser newtoniana15 ou não-newtoniano16. Uma grande variedade de superfícies de impacto tem sido estudada, incluindo superfícies líquidas7,17,sólidas18e elásticas19. Várias configurações experimentais possíveis foram descritas anteriormente por Rein et al.17. A gota pode tomar diferentes formas. Pode ser oscilante, rotativo ou impacto em um ângulo para a superfície. A textura da superfície e fatores ambientais, como a temperatura, podem variar. Todos esses parâmetros tornam o campo de impactos de gotículas extremamente amplo.
Devido a essa grande variedade de variáveis, estudos de fenômenos dinâmicos de umectação líquida são muitas vezes limitados a se concentrar em tópicos relativamente específicos ou estreitos. Muitas dessas investigações utilizam um número moderado de experimentos (por exemplo, 50-200 pontos de dados) obtidos a partir de vídeos de alta velocidade processados manualmente10,20,21,22. A amplitude desses estudos é limitada pela quantidade de dados que podem ser obtidos pelo pesquisador em um período razoável de tempo. O processamento manual de vídeos exige que o usuário realize tarefas repetitivas, como medir o diâmetro das gotículas impactantes, muitas vezes alcançadas com o uso de software de análise de imagem (Fiji23 e Tracker24 são escolhas populares). A medida mais utilizada para caracterizar impactos de queda é o diâmetro de uma queda de propagação25,26,27,28.
Devido a melhorias no processamento de imagens, os métodos automáticos auxiliados por computador estão começando a melhorar a eficiência da coleta de dados. Por exemplo, algoritmos de análise de imagem para medição automática do ângulo de contato29 e tensão superficial usando o método de queda pendente30 estão agora disponíveis. Muito mais ganhos de eficiência podem ser feitos para a fotografia de alta velocidade de impactos de queda, que produz filmes compostos por muitas imagens individuais para análise, e de fato alguns estudos recentes começaram a usar análise automatizada15,18, embora o fluxo de trabalho experimental não tenha mudado claramente. Outras melhorias no projeto experimental para experimentos de impacto de queda surgiram de avanços em fontes de luz LED disponíveis comercialmente, que podem ser acopladas a câmeras de alta velocidade através da técnica de shadowgraph31,32,33,34.
Este artigo descreve um método padronizado para captura e análise de filmes de impacto de queda. O objetivo principal é permitir a coleta eficiente de grandes conjuntos de dados, que devem ser geralmente úteis para a grande variedade de estudos de impacto de queda descritos acima. Usando este método, o contorno digitalizado e resolvido pelo tempo de uma queda impactante pode ser obtido para ~100 experimentos por dia. A análise calcula automaticamente os parâmetros de impacto das gotículas (tamanho, velocidade, números de Weber e Reynolds) e o diâmetro máximo de disseminação. O protocolo é diretamente aplicável para quaisquer parâmetros básicos de gotículas (incluindo velocidade líquida, de tamanho e impacto), material de substrato ou condições ambientais. Estudos que escaneiam uma grande variedade de parâmetros experimentais podem ser conduzidos em um prazo relativamente curto. O método também incentiva estudos de alta resolução, abrangendo uma pequena gama de variáveis, com múltiplos experimentos de repetição.
Os benefícios deste método são fornecidos pelo experimento padronizado, e uma estrutura de dados e fluxo de trabalho claro. A configuração experimental produz imagens com propriedades consistentes (espacial e contraste) que podem ser passadas para um código de análise de imagem personalizado (incluído como um Arquivo de Codificação Suplementar que é executado no MATLAB) para o processamento imediato de vídeos gravados imediatamente após o experimento. A integração do processamento e aquisição de dados é um dos principais motivos para a melhoria da velocidade geral de coleta de dados. Após uma sessão de aquisição de dados, cada vídeo foi processado e todos os dados brutos relevantes são armazenados para análise posterior sem exigir o reprocessamento do vídeo. Além disso, o usuário pode inspecionar visualmente a qualidade de cada experimento imediatamente após sua realização e repetir o experimento, se necessário. Uma etapa inicial de calibração garante que a configuração experimental possa ser reproduzida entre diferentes sessões de laboratório com boa precisão.
Presume-se que para implementar este método o usuário tenha acesso a uma câmera de alta velocidade organizada para que ele visualize a superfície de um ponto de vista horizontal (lateral). Uma representação esquemmática deste arranjo é mostrada na Figura 1, incluindo a definição de eixos cartesianos. O sistema deve ter a capacidade de posicionar precisamente a câmera e a amostra em três dimensões (X, Y e Z). Um método de shadowgraph é implementado para iluminar a gota e é colocado ao longo do caminho óptico da câmera. O sistema deve usar um sistema de iluminação LED de alta qualidade (DC) de alta qualidade (incluindo uma lente condensador a collimação) que pode ser movido nas direções X e Z para alinhar o caminho óptico com a câmera. Presume-se também que o usuário tenha acesso a uma bomba de seringa que possa programar para produzir gotículas individuais de volume desejado quando conectada a uma determinada agulha35. A gotícula cai a gravidade de modo que sua velocidade de impacto é controlada pela posição da agulha acima da superfície. Embora essa configuração seja bastante genérica, a Tabela de Materiais lista equipamentos específicos utilizados para obter os resultados representativos, e observa algumas possíveis restrições impostas pela escolha dos equipamentos.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig1a.jpg"> Figura 1: Representação esquemática da configuração experimental mínima. Uma câmera de alta velocidade é posicionada para gotículas de imagem que impactam verticalmente em uma amostra de lado a lado. Uma fonte de luz LED está alinhada com a linha de visão da câmera para a sombreia. Uma agulha é usada para a produção individual de gotículas, e eixos cartesianos são definidos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig1alarge.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A descrição do método é focada na medição das bordas das gotículas líquidas à medida que caem e impactam. As imagens são obtidas do ponto de vista comumente usado. É possível investigar a disseminação de gotículas de vistas laterais e inferiores usando duas câmeras de alta velocidade13,14, mas a visão de baixo para cima não é possível para materiais opacos, e uma visão de cima para baixo produz complicações de alinhamento. O fluxo de trabalho básico poderia ser usado para melhorar a pesquisa de quaisquer objetos pequenos (2-3 mm de diâmetro) que impactem superfícies, e poderia ser usado para objetos maiores ou menores com outras pequenas alterações. Melhorias e alternativas à configuração experimental e ao método são consideradas ainda mais na seção de discussão.

<table><tbody><tr><td>Agulha de ponta romba de calibre 24</td><td>Sigma Aldrich</td><td>CAD7930</td><td></td></tr><tr><td>4 x 4 mm alinhamento quadrado (cromo sobre vidro)</td><td></td><td></td><td>Feito internamente usando litografia.</td></tr><tr><td>Seringa de 5 ml</td><td>~</td><td>~</td><td>Deve ser compatível com a bomba de seringa. Os conectores de trava Leur unem a seringa à agulha.</td></tr><tr><td>Lente condensadora asférica</td><td>Thor Labs</td><td>ACL5040U</td><td>Determina a largura do feixe, que deve cobrir o campo de visão.</td></tr><tr><td>Cabo ethernet Cat 5e</td><td>~</td><td>~</td><td>Uma conexão de dados rápida entre a câmera de alta velocidade e o PC, adequada para câmeras Photron.</td></tr><tr><td>Software de análise de impacto de gotículas</td> <td>~</td><td>~</td> <td>Fornecido como arquivo de codificação suplementar. Os dados de estrutura de tópicos são armazenados em arquivos .mat. Os cálculos são gerados como arquivos .csv.</td></tr><tr><td>LED de alta potência de superfície frontal LED</td><td>Luminus</td><td>CBT-40-G-C21-JE201 A</td><td>fonte de alimentação separada deve ser DC para evitar cintilação.</td></tr><tr><td>Câmera de alta velocidade</td><td>Photron</td><td>Photron SA5</td><td>Normalmente operado a ~ 10.000 fps para impactos de queda.</td></tr><tr><td>Software de câmera de alta velocidade</td><td>Photron</td><td>O Photron Fastcam Viewer Protocol</td><td>pressupõe que a câmera tem um gatilho final; que os arquivos de filme podem ser salvos em formato .avi e as capturas de tela em formato .tif em uma pasta designada; e que os filmes podem ser cortados.</td></tr><tr><td>Estágios de tradução linear</td><td>Thor Labs</td><td>DTS25/M</td><td>Usado para posicionar o LED, a amostra e a câmera.</td></tr><tr><td>Lente de câmera macro F-mount</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2.8 Lens</td><td>A escolha da lente determina o campo de visão.</td></tr><tr><td>PC executando Matlab 2018b</td><td>Matlab</td> <td>~</td> <td>PC poder de processamento e RAM pode afetar a velocidade do protocolo e, portanto, eficiência.</td></tr><tr><td>Polidimetilsiloxano (PDMS)</td><td>Dow</td><td>SYLGARD&trade; 184 Substratos de Elastômero de Silicone</td><td>feitos usando uma proporção de 10:1 (monômero:reticulador).</td></tr><tr><td>Tubulação de PTFE</td><td>~</td><td>~</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de seringa</td><td>Pump Systems Inc</td><td>NE-1000</td><td>O protocolo pressupõe que isso pode ser configurado para dispensar um volume específico.</td></tr></tbody></table>

análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

Estudos experimentais de impactos de queda líquida em superfícies são frequentemente restringidos em seu escopo devido à grande variedade de possíveis parâmetros experimentais, como propriedades materiais, condições de impacto e configurações experimentais. Compondo isso, os impactos de queda são frequentemente estudados usando fotografia de alta velocidade rica em dados, de modo que é difícil analisar muitos experimentos de forma detalhada e oportuna. O objetivo deste método é permitir um estudo eficiente dos impactos das gotículas com fotografia de alta velocidade, utilizando uma abordagem sistemática. O equipamento é alinhado e calibrado para produzir vídeos que podem ser processados com precisão por um código de processamento de imagem personalizado. Além disso, a configuração da estrutura do arquivo e o fluxo de trabalho descritoaqui garantem eficiência e organização clara do processamento de dados, o que é realizado enquanto o pesquisador ainda está no laboratório. O método de processamento de imagem extrai o contorno digitalizado da gotícula impactante em cada quadro do vídeo, e os dados processados são armazenados para análise suplementar conforme necessário. O protocolo pressupõe que uma gotícula é liberada verticalmente gravidade, e o impacto é gravado por uma câmera visualizando de lado com a gota iluminada usando a sombra. Muitos experimentos semelhantes envolvendo análise de imagens de eventos de alta velocidade poderiam ser abordados com pequenos ajustes no protocolo e no equipamento utilizado.

A conversão de distâncias medidas de imagens em pixels para milímetros é alcançada com o uso de um quadrado de referência conhecido. Este quadrado deve ser desobstruído no FOV da câmera, e em foco(Figura 2A). O foco incorreto do quadrado de referência (Figura 2B) produzirá um erro sistemático nas variáveis calculadas, por exemplo, velocidade. Para reduzir o erro no cálculo do fator de conversão, o quadrado de referência deve cobrir o máximo possível do FOV. O comprimento lateral do quadrado deve ser conhecido como uma precisão tão alta quanto possível, dado o limite de resolução da câmera.
O software de identificação de gotículas depende da superfície da amostra ser apresentada horizontalmente à câmera, como mostra a Figura 2C. Superfícies dobradas ou mal resolvidas(Figura 2D) produzirão erros de processamento de imagem. O software pode ser usado para analisar gotículas que impactam superfícies planas que não são horizontais, desde que a borda da superfície produza um contraste acentuado contra o fundo.
Para garantir que toda a gota se espalhe pelo software, a gotícula deve pousar no centro da amostra(Figura 2E). Se o sistema estiver incorretamente alinhado, a gotícula pode derivar da posição central e ficará fora de foco(Figura 2F). Se a gota estiver fora de foco, o tamanho calculado estará incorreto. Esse efeito é frequentemente causado pelo mau alinhamento do sistema usado para mover a agulha verticalmente para longe da superfície, o que produzirá uma deriva na localização do impacto em função da altura. Sugere-se que o usuário implemente um sistema óptico de prancha (ou similar) para garantir o alinhamento paralelo e perpendicular.
Para garantir que as bordas das bordas da gota impactante pareçam nítidas, sugere-se que o menor tempo de exposição possível com a fonte de luz disponível deve ser usado (Figura 2G). O alinhamento incorreto do caminho de iluminação em relação à câmera muitas vezes leva ao ajuste de outras configurações, como a abertura da câmera e o tempo de exposição. Isso produz uma borda difusa para a gotícula de viagem(Figura 2H)
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig02.jpg"> Figura 2: Problemas comuns com calibração incorreta do sistema. (A)Quadrado de calibração corretamente alinhado e focado. (B) Quadrado de calibração fora de foco, produzindo fator de calibração incorreto. (C) A superfície da amostra é horizontal e fornece um alto contraste entre a superfície da amostra e o fundo. (D) A amostra está em um ângulo para a câmera, produzindo uma superfície reflexiva. (E) Droplet pousa no centro da amostra no plano de foco. (F) Droplet aterrissa fora do centro e não está em foco devido à abertura ampla utilizada. (G) Uma gotícula é bordada com bordas afiadas devido a um curto tempo de exposição (10 μs). (H) A iluminação sub-ótima e um tempo de exposição mais longo (99 μs) produzem desfoque de movimento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A iluminação incorreta e o alinhamento da amostra podem produzir brilho e sombras nas imagens gravadas. Estes frequentemente produzem artefatos nas fases de processamento de imagens, o que pode reduzir o número de pontos de dados de boa qualidade coletados. O brilho é comum para fluidos transparentes se o caminho de iluminação não estiver alinhado horizontalmente. O software deve ser capaz de rastrear todo o contorno da gotícula nas imagens de vídeo (Figura 3A). Se o traço não for concluído, os valores medidos, como o comprimento da gotícula de espalhamento, estarão incorretos (Figura 3B).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig3a.jpg"> Figura 3: Comprimento de uma gotícula impactante em função do número do quadro de vídeo (quadro de impacto = 0). Cada ponto de dados azul corresponde às imagens de inset. (A)A iluminação correta permite que o software rastreie todo o contorno da gotícula (linha amarela). Os pontos de contato (cruzes verdes) são corretamente identificados, e o comprimento registrado da gotícula de propagação é uma função suave do número do quadro. (B) A má iluminação produz brilho no líquido e a borda esquerda da gotícula não é rastreada corretamente. O comprimento registrado da gotícula de disseminação demonstra imprecisões nos dados. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig3alarge.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Arquivo de codificação suplementar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/Supplementary_Coding_File.zip" target="_blank">Clique aqui para baixar este arquivo.</a>

Este protocolo permite a coleta eficiente de imagens experimentais de alta velocidade de impactos de queda líquida e uma análise rápida desses dados em lotes. Para agilizar esses processos, o método descreve como calibrar e configurar aparelhos, gerar uma estrutura de dados adequada e implantar um script de análise de imagem.

Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...

Este protocolo permite o estudo eficiente dos impactos da queda líquida em superfícies sólidas, um fenômeno cotidiano que é realmente importante na indústria. Os resultados podem ser realmente complexos, e dependem de muitos parâmetros experimentais diferentes. À medida que a aquisição e análise de dados são coordenadas, muitos experimentos podem ser realizados em um curto período de tempo, e a qualidade dos dados pode ser avaliada prontamente.Este método é útil para estudar quaisquer parâmetros básicos de impacto de queda. Quaisquer líquidos, tamanho da queda, velocidade de impacto de queda, qualquer material substrato, e sob quaisquer condições ambientais. Este método é realmente eficiente, mas há uma série de passos importantes necessários para configurá-lo corretamente.Seguir uma demonstração é a melhor maneira de evitar erros. Para configurar a câmera de alta velocidade, coloque um marcador de alinhamento na posição central do estágio de amostra, de frente para a câmera, e ajuste a ampliação da câmera para que o marcador quadrado se encaixe dentro do campo de visão. Quando o marcador estiver em foco, capture uma imagem.Carregue a interface gráfica do usuário para o software de análise de impacto de gotícula no MATLAB, clique em Calibrar Câmera e selecione a imagem capturada para executar o código de análise de imagem. Digite o tamanho do quadrado de calibração em milímetros e clique em OK. Mova o retângulo até que o quadrado de calibração seja o único objeto dentro do retângulo e clique bem. O software calculará automaticamente o fator de conversão.Para alinhar o sistema experimental, posicione o suporte da agulha ao nível dos olhos para facilitar o carregamento e verifique se a tubulação não está torcida. Utilizando uma seringa com uma agulha segura e limpa, limpe manualmente o tubo de qualquer fluido residual, mantendo a tubulação e a agulha em posição vertical. E encha a seringa com o fluido de interesse.Conecte a seringa à bomba de seringa controlada pelo computador e clique e segure o botão de distribuição da bomba de seringa para limpar a agulha até que não haja bolhas dentro do fluido. Ajuste a bomba para dispensar o volume apropriado para a liberação de gotículas de fluidos individuais e alinhe a amostra sob a agulha. Em seguida, use a bomba para distribuir uma única gota na amostra e confirme que a gota pousa e se espalha pela área de interesse da amostra.Quando as configurações da gotícula tiverem sido confirmadas, ajuste a posição vertical do suporte da amostra até que a superfície esteja nivelada com o centro do campo de visão da câmera e ajuste a posição horizontal da câmera para que a gota na amostra esteja alinhada no centro do campo de visão. Em seguida, ajuste as posições verticais e horizontais do LED para combinar com a posição da câmera para que o centro da luz apareça no centro do campo de visão. E ajuste a distância da câmera da gota para que a gota entre em foco.Uma vez que o sistema tenha sido alinhado e calibrado, defina a taxa de quadros da câmera como um valor ideal para o objeto que está sendo gravado. Defina o tempo de exposição da câmera para o menor de um valor possível, mantendo uma iluminação suficiente. E ajuste a abertura da lente para a menor configuração disponível, mantendo iluminação suficiente.Em seguida, ajuste o gatilho para a câmera usando um gatilho de modo final, de modo que a câmera tampe a gravação antes de parar no gatilho. Para realizar um experimento, crie uma pasta para armazenar os filmes para o lote atual de experimentos e defina esta pasta como o local de salvamento para o software da câmera de acordo com o guia do fabricante para a câmera. Certifique-se de que o formato de arquivo para imagens capturadas está definido como TIFF.Clique em Definir caminho na interface gráfica de análise de imagem do usuário e selecione a pasta de localização de salvamento para que o software monitore essa pasta para novos vídeos. Para criar a estrutura da pasta para experimentos em lote, clique em Fazer pastas e digite a altura mínima de liberação de gotículas, a altura máxima de liberação, o passo de altura entre cada experimento e o número de experimentos repetidos em cada altura. E clique em OK para executar o script de pastas de make.Para o impacto em uma superfície seca e sólida, limpe a superfície de acordo com um protocolo padrão adequado e permita que a superfície seque completamente. Para registrar um evento de impacto de gotícula, coloque a amostra no estágio da amostra para que ela esteja alinhada com a câmera e mova a agulha para a altura desejada de liberação de gotículas. Confirme se a visão da câmera está desobstruída antes de capturar e salvar uma imagem no software da câmera.Inicie a gravação de vídeo para que a câmera esteja gravando e tamponando, e use a bomba de seringa para distribuir uma única gota na amostra. Em seguida, acione a gravação para parar assim que o evento de impacto estiver completo. Remova a superfície do suporte da amostra e seque a superfície conforme apropriado.Para preparar o arquivo de vídeo capturado para análise, no software da câmera de alta velocidade, escaneie o vídeo para encontrar o primeiro quadro em que a gota está completamente dentro do campo de visão, e corte o início do vídeo para este quadro. Siga em frente pelo número de quadros necessários para capturar os fenômenos de interesse durante o experimento de impacto, e corte o final do vídeo para este quadro. Em seguida, salve o vídeo como um arquivo AVI e o caminho de salvamento para a pasta correspondente para o lote experimental atual, altura de lançamento e número de repetição.Na interface de análise de imagens, clique em Classificar arquivos e confirme visualmente que a imagem de fundo obtida agora é exibida na tela. Em seguida, clique em executar rastreamento para iniciar o processamento da imagem. O vídeo será exibido com o processamento de imagem resultante sobreposto.Verifique qualitativamente se o processamento da imagem está funcionando corretamente assistindo ao vídeo. Para análise de dados brutos, na interface gráfica de análise de imagem do usuário, clique em Dados de Processo para iniciar o cálculo das principais variáveis a partir dos dados do processo bruto. Em seguida, digite a taxa de quadros de gravação, densidade de fluidos, tensão da superfície fluida e valores de viscosidade fluida, e clique em OK. Os dados serão salvos no arquivo MAT da pasta de vídeo e exportados como um arquivo CSV.O quadrado de referência deve ser desobstruído no campo de visão da câmera e em foco. Um foco incorreto do quadrado de referência produzirá um erro sistemático nos valores calculados. O software de identificação de gotículas conta com a superfície da amostra sendo apresentada horizontalmente à câmera, como observado nesta imagem.Superfícies dobradas ou mal resolvidas produzirão erros de processamento de imagem. Para garantir que toda a gotícula seja rastreada pelo software, a gota deve pousar no centro da amostra. Se o sistema estiver incorretamente alinhado, a gota pode se afastar da posição central e estará fora de foco.Para garantir que as bordas de imagem da gotícula impactante pareçam nítidas, o menor tempo de exposição possível com a fonte de luz disponível deve ser usado. O alinhamento incorreto do caminho de iluminação em relação à câmera frequentemente afeta outras configurações, como a abertura da câmera e o tempo de exposição, resultando em uma borda difusa para a gota de viagem. O software deve ser capaz de rastrear todo o contorno da gota nas imagens de vídeo.Se o traço não for concluído, os valores medidos, como o comprimento da gotícula de propagação, estarão incorretos. É essencial que a câmera esteja corretamente focada e alinhada com a amostra, e que o vídeo salvo corresponda ao caminho fornecido no software. Caso contrário, a análise falhará.Conseguimos explorar variações nos resultados de impacto ao longo de uma série de parâmetros experimentais. Por exemplo, na determinação da velocidade de quando uma gota começa a espirrar.

high-throughput-analysis-of-liquid-droplet-impacts

Research

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Ensaio de citotoxicidade baseado em gotículas para avaliar células T receptoras de antígeno quimérico no nível de célula única

Esse protocolo apresenta um fluxo padrão de triagem de alta produtividade para microrganismos industriais. Envolve construir uma biblioteca mutante via mutagênese ARTP, realizar triagem positiva de gotículas com microfluídica automatizada e, posteriormente, verificar os resultados. A confiabilidade do fluxo de trabalho foi validada por meio de triagem de cepas de B. coagulans de alto rendimento.

Triagem de alto rendimento de mutantes Bacillus coagulans , hiperprodutora de ácido l-lático, utilizando uma plataforma microfluídica automatizada de gotículas

Aprenda a analisar impactos de gotículas líquidas em superfícies sólidas usando câmera de alta velocidade e MATLAB. Este método sistemático permite coletar dados precisos sobre dinâmica de fluidos em pouco tempo.

Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

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