Адаптация дисперсии Тейлора для измерения коэффициента дисперсии растворов электролитов с помощью доступной микрофлюидной установки

James M Teague; Lingyun Ding; Francesca Bernardi

doi:10.3791/69040

Методическая статья

Адаптация дисперсии Тейлора для измерения коэффициента дисперсии растворов электролитов с помощью доступной микрофлюидной установки

DOI:

10.3791/69040

⸱

7 октября 2025 г.

James M Teague¹ , Lingyun Ding² , Francesca Bernardi¹

¹Worcester Polytechnic Institute, ²University of California Los Angeles

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой статье мы представляем протокол адаптации эксперимента Тейлора по дисперсии к микромасштабу с использованием микроканалов, изготовленных на собственном предприятии с помощью настольного резака. Экспериментальная платформа может быть использована для расчета коэффициента диффузии одновидовых пассивных индикаторов и для визуализации многовидового ионного взаимодействия и разделения.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Область микрофлюидики становится все более заметной, поскольку она позволяет быстро и точно контролировать жидкости и частицы, облегчая синтез соединений и разделение смесей. Мы усовершенствовали доступную, воспроизводимую микромасштабную адаптацию эксперимента с дисперсией Тейлора с использованием микроканалов, изготовленных собственными силами с помощью настольного резака. Начальная стоимость этого быстрого и доступного метода микрофлюидной ксурографии составляет примерно 300 долларов США, что на порядки ниже, чем у типичных методов фотолитографии. Управляемый давлением ламинарный поток от программируемого шприцевого насоса транспортирует впрыскиваемый раствор индикатора вниз по микроканалу, где цифровая однообъективная зеркальная камера (D-SLR) с макрообъективом фиксирует изменение концентрации индикатора с течением времени в фиксированном месте. Используя эту экспериментальную платформу, мы можем рассчитать коэффициенты диффузии для одновидовых пассивных индикаторов в различных экспериментальных условиях. Затем мы распространили протокол на смеси электролитов, наблюдая предварительные доказательства изменений диффузии, возникающих в результате нетривиальных эффектов ион-ионного взаимодействия. Этот доступный экспериментальный метод предоставляет практический инструмент для исследования многовидового транспорта и позволяет получить представление о сложных взаимодействиях, управляющих подвижностью ионов.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В последние годы значительные исследовательские усилия были сосредоточены на исследовании и разработке экономически эффективных микрофлюидных устройств, которые обеспечивают точный контроль над потоком, частицами и переносом растворенных веществ. Многовидовые электролиты играют важнейшую роль в широком спектре применений, от хранения энергии и биомедицинской диагностики до мониторинга окружающей среды и очистки воды. Понимание того, как различные ионы диффундируют и взаимодействуют в этих системах, имеет важное значение для оптимизации производительности и стабильности в электрохимических и транспортных процессах.

Когда раствор электролита содержит ионы с различными коэффициентами диффузии, их неравномерная миграция индуцирует внутреннее электрическое поле, даже при отсутствии внешнего приложенного напряжения. Более быстро диффундирующие ионы имеют тенденцию отделяться от более медленных, на мгновение создавая дисбаланс заряда. Для сохранения электронейтральности система генерирует диффузионно-индуцированный электрический потенциал. Это поле замедляет более быстрые ионы и ускоряет более медленные. Результирующий электрический потенциал зависит от относительной подвижности ионов и градиентов концентрации и хорошо описывается уравнениями Нернста-Планка при ограничениях электронейтральности. Классические электрохимические модели, такие как уравнения Хендерсона и Нернста, количественно оценивают это явление, связывая его с числами переноса ионов и разницей концентраций¹.

Дисперсионный анализ Тейлора уже давно является мощным методом измерения молекулярной диффузии путем наблюдения за тем, как растворенное вещество распространяется в ламинарном потоке, управляемом давлением, через прямой канал ^2,3. Он учитывает взаимодействие между адвекцией и диффузией и позволяет точно выводить коэффициенты молекулярной диффузии из эффективных скоростей дисперсии. Этот метод особенно привлекателен, поскольку сочетает в себе точность, минимальные требования к выборке и быстрый сбор данных. Традиционно используемый для одновидовых индикаторов, недавние теоретические расширения теперь позволяют применять его к многовидовым системам, позволяя исследователям теоретически делать выводы об индивидуальной диффузии ионов на^{основе связанного транспортного} поведения.

Тем не менее, высокая стоимость и техническая сложность традиционных микрофлюидных установок, часто основанных на фотолитографии, зависящей от чистых помещений, создают значительные препятствия для более широкого внедрения этого метода. В этой работе мы представляем недорогую, доступную и воспроизводимую адаптацию метода дисперсии Тейлора, в котором используются микроканалы, изготовленные с помощью ксурографии с помощью настольного резака. Такой подход, начальная стоимость которого составляет около 300 долларов США, позволяет быстро создавать прототипы и последовательно изготавливать каналы без необходимости использования дорогостоящих специализированных помещений⁵. Используя светлопольную визуализацию с помощью цифровой зеркальной камеры и макрообъектива, протокол строит временной ряд эволюции концентрации индикатора в фиксированной точке захвата ниже по потоку от места инъекции⁶. Мы демонстрируем, что эта платформа может точно измерять коэффициенты диффузии для одновидовых пассивных индикаторов и расширять метод для анализа многовидовых электролитных систем. Результаты показывают четкие сигнатуры вариаций диффузии, возникающих в результате эффектов ион-ионного взаимодействия. Этот доступный и экономичный метод представляет собой практический инструмент для исследования явлений ионного переноса в сложных электролитных смесях. Например, предлагаемая экспериментальная установка может быть легко адаптирована для использования в качестве микромешалки для оценки эффективности смешивания многовидовых растворенных веществ⁷ или для проектирования желаемых распределений молекулярной массы полимера с помощью управляемого компьютером трубчатого проточного реактора⁸.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Подготовка материалов

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом отчете микрофлюидные чипы создаются путем резки микроканальных конструкций в одном слое полиимидной ленты шириной w = 2,54 см и толщиной h = 100 μм, который затем герметизируется между двумя листами полиэстера. Соотношение сторон микроканала (λ = h/w) зависит от толщины полиимида; Ширина канала (W) является единственным признаком поперечного сечения, который можно изменить в этом протоколе.

Разрежьте полиимидную ленту на полоску длиной 21 см.
Вырежьте два прямоугольника из полиэстера длиной 21 см и шириной 5 см.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для изготовления каждого микроканала длиной 18,77 см требуется одна полиимидная полоса и два прямоугольника из полиэстера. Один из прямоугольников из полиэстера вырезается с помощью настольного резака для создания входных и выходных отверстий, в то время как другой используется без изменений.
Отрежьте и отложите в сторону вторую полоску полиимидной ленты длиной 21 см для создания прокладки. Такая длина дает 32 прокладки; На каждый микроканал нужна одна прокладка.
Получите микроканальный порт с помощью трехмерной (3D)-печати на полимерном принтере.
1. Печать по одному порту на каждый микроканал. Файл .sdlprt для порта включен в дополнительный файл 1. Спроектируйте резьбу для наконечников шприцев Luer Lock, которые будут ввинчены в порт для водонепроницаемого уплотнения.
2. 3D-печать твердого тела (без заполнения) непосредственно на рабочей платформе без дополнительных опор. Задайте толщину слоя 0,10 мм.
3. Отверждение после печати в УФ-камере в течение 15 минут при температуре 60 °C.

2. Сборка экспериментальной установки

Изготовление верхнего слоя микрофлюидного чипа.
1. Запустите программное обеспечение для проектирования резаков.
2. Спроектируйте верхушку микроканала с помощью программного обеспечения для проектирования резаков или импортировав конструкцию из другого совместимого программного обеспечения.
3. Нарисуйте два круга диаметром 0,27 см на расстоянии 18,77 см друг от друга: это вход и выход потока. На расстоянии 2,71 см от входного отверстия начертите впускное отверстие меньшего размера диаметром 0,15 см.
  ПРИМЕЧАНИЕ: А . Файл шаблона DXF (Дополнительный файл 2) включен в качестве справочного материала.
4. Прикрепите один из двух прямоугольников из полиэстера из шага 1.2 к липкой стороне коврика для резки. С помощью малярного скотча шириной 2,54 см проведите лентой по четырем сторонам периметра.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку листы из полиэстера однородны с обеих сторон, их можно использовать с любой стороной «вверх». Малярный скотч необходим для предотвращения любого движения полиэстера во время резки. Другой прямоугольный вырез из полиэстера на шаге 1.2 используется как есть.
5. Убедитесь, что резак подключен к компьютеру с помощью программного обеспечения для проектирования через кабель универсальной последовательной шины (USB) или Bluetooth.
6. Загрузите коврик для резки в резак для рукоделия, совместив отмеченные края коврика со стрелками на резаке. Вставьте лезвие в паз каретки резака.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Потенциальные ошибки при изготовлении микроканалов в первую очередь являются результатом износа или несоосности лезвия. Износ лезвия может привести к тому, что стенки каналов будут обрезаны грубо и неравномерно. Чтобы решить эту проблему, для резки каждого типа материала используется разное лезвие, чтобы уменьшить быстрое ухудшение остроты лезвия. Следуя этому принципу, в этом протоколе необходимы два лезвия, одно для полиэстера, а другое для полиимидной ленты. Если при изготовлении каналов стенки канала становятся заметно шероховатее или негатив становится трудно удаляемым, возможно, лезвие нуждается в замене. Смещение лезвия может привести к тому, что лезвие не проникнет в материал под правильным углом, что приведет к более широким или узким каналам. Эта проблема чаще встречается в каналах меньшей ширины, но ее можно уменьшить, спроектировав стенки канала как длинные стороны прямоугольника непрерывного разреза, а не отдельные параллельные линии.
7. В правом верхнем углу страницы дизайна на мониторе компьютера нажмите « Отправить », чтобы перейти к просмотру материалов и настройкам обрезки.
8. Введите настройки резки листа полиэстера. При такой настройке рекомендуются следующие настройки: Глубина лезвия: 9, Сила: 33, Проходы: 1 и Скорость: 1.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендации по настройке резака основаны на работе Taylor and Harris⁵ 2019 года.
9. Нажмите «Отправить», чтобы отправить задание на резак для рукоделия. Резак начинает процесс резки, который занимает примерно 15 секунд.
10. Подождите, пока лезвие вернется в исходное положение. Затем снимите коврик для резки, нажав кнопку извлечения .
11. Удалите отрицательный полиэфирный материал с помощью пинцета. Разрезанный лист полиэстера включает в себя три отверстия: входное и выходное отверстия для потока на расстоянии 18,77 см друг от друга, и меньшее впускное отверстие между первыми двумя, на расстоянии 2,71 см от входного отверстия, как показано на рисунке 1A.
12. Снимите весь материал с режущего коврика и отложите верхнюю часть стружки в сторону.
  ПРИМЕЧАНИЕ: При резке на полиэстер лезвие оставляет шероховатый край, слегка выступающий из листа со стороны разреза. При сборке микрофлюидного чипа поворачивайте этот край вверх (в сторону от полиимида), чтобы он не мешал потоку через микроканал.
Прокладка для разреза
1. Проектируйте полиимидные прокладки в форме бублика с помощью программного обеспечения для проектирования резаков или импортируя дизайн из другого совместимого программного обеспечения.
2. Нарисуйте два концентрических круга диаметрами 0,52 см и 0,24 см соответственно.
  ПРИМЕЧАНИЕ: А . Файл шаблона DXF с 32 прокладками включен в качестве дополнительного файла 3. Для каждого порта при его подключении к микроканалу нужна одна прокладка.
3. Прикрепите полиимидную ленту из шага 1.3 к коврику для резки обеими липкой стороной вверх. С помощью малярного скотча шириной 2,54 см обмойте лентой по четырем сторонам периметра.
4. Загрузите коврик для резки в резак для рукоделия, совместив отмеченные края коврика со стрелками на резаке.
5. Замените лезвие, используемое для листов из полиэстера, на новое лезвие, которое будет использоваться исключительно для резки полиимидной ленты.
6. В правом верхнем углу страницы дизайна на мониторе компьютера нажмите « Отправить », чтобы перейти к просмотру материалов и настройкам обрезки.
7. Введите настройки резки полиимидной ленты. При такой настройке рекомендуются следующие настройки: Глубина лезвия: 9, Сила: 1, Проходы: 1 и Скорость: 1.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендации по настройке резака основаны на работе Taylor and Harris⁵ 2019 года.
8. Нажмите «Отправить», чтобы отправить задание на резак для рукоделия. Резак начинает процесс резки, который занимает примерно 40 с.
9. Подождите, пока лезвие вернется в исходное положение. Затем снимите коврик для резки, нажав кнопку извлечения .
Сборка верхнего листа, прокладки и порта
1. Поместите лист полиэстера, разрезанный в шаге 2.1, на ровную поверхность выступами вверх.
2. С помощью пинцета снимите одну прокладку с полиимидной ленты, вырезанной на шаге 2.2, и положите ее на плоскую нижнюю часть порта, напечатанного на 3D-принтере. Совместите отверстия для порта и прокладки; Чтобы помочь в этом, вставьте наконечник шприца через порт и используйте его в качестве ориентира.
3. Прикрепите порт с прокладкой к листу полиэстера, уложив его плашмя, совместив порт и входное отверстие для потока. Опять же, с помощью кончика шприца отцентрируйте порт по центру входного отверстия листа. Удерживайте на месте в течение 30 секунд, чтобы двусторонняя полиимидная прокладка прилегала к верхней части полиэфирной стружки.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Порт и верхний лист должны быть надежно соединены в этом месте, с возможностью поднять порт и верхний лист вместе, взяв только порт.
4. Нанесите небольшое количество суперклея на периметр порта, одновременно надавливая на него, чтобы создать постоянное водонепроницаемое уплотнение.
5. Оставьте в стороне на 2-3 часа или используйте спрей для активации суперклея и подождите 10 минут, чтобы обеспечить водонепроницаемое уплотнение.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте перчатки и работайте в вытяжном шкафу при работе с суперклеем.
Изготовление корпуса из полиимидных микроканалов
1. Спроектируйте микроканальный корпус с помощью программного обеспечения для проектирования резаков или импортировав проект из другого совместимого программного обеспечения.
2. Нарисуйте два круга диаметром 0,36 см на расстоянии 18,6 см друг от друга: они соответствуют входным и выходным отверстиям потока верхней части стружки, предусмотренной в пункте 2.1.3.
3. Между этими двумя отверстиями вставьте прямоугольник нужной ширины и длиной 18,77 см. Убедитесь, что 0,05 см прямоугольника перекрываются с входным и выпускным отверстиями, чтобы снизить риск случайного разрыва при снятии негатива.
4. Проведите одну перпендикулярную линию длиной 0,2 см, расположенную на расстоянии 17,71 см от отверстия для впуска потока и на расстоянии 0,2 см от канала с каждой стороны.
  ПРИМЕЧАНИЕ: А . Файл шаблона DXF включен в качестве дополнительного файла 4. Эта конструкция предназначена для микроканала длиной 18,77 см и шириной 400 мкм, как показано на рисунке 1B.
5. Прикрепите полиимидную ленту, разрезанную в шаге 1.1, к коврику для резки липкой стороной вверх. С помощью малярного скотча шириной 2,54 см обмойте лентой по четырем сторонам периметра.
6. Загрузите коврик для резки в резак для рукоделия, совместив отмеченные края коврика со стрелками на резаке. Оставьте то же лезвие, которое использовалось для разрезания прокладок в шаге 2.2.
7. В правом верхнем углу страницы дизайна на мониторе компьютера нажмите « Отправить », чтобы перейти к просмотру материалов и настройкам обрезки. Используйте те же настройки разреза для прокладок на шаге 2.2.7.
8. Нажмите «Отправить», чтобы отправить работу на резак. Резак начинает процесс резки, который занимает примерно 15 секунд.
9. Подождите, пока лезвие вернется в исходное положение. Затем снимите коврик для резки, нажав кнопку извлечения на резаке. Микроканал с видимыми элементами входа, выхода и точки захвата теперь вырезан в полиимиде.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Сориентируйте чип так, чтобы точка захвата находилась ближе к розетке; В предусмотренной конструкции он находится на расстоянии 1,107 см от выходного отверстия, так что расстояние между входным отверстием трассера и точкой захвата составляет 15 см.
10. Удалите негативный полиимидный материал из канала с помощью пинцета. В зависимости от ширины и особенностей микроканала, это очень деликатная процедура, которая больше подходит для высокоточного пинцета.
11. Снимите весь материал с коврика для резки и отложите микроканал в сторону; Убедитесь, что липкая сторона остается нетронутой.
Сборка микрофлюидного чипа
1. Поместите полиимидную ленту липкой стороной вверх на ровную поверхность.
2. Поместите нижний прямоугольник из полиэстера (без отверстий) размером с шагом 1.2 на открытую полиимидную ленту. Центрируйте полиимидную полосу по ширине полиэстера.
3. Надавите валиком вниз, чтобы удалить крупные пузыри, и осмотрите полиамид на наличие мусора или складок.
4. Переверните полиимидную ленту и снимите ее защитный чехол с нижней стороны.
5. Совместите верхний лист полиэстера, установленный с помощью напечатанного на 3D-принтере порта, по входу и выходу полиимидной ленты и положите лист полиэстера поверх полиамида.
6. Надавите валиком вниз, чтобы удалить крупные пузыри и осмотрите полиимидную ленту на наличие мусора или складок.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Значительный мусор в канале или на стенках, а также смещенные входные и выходные отверстия влияют на ламинарный поток, ставя под угрозу эксперимент. На этом изготовление микрофлюидного чипа завершено, как показано на рисунке 1C.
Сборка опытного участка
1. Настройка шприцевого насоса
  1. Наполните стеклянный шприц объемом 0,5 мл деионизированной (DI) водой. Установите шприц на программируемый шприцевой насос и нажимайте кнопку быстрой перемотки вперед, пока из кончика шприца не начнет выходить вода.
  2. Отрежьте и подсоедините кусок трубки из политетрафторэтилена (ПТФЭ) длиной 50 см (внутренний диаметр 0,3048 мм, внешний диаметр 0,762 мм) к наконечнику шприца 27-G длиной 1,27 см и наружным диаметром 0,4064 мм. С помощью пинцета вставьте трубку на кончик шприца и потяните вниз.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Сделайте небольшой надрез примерно на 1 мм, чтобы обеспечить более широкую площадь отверстия в трубке из ПТФЭ, и направьте в нее наконечник шприца, как показано на рисунке 2.
  3. Наполните наконечник шприца, соединенный с трубкой, деионизионной водой так, чтобы в отверстии образовался выпуклый мениск.
  4. Прикрепите наконечник к стеклянному шприцу, установленному на насосе, следя за тем, чтобы в шприце или наконечнике шприца не образовывались пузырьки воздуха.
  5. Установите шприцевой насос только на инфузию. Введите тип и размер шприца как 0,5 мл.
2. Настройка световой панели
  1. Подключите световую панель и расположите ее у края лабораторного стола. Это поверхность, на которую будет наклеен микроканал, и произойдет экспериментальный прогон.
  2. Включите световую панель в режим максимальной яркости. Обеспечение постоянного освещения в зоне, в которой проводятся эксперименты, имеет жизненно важное значение, поскольку каждое изменение влияет на захват изображения камерой.
  3. Прикрепите микрофлюидный чип, собранный на шаге 2,5, к световой панели с помощью малярного скотча шириной 2,54 см.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Примотайте канал скотчем достаточно близко к краю лабораторного стола, чтобы его можно было сфотографировать с помощью камеры, описанной в шаге 2.6.3. В данной экспериментальной установке такое расстояние составляет 1 см.
3. Настройка камеры
  1. Вставьте защищенную цифровую карту (SD) в цифровую зеркальную камеру и используйте подключаемый аккумулятор для питания камеры. Установите на камеру макрообъектив 20 мм f/2. Подключите камеру к дистанционному триггеру.
  2. Установите штатив и установите камеру макрообъективом над экспериментом, лицом вниз. Используйте уровень, чтобы убедиться, что макрообъектив параллелен интересующей области канала.
  3. Центрируйте вид камеры на точке захвата, вырезанной полиимидной лентой. Камера должна находиться на высоте не менее 1 см над световой панелью, чтобы она могла захватывать как срез точки захвата, так и широкий обзор канала. Изображения будут получены в фиксированном месте ниже по течению от места входа трассера.
  4. Включите камеру и переведите ее в ручной режим с выдержкой 1/100 с и ISO 800. Установите Качество изображения на JPEG Fine и Размер изображения на Большой. Установите настройку баланса белого на Флуоресцентный 2. Откройте параметры области изображения и установите область изображения на DX (24x16). Макрообъектив установлен на диафрагму F2.6 с увеличением ×4.
  5. Запрограммируйте камеру с помощью дистанционного триггера на съемку каждые 1 с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Заявленные настройки камеры основаны на условиях окружающей среды и могут меняться в зависимости от окружающего освещения, камеры, объектива и т. д.
Подготовка индикаторов
1. Отмерьте 0,60 г порошка флуоресцеиновой натриевой соли для приготовления индикаторного раствора. Разведите порошок в 1 л дистиллированной воды до получения желаемой концентрации красителя (концентрация 0,6 г/л).
  ПРИМЕЧАНИЕ: Используемый краситель и его концентрация могут быть изменены по мере необходимости. Тем не менее, необходимо убедиться в том, что существует линейная зависимость между интенсивностью индикатора и его концентрацией. В данном случае это было достигнуто путем визуализации образцов с использованием экспериментальных условий с различными известными концентрациями и высотой каналов. Концентрация флуоресцеиновой натриевой соли 0,6 г/л была выбрана так, чтобы она находилась в диапазоне, создавая линейную зависимость при построении значений интенсивности синего канала из полного красного, зеленого и синего изображения (RGB). Фотография полной экспериментальной установки показана на рисунке 3. На рисунке 4 показаны диаграммы вида сверху ( рисунок 4A) и вида сбоку ( рисунок 4B) экспериментальной установки.

3. Экспериментальный прогон

Настройка
1. Наклейте слой скотча поверх входного отверстия индикатора, чтобы предотвратить отток, убедившись, что одна сторона сложена для удобства снятия.
2. Запустите программируемый шприцевой насос, чтобы наполнить микроканал деионизированной водой с очень низкой скоростью потока.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Для микроканала размерами h x w x l = 100 μm x 400 μm x 18,77 см используйте объемный расход 2,4 μL/мин (соответствующий расходу 0,1 см/с).
3. Когда затопление будет завершено примерно через 5 минут, убедитесь, что не образовались пузырьки воздуха.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Если образуются пузырьки воздуха и их нельзя удалить, просто увеличив время затопления, удалите деионизированную воду и промойте микроканал небольшим количеством этанола или другой жидкости с низкой когезией и низким поверхностным натяжением. Затем быстро снова залейте канал деионизированной водой, предварительно хорошо промыв его, чтобы не осталось этанола.
4. Выключите шприцевую помпу.
Исходное условие
1. Заполните наконечник микропипетки объемом 0,5 мкл индикатором, смешанным на шаге 2.7.
2. Снимите покрытие ленты с входного отверстия трассера с помощью сложенного язычка. Используя уголок салфетки с низким уровнем ворса, слегка удалите деионизионную воду из входного отверстия трассера и подождите 30 секунд, чтобы гарантировать стабилизацию фронтов деионизированной воды.
3. По прошествии времени выгрузите содержимое микропипетки во входное отверстие. Немедленно загерметизируйте отверстие, разгладив ленту над ним с минимальным давлением плавным движением.
  ПРИМЕЧАНИЕ: На этом шаге создается начальное условие трассировщика. Прежде чем начать экспериментальный прогон, трассер должен будет диффундировать по поперечному сечению микроканала.
4. Подождите некоторое время t_w > t_wd, чтобы трассирующий болюс диффундировал по поперечному сечению микроканала.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Рассчитайте время диффузии по ширине канала как t_wd = (w/2)²/κ, где κ - коэффициент молекулярной диффузии индикатора (^см2/с), а w/2 - половина ширины микроканала. Предполагая, что трассер вводится в середину канала, самое большое расстояние, которое ему придется пройти, чтобы достичь стены в течение этого периода ожидания, составляет половину его ширины. Этот способ вычисления времени ожидания, t_w, может быть обобщен на любое сечение с соответствующим выбором характеристической длины. В репрезентативных результатах, приведенных здесь, время ожидания составляет примерно t_w = 14 с для w = 400 мкм, а h = 100 мкм.
Течь
1. Убедитесь, что шприцевой насос настроен на желаемую объемную скорость потока.
2. Одновременно запустите насос шприца и активируйте дистанционный триггер. Проведите эксперимент в течение 5 минут, делая фотографии со скоростью 1 кадр в секунду.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Объемный расход 2,4 мкл/мин соответствует расходу 0,1 см/с в микроканале с w = 400 мкм и высотой h = 100 мкм (соотношение сторон: λ = 1/4).

4. Обработка данных

Извлеките карту памяти из камеры и загрузите изображения на компьютер с программным обеспечением для обработки изображений, которое будет использоваться для анализа.
Обработка экспериментальных данных
ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы кодов, используемые для обработки данных, включены в Дополнительный файл 5.
1. Запустите предоставленные файлы обработки данных. На экране появляется изображение, снятое цифровой зеркальной камерой. Щелкните и перетащите прямоугольную область, выровняв ее высоту по расстоянию между стенками микроканала.
2. Если горизонтальные стороны прямоугольника не идеально совпадают со стенками микроканала, изображение необходимо повернуть. Наведите курсор на угол прямоугольника, щелкните и поверните его так, чтобы его горизонтальные стенки были параллельны стенкам микроканала. Нажмите любую клавишу, чтобы продолжить; всплывающее окно с фотографией закрывается и снова открывается после поворота, как показано на рисунке 5A.
3. Щелкните и перетащите квадратную область, длина стороны которой совпадает с расстоянием между стенками микроканала и центрирована в точке захвата. Это будет область, представляющая интерес для сбора данных, как показано на рисунке 5B; Каждое изображение в последовательности будет обрезано с использованием той же области. Нажмите любую клавишу, чтобы продолжить; Всплывающее окно с изображением закроется.
4. В каждом пикселе обрезанной области извлеките синий канал из полного изображения RGB (рис. 5C) и инвертируйте его, вычитая его значение из 255, максимального значения цветового канала (рис. 5D).
  ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите синий канал («B» из полного RGB), так как он лучше всего улавливает интенсивность флуоресцеинового красителя при попытке отличить область канала от границы полиимидной ленты с используемым источником освещения⁶.
5. Вычислите среднее значение интенсивности инвертированного синего канала для обрезанной области.
6. Повторите шаги 4.2.4-4.2.5 для всех оставшихся изображений, чтобы извлечь и сохранить среднее значение интенсивности инвертированного синего канала для обрезанной области на каждой фотографии. В результате получается временной ряд для средней интенсивности инвертированного синего канала в точке захвата.
Экстраполированный крой
1. Встроенный в код нелинейный набор инструментов curveFitter принимает в качестве входных данных среднюю интенсивность временного ряда инвертированного синего канала, созданного на шаге 4.2.6, и производит аппроксимацию с использованием пользовательского уравнения:
  (1)
  В коде используется нелинейный метод наименьших квадратов для вычисления наилучшего соответствия для четырех параметров: h₃, x₁, K и h₄. Здесь h₄ является поправкой на экспериментальную базовую интенсивность, измеренную при заполнении микроканала деионизированной водой. Параметр K — экспериментальный коэффициент повышенной дисперсии.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Уравнение (1) адаптировано из предсказания теории дисперсии Тейлора для эволюции концентрации индикаторов во времени ^2,5,9, представленной в репрезентативных результатах в виде уравнения (2).

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этапы изготовления микрофлюидных чипов показаны на рисунке 1. На рисунке 2 представлены предлагаемые шаги по подключению трубки из ПТФЭ к наконечнику шприца, используемому для впрыска фонового потока деионизированной воды (DI) в микрофлюидный чип через программируемый шприцевой насос. На рисунке 3 приведена помеченная фотография полной экспериментальной установки. На рисунке 4 представлены диаграммы с видом сверху (рисунок 4A) и видом сбоку (рисунок 4B) экспериментальной установки, на которых выделено относительное расположение микрофлюидного чипа и камеры. На рисунке 5 показана последовательность операций, примененных к экспериментальным изображениям на этапе обработки данных протокола. На рисунке 5A мы демонстрируем, как код выравнивает микроканал по горизонтали (если это необходимо), затем на рисунке 5B показано обрезание квадратной области интереса, центрированной вокруг точки захвата и с длиной стороны, заданной шириной микроканала, w. Рисунок 5C изолирует синий канал от полного изображения RGB в обрезанной области интереса. и, наконец, на рисунке 5D показано инвертированное значение интенсивности для синего канала обрезанной области, полученное путем вычитания его из 255 (максимальная интенсивность для каждого цветового канала).

На рисунке 6 наложены результаты одного экспериментального прогона (пунктирно) с соответствующей экстраполированной аппроксимацией (сплошная). Здесь каждая точка экспериментальных данных представляет собой усредненное значение интенсивности инвертированного синего канала, вычисленное с помощью этапов обработки данных, показанных на рисунке 5. Теория дисперсии^{Тейлора} ^2,5,9 предсказывает, что в неподвижной точке захвата ниже по течению от входного отверстия индикатора эволюция концентрации индикатора с течением времени описывается следующим образом:

figure-results-1 (2)

где C(t) – усредненная по поперечному сечению концентрация индикатора (г/л), которая, как было проверено, линейно связана с измеренной интенсивностью индикатора; C₀ — начальная концентрация индикатора (г/л), U — скорость потока (см/с), t — время (с), x (см) — осевая координата в канале относительно места впрыска индикатора. K — повышенный коэффициент дисперсии индикатора (^см2/с) из-за взаимодействия адвекции и молекулярной диффузии. Мы вводим экспериментальные параметры и используем нелинейное приложение кода для аппроксимации кривой (curveFitter), чтобы найти наилучшее значение аппроксимации для K. Три экспериментальных кадра для времени t = 140 с, 150 с и 200 с показаны рядом с экспериментальной (пунктирной) и подогнанной (сплошной) кривыми, полученными для одного экспериментального прогона при расходе U = 0,1 см/с в микроканале длиной 18,77 см и соотношением сторон λ = 1/4; это соответствует номеру Пекле Pe figure-results-2 88. В данном случае индикатор состоит из 0,6 г/л флуоресцеина натриевой соли, разведенной в воде типа DI с коэффициентом молекулярной диффузии, описанным^{в литературе как} κ = 5,70 x ^10-6 ^см2/с. Все эксперименты, описанные в этой рукописи, проводились при комнатной температуре 22 °C.

Экспериментальный повышенный коэффициент дисперсии, K, может быть использован для проверки валидности нашей экспериментальной установки и протокола путем вычисления связанной величины – коэффициента дисперсии ^2,5,9,12, f. Этот параметр зависит от геометрии канала и рассчитывается как ^5,12,13:

figure-results-3 (3)

где κ — коэффициент молекулярной диффузии индикатора (^см2/с), а h/2 — выбранная характеристическая длина. Число Пекле является безразмерным параметром, количественно определяющим отношение адвективных и диффузионных эффектов, Pe = Uh/(2κ). На рисунке 7 показано хорошее соответствие между результатами экспериментальных прогонов в микроканалах с прямоугольными сечениями трех различных соотношений сторон и скоростей потока и теоретическим поведением коэффициента дисперсии ^5,12,13.

figure-results-4
Рисунок 1: Изготовление микрофлюидных чипов. (A) Дизайн верхнего листа полиэстера чипа размером 21 x 5 см. Настольный резак для рукоделия вырезает три отверстия слева направо, которые служат входом потока, входом трассера и выходом потока соответственно. (B) Проектирование полиимидного микроканала длиной 18,77 см с точкой захвата на расстоянии 15 см ниже по потоку от входного отверстия трассера. (C) Разнесенный вид сборки микрофлюидной микросхемы, снизу вверх: нижний слой полиэстера, слой полиимидных микроканалов, верхний слой полиэстера с полиимидной прокладкой и 3D-печатным портом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 2: Схема, показывающая, как подсоединить трубку из ПТФЭ к наконечнику шприца. Внутренний диаметр трубки составляет 0,3048 мм, а внешний диаметр наконечника шприца 27-G — 0,4064 мм, поэтому небольшой надрез примерно на 1 мм (слева) может быть полезен для обеспечения более широкой области отверстия для направления наконечника шприца (в центре). С помощью пинцета вставьте трубку на кончик шприца и потяните вниз (вправо). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-6
Рисунок 3: Подписанная фотография экспериментальной установки. Слева направо: цифровая зеркальная фотокамера с макрообъективом 20 мм f/2 установлена на штатив лицевой стороной вниз для захвата микроканала, прикрепленного к световой панели с подсветкой. Стеклянный шприц объемом 0,5 мл, подключенный к микроканалу через трубку из ПТФЭ, устанавливается на программируемый шприцевой насос. Дистанционный триггер используется для активации камеры во время экспериментальных запусков. Микропипетка используется для создания начального условия индикатора, как описано в шаге 3.2 протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-7
Рисунок 4: Схемы экспериментальной установки (не в масштабе). (A) Вид сверху, слева направо: программируемый шприцевой насос, установленный на стеклянном шприце объемом 0,5 мл; трубка из ПТФЭ, соединяющая шприцевой насос с микрофлюидным чипом; микрофлюидный чип, приклеенный на световую панель на расстоянии 1 см от края; микропипетка, используемая для введения трассирующего раствора через входное отверстие индикатора; Зеркальная фотокамера с макрообъективом, установленным на штативе лицевой стороной вниз, чтобы кадрировать точку захвата. (B) Вид сбоку, слева направо: трубка из ПТФЭ, соединяющая шприцевой насос с микрофлюидным чипом; наконечник шприца и напечатанный на 3D-принтере порт на микрофлюидном чипе; микропипетка, используемая для введения трассирующего раствора через входное отверстие индикатора; Зеркальная фотокамера с макрообъективом установлена лицевой стороной вниз на высоте 1 см над точкой захвата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-8
Рисунок 5: Этапы обработки изображения в предоставленном коде (см. Дополнительный файл 5). (A) Повернуто экспериментальное изображение так, чтобы микроканал был горизонтальным. Масштабная линейка: 1000 мкм. (B) Выделение квадрата для области интереса (ROI) для обрезки с длиной стороны, соответствующей расстоянию между стенками микроканала; здесь 400 мкм. (C) Обрезанный ROI, где синий канал выбирается из полного красного, зеленого и синего (RGB) изображения. Масштабная линейка: 200 мкм. (D) Инвертированный синий канал для обрезанной ROI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-9
Рисунок 6: Усредненная по поперечному сечению интенсивность индикатора в зависимости от времени в точке захвата камеры для флуоресцеинового индикатора (пунктир), наложенная на экстраполированную кривую (сплошная). Это испытание проводилось с 0,6 г/л флуоресцеиновой натриевой соли в индикаторе воды DI, в микроканале длиной 18,77 см и соотношением сторон λ = 1/4, при расходе 0,1 см/с и PE figure-results-10 88. Над графиком показана интенсивность инвертированного синего канала для трех экспериментальных кадров в 140 с (синий), 150 с (оранжевый) и 200 с (зеленый) с удвоенной яркостью для четкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-11
Рисунок 7: Зависимость коэффициента дисперсии от соотношения сторон микроканала. Сравнение теоретических (синяя кривая) и экспериментальных значений (черные точки данных) для коэффициента дисперсии, f. Теоретическая кривая получена с помощью встроенного решателя дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов в системе Wolfram Mathematica (NDSolve)¹². Показано среднее и стандартное отклонение экспериментальных данных для: четырех испытаний с λ = 0,1 и расходом 0,02 см/с; двенадцать испытаний с λ = 0,25 и скоростью потока 0,05 см/с (четыре), 0,1 см/с (четыре) и 0,2 см/с (четыре); четыре испытания с λ = 0,5 и расходом 0,1 см/с. Все эксперименты проводились на микроканалах длиной 6,07 см (с точкой захвата на расстоянии 3 см ниже по течению от входного отверстия трассера); Затем результаты были сравнительны на микроканалах 18,77 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный файл 1: файл .sdlprt для порта Нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 2: . Файл шаблона DXF верхнего слоя чипа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 3: . Файл шаблона DXF для прокладок чипов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 4: . Файл шаблона DXF микроканала микроканала микросхемы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 5: Файлы кода MATLAB, используемые для обработки данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом отчете мы представили воспроизводимую и доступную экспериментальную установку и протокол для адаптации эксперимента Тейлора по дисперсии к микрофлюидному масштабу. Мы используем существующую технологию ксурографии⁵ для производства наших микроканалов на собственном предприятии с минимальными затратами с использованием 3D-печати и настольного резака. Действующий отраслевой стандарт для производства микроканалов предполагает создание мастер-форм, в которые можно отливать каналы. По сравнению с методом, рассмотренным в данной рукописи, эти методы могут иметь значительно лучшее разрешение канала и размер элемента (некоторые из них могут достигать 0,1 мкм), но имеют недостаток в виде гораздо более высоких накладных расходов, до десятков^{тысяч долларов США}. В дополнение к первоначальным накладным расходам, любое изменение конструктивных особенностей канала требует как создания новой мастер-формы, так и отверждения новых каналов, что увеличивает время простоя. Для сравнения, начальная стоимость оборудования для производства каналов, используемого в этом отчете, составляет примерно 300 долларов США; Это сопоставимо с наименее дорогостоящим способом изготовления мастер-формы (например, с использованием методов, основанных на полидиметилсилоксане (PDMS)), но имеет преимущество, заключающееся в том, что изменения в конструкции каналов и печать новых каналов занимают значительно меньше времени при сохранении шероховатости поверхности, сравнимой с ведущими технологиями производства для каналов шириной 200 мкм⁵. Мы можем разрезать микрофлюидный чип менее чем за 5 минут и менее чем за 1 доллар США.

В этом протоколе данные записываются в фиксированной точке захвата ниже по потоку от входа трассера через светлопольную визуализацию с помощью цифровой зеркальной камеры, установленной с макрообъективом. Хотя протокол был разработан с использованием раствора флуоресцеиновой натриевой соли в деионизированной воде (DI), этот метод визуализации применим к другим типам красителей, таким как пищевые красители, при условии, что существует линейная зависимость между интенсивностью индикатора и концентрацией. Потенциальный диапазон используемых химических веществ может быть еще больше расширен за счет учета их спектра поглощения и фонового освещения. Тем не менее, мы отмечаем, что некоторые пищевые красители получают из растительного сырья и могут содержать более одного химического вида; Следует соблюдать осторожность при выборе пищевого красителя, который будет использоваться, чтобы избежать противоречивых результатов.

Валидность этой установки и протокола была проверена путем вычисления экспериментального коэффициента дисперсии f для изменяющегося отношения сторон канала и экспериментальной скорости потока и сравнения его с его теоретическими значениями для микроканалов прямоугольного сечения, как показано на рисунке 7. Мы также рассчитали коэффициент диффузии κ для одновидовых пассивных индикаторов в этих изменяющихся экспериментальных условиях. В таблице 1 приведен коэффициент молекулярной диффузии флуоресцеиновой натриевой соли, полученный в результате этого экспериментального исследования. В частности, табличные κ-значения были рассчитаны из уравнения (3) с использованием экспериментальных аппроксимации для повышенного дисперсионного коэффициента K и теоретических значений для дисперсионного коэффициента f. Приведены средние значения для четырех экспериментов на микроканалах с различными соотношением сторон (λ = 0,1, 0,25 и 0,5) и скоростью потока (0,05, 0,1 и 0,2 см/с). Для каждого из них мы также включаем относительную погрешность относительно теоретического значения^10,11, κ = 5,70 x ^10-6^см2/с, демонстрируя точность нашего метода. Наконец, для каждого набора экспериментальных параметров мы сообщаем число Пекле и безразмерный диапазон времени, определенный делением размерного времени t при отклонении кривой интенсивности эксперимента от исходного уровня на время диффузии t_d = h²/(4κ). Мы включили безразмерный экспериментальный временной диапазон, чтобы продемонстрировать, что наша система вошла в режим дисперсии Тейлора и, следовательно, может быть хорошо аппроксимирована профилем Гаусса¹⁵. На самом деле, время наблюдения, указанное в последних двух столбцах таблицы 1, примерно в 2–5 (или более) раз превышает время диффузии t_d.

Затем мы расширили протокол для исследования многовидового взаимодействия ионов и разделения. Ниже мы приводим результаты эксперимента по диспергированию Тейлора с многовидовым раствором электролита, полученным путем смешивания флуоресцеина натриевой соли и синего пищевого красителя в деионизированной воде. На рисунке 8 показана временная эволюция кривых интенсивности инвертированного синего канала в точке захвата камеры для трех растворенных веществ: раствора синего пищевого красителя в деионизированной воде (–), раствора флуоресцеиновой соли натрия в деионизированной воде (...) и смешанного синего пищевого красителя и раствора флуоресцеина натриевой соли в деионизированной воде (----). Каждая кривая является средним значением пяти экспериментальных попыток с одним стандартным отклонением в каждом направлении (затенением). Кривые показывают, что эксперименты только с синим пищевым красителем (–) сначала достигают минимума, по сравнению с временной шкалой максимума для экспериментов с флуоресцеином натриевой соли (...). Это согласуется с тем фактом, что флуоресцеиновая натриевая соль имеет коэффициент молекулярной диффузии на порядок меньший, чем у синего 1, используемого в качестве красителя для синего пищевого красителя¹⁶. Эксперименты со смешанными растворами (----) подчеркивают эту разницу во времени и последующее разделение ионов, видимое через изменение профиля интенсивности вогнутости; Кривая сначала опускается ниже базовой линии, а затем поворачивает вверх и достигает пика выше базовой линии. На рисунке 9 мы построили ту же кривую интенсивности синего канала (----) в смешанном растворе, наложенную на кривую, полученную путем суммирования отдельных вкладов экспериментов с синими пищевыми красителями и экспериментов с флуоресцеином натриевой соли (+++). Разница между двумя кривыми подчеркивает влияние, которое ион-ионное взаимодействие оказывает на кривую интенсивности смешанного раствора. При простом сложении двух отдельных вкладов растворенного вещества кривая (+++) представляет собой более глубокий минимум, обусловленный сильным вкладом раствора синего красителя ниже исходного уровня (показан как – на рисунке 8), прежде чем вогнутость изменится в более длительном временном масштабе по сравнению с кривой смешанного раствора (----). Наконец, суммарная кривая снова показывает более высокий пик над базовой линией по сравнению со смешанной кривой из-за поведения раствора флуоресцеиновой соли натрия (показано как ... на рисунке 8). Более мягкий пик наряду с сокращением временной шкалы указывает на взаимодействие между синим пищевым красителем и ионами флуоресцеиновой соли натрия.

Профили интенсивности на рисунках 6, 8 и 9 демонстрируют асимметрию; это может быть связано с некоторыми различиями между классической теорией дисперсии^{Тейлора} ^2,5,9 и величиной, измеренной в экспериментах. Профиль концентрации, предсказанный уравнением (2), симметричен в пространстве, но в нашей экспериментальной установке измерение производится в фиксированной точке захвата ниже по потоку от места инъекции индикатора в зависимости от времени. Если рассматривать результирующий профиль как функцию времени, то он по своей сути искажен. Эта временная асимметрия согласуется с наблюдениями, опубликованными в предыдущих исследованиях, включая Taylor and Harris (2019)⁵. Другой возможной причиной асимметрии является влияние конечной площади экспериментального окна захвата изображения. Возможная альтернатива гауссову аппроксимации, описанной в уравнении (1), включает подгонку экспериментальных данных к интегралу гауссова выражения в уравнении (2) над конечной областью захвата изображения (в x), как это сделано в Bharadwaj, Santiago, and Mohammadi (2002)¹⁷. Этот вклад в асимметрию становится особенно актуальным, когда размер ячейки захвата сопоставим со стандартным отклонением кривой Гаусса; здесь длина нашего окна захвата всегда по крайней мере на порядок меньше стандартного отклонения Гаусса.

Этот недорогой экспериментальный метод обеспечивает доступный подход к эксперименту Тейлора по дисперсии на микроуровне. Самым деликатным этапом в протоколе является изготовление и удаление микроканального негатива. В процессе производства необходимо уделять особое внимание обеспечению надежности канала перед резкой, чтобы предотвратить неправильные порезы. При удалении негатива убедитесь, что на нем не осталось материала, и избегайте контакта с боковыми стенками канала, которые должны быть гладкими, параллельными и прямыми для обеспечения надежных результатов эксперимента. Ограничением этого метода является собственный предел разрешения рентгенографии. В этой рукописи наиболее сложными для создания каналами являются каналы с шириной w = 200 мкм (и соотношением сторон λ = 0,5), которые упираются в^{предел разрешения} резака 5. Основной причиной ошибки является шаговый двигатель, используемый резаком, который перемещает лезвия с определенным шагом на основе механических зубчатых колес. Если конструкции требуют, чтобы разрезы происходили между заданным шагом шага, возникает большая ошибка. Углубленная работа по выявлению пределов разрешающей способности данного метода ксурографии доступна в литературе⁵.

Эта экспериментальная процедура обеспечивает простой способ вычисления повышенного коэффициента дисперсии, K, и коэффициента молекулярной диффузии, κ, одновидовых пассивных индикаторов. Кроме того, протокол предлагает простой способ визуализации взаимодействия и динамики разделения между ионными соединениями. Учитывая доступность и универсальность платформы, этот метод подходит для анализа динамики между ионными соединениями и дальнейшего понимания сложного взаимодействия явлений переноса, а также может быть легко использован в таких приложениях, как микромиксеры.

					Безразмерное время
Соотношение сторон, λ	Расход (см/с)	Экспериментальное κ (см²/с)	Относительная погрешность	Номер Пекле (Pe)	т_мин/т_д	t_max/t_d
0.1	0.02	5,813 х ^10-6 ± 3,797 х ^10-7	1,982 х ^10-2	~ 18	~ 30	~ 52
0.25	0.05	5,333 х ^10-6 ± 4,179 х ^10-7	6.443 х ^10-2	~ 44	~ 11	~ 27
0.25	0.1	5.655 х ^10-6 ± 2.822 х ^10-7	7.838 х ^10-3	~ 88	~ 6	~ 16
0.25	0.2	5,978 х ^10-6 ± 1,724 х ^10-7	4.884 х ^10-2	~ 175	~ 2	~ 10
0.5	0.1	5.444 х ^10-6 ± 4.790 х ^10-7	4.496 х ^10-2	~ 88	~ 6	~ 16

Таблица 1: Экспериментальный коэффициент молекулярной диффузии (κ) для флуоресцеиновой натриевой соли. Результаты рассчитаны из уравнения (3) с использованием экспериментальных аппроксимации для повышенного дисперсионного коэффициента K и теоретических значений для дисперсионного коэффициента f. В каждой строке указано среднее значение κ (и связанное с ним стандартное отклонение) для четырех экспериментов на микроканалах с заданным соотношением сторон (λ = 0,1, 0,25 или 0,5) и скоростью потока (0,05, 0,1 или 0,2 см/с). Для каждого из них мы включаем относительную погрешность по отношению к теоретическому значению^10,11, κ = 5,70 x ^10-6 ^см2/с, чтобы продемонстрировать точность нашего метода. Кроме того, для каждой строки мы перечисляем экспериментальное число Пекле и безразмерный временной диапазон, определяемый делением размерного времени t при отклонении кривой интенсивности эксперимента от базовой величины на время диффузии t_d = h²/(4κ).

figure-discussion-1
Рисунок 8: Изменение во времени усредненной интенсивности инвертированного синего канала в точке захвата камеры для трех трассеров. Временная эволюция усредненной интенсивности инвертированного синего канала в точке захвата камеры для трех индикаторов: раствора синего пищевого красителя в воде типа DI (при соотношении концентраций пищевой краситель:DI = 1:20 мл, –), раствора флуоресцеиновой натриевой соли в воде типа DI (при концентрации 0,6 г/л, ...) и смешанного раствора, содержащего как пищевой краситель синий, так и соль флуоресцеина натрия в тех же концентрациях, что и в их отдельных экспериментах с индикаторами (----), т.е. синий пищевой краситель: DI = 1:20 мл и 0,6 г/л флуоресцеина. Каждая кривая является средним значением пяти экспериментальных попыток с одним стандартным отклонением в каждом направлении (затенением). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-discussion-2
Рисунок 9: Временная эволюция усредненной интенсивности трассировщика инвертированного синего канала в точке захвата камеры для смешанного решения. Временная эволюция усредненной интенсивности индикатора инвертированного синего канала в точке захвата камеры для смешанного раствора, содержащего синий пищевой краситель и флуоресцеиновую натриевую соль (----) с синим пищевым красителем: DI = 1:20 мл и 0,6 г/л флуоресцеина, и суммарную кривую (+++), объединяющую интенсивность экспериментов с синим раствором пищевого красителя (сплошная кривая на рисунке 8, –) и эксперименты с раствором флуоресцеина натриевой соли (пунктирная кривая на рисунке 8, ...). Смешанная кривая представляет собой среднее арифметическое пяти экспериментальных испытаний с одним стандартным отклонением в каждом направлении (затенением). Стандартное отклонение кривой суммы вычисляется путем извлечения квадратного корня из суммы стандартных отклонений, возведенных в квадрат экспериментов для каждого отдельного трассерного решения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Бернарди и Тиг выражают признательность за поддержку Лаборатории образовательных и прикладных прототипов (LEAP) в Вустерском политехническом институте, а также за финансирование от Фонда Саймонса в рамках программы «Поддержка путешествий для математиков» (награда No 963534). Бернарди и Тиг также благодарят Женеву Айзексон, Джастина Шена и Тома Коэна за раннюю работу над экспериментальной установкой, Реми Каплински и Academic & Research Computing в Вустерском политехническом институте за поддержку 3D-печати, а также Дэниела М. Харриса, Эли Сильвера и других членов лаборатории Харриса в Университете Брауна за их идеи и полезные советы при организации первых экспериментов в Вустерском политехническом институте.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Дозатор с регулируемым объемом, 0,5– 10 μ L	МУХВА	B08TBPMKZL	Превращенный в стол
Коврик для резки с камеей, 12 x 12 дюймов	Силуэт Америка	8.19177Э+11	Используемая функция Aphabetize в таблице
Подключаемый аккумулятор камеры	НЬЮВЕР	B0B5WY8T96	удалены порты, напечатанные на 3D-принтере
Штатив для фотоаппарата	Авангард	B00CCA1Y3S	добавлен 3D-принтер Form 2 добавлен 3D-принтер Form 2
Прозрачная смола V5	Formlabs	https://formlabs.com/store/materials/clear-resin/	Смола для 3D-печати
Цианоакрилатный (СА) ускоритель клея	Звездная связь	B00BUVAZ5S	Также добавлен смола
Зеркальная фотокамера	Компания Nikon	Д500	Добавлено программное обеспечение принтера
Программное обеспечение для панели управления	Formlabs	https://formlabs.com/software/dashboard/	Программное обеспечение для 3D-печати добавлены САПР solidworks
Деионизированная вода	Н/Д	Н/Д	Добавлен MATLAB
Регулируемая светодиодная панель	Kaiser Fototechnik	202455	Slimlite Plano 5000K 19.6 x 13.8 in изменен лот FSS на каталожный номер
Двусторонняя полиимидная лента, рулон 1 дюйм x 36 ярдов	Бертех	B00HFN6E0K
Флуоресцеин солевой краситель натриевой - 100 г	Сигма-Олдрич	5184А17
3D-принтер Form 2	Formlabs	https://formlabs.com/3d-printers/form-2/
Стеклянный шприц с наконечником Люэра, 500 &; L	Компания Hamilton	Номер No: 80801
Высокоточный пинцет, 0,004 дюйма в ширину и 0,002 в толщину	Макмастер Карр	ECCN: EAR99	Стандартный заостренный наконечник
Салфетки KimWipes	Кимтех	B0013HT2QW	4.4 x 8.4 дюйм
Наконечники для дозатора жидкого пипетки, 1000 шт/мешок	МУХВА	B07S1WJCHP	1 необходимое количество на экспериментальное испытание
Макрообъектив 20 мм f/2	Митакон Чжунъи	B075JRGWW1
Малярная лента, 0,70 in x 54,6 ярда	Бренд скотча	B00347A8E4
Программное обеспечение MATLAB, редакция 2023b	Математические работы	https://www.mathworks.com/products/matlab.html
Клей Medium CA, 2 унции	Звездная связь	126150047	Суперклей для цианоакрилата премиум-класса
Карта памяти, 64 ГБ	Сан Диск	‎ B09X7C7NCZ
Неоновое ассорти пищевых красителей и Яичный краситель, 1,5 жидких унций	McCormick & Компания, Инк.	B09PFV6275	Розовый, зеленый и синий. Требуется всего 1 флакон синего пищевого красителя. Ингредиенты синего пищевого красителя: вода, пропиленгликоль, FD& C blue 1, пропилпарабен (консервант).
Прецизионные весы	Лабораторные инструменты Sartorius	БКЭ224 - 1С	Entris® II Линейка Essential. Используется для взвешивания порошка флуоресцеиновой натриевой соли для смешивания индикаторов.
Микротрубки из ПТФЭ, внутренний диаметр 0,012 дюйма x внешний диаметр 0,030 дюйма	Коул Парер	МП-00060882	Микротрубка для переноса. Минимально необходимый: 50 см.
Дистанционно программируемый триггер	Пиксель Про	TW-283DC0/DC2
Ножницы	Амазонка	B01BRGUAT6
Скотч	Бренд скотча	B01C5IHGJW
Силуэт Камео 4 Крафт Резак	Силуэт Америка	8.19177Э+11
Силуэт Cameo AutoBlade (Тип B)	Силуэт Америка	8.19177Э+11	Необходимо 2
Программное обеспечение Silhouette Studio Basic Edition версии 4.5	Силуэт Америка	https://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studio	При импорте домена . Файлы шаблонов DXF, предоставляемые как часть дополнительных файлов в этой версии программного обеспечения, сначала установите настройки импорта программного обеспечения для чтения размера файла «как есть», нажав следующие кнопки: Редактировать > Настройки > Импортировать > DXF > Открыть > как есть.
Мягкая резиновая брайер, 4,75 x 1,75 x 6,62 дюйма	Спидбол	B003IFY622
Программное обеспечение SOLIDWORKS, Education Edition	SOLIDWORKS	https://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
Стандартный 11 элитный шприцевой насос для ввода/вывода	Гарвардский аппарат	70-4504
Наконечник шприца с замком Люэра, размер наконечника: 0,5 дюйма, 27 калибр, прозрачный	Metcal	B00F4B9W40	Необходимо 2
Ультрапрозрачные листы из полиэстера, 12 x 12 x 0,007 дюйма	Гравиф	B001K7Q6Z0

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Адаптация дисперсии Тейлора для измерения коэффициента дисперсии растворов электролитов с помощью доступной микрофлюидной установки

В этой статье

Краткое содержание

Аннотация

Введение

Протокол

Результаты

Обсуждение

Раскрытие информации

Благодарности

Материалы

Ссылки

Перепечатки и разрешения

Теги

Похожие статьи