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

Объем нашей работы заключается в разработке и внедрении доступной экспериментальной платформы микрофлюидики, способной ответить на широкий круг фундаментальных вопросов о жидкостях. Самая большая сложность заключается в том, чтобы разработать воспроизводимый и в то же время гибкий производственный процесс для микроканалов с достаточной точностью с использованием недорогого оборудования. Наше исследование направлено на решение проблемы нехватки легкодоступных и точных экспериментальных установок и протоколов для измерения повышенной диффузии одного из видов электролитов.

Наша платформа также позволяет визуализировать многовидовые ионные взаимодействия. Наша экспериментальная установка и протокол недороги, легко доступны и точны. Недорогая технология микроканального производства позволяет изготавливать микросхемы по индивидуальному дизайну за считанные минуты.

Для начала запустите программное обеспечение для проектирования резаков на подключенном компьютере. Спроектируйте верх микроканала непосредственно в программном обеспечении или импортируйте совместимый проект из внешнего программного обеспечения. Затем прикрепите прямоугольник из полиэстера размером 21 сантиметр на пять сантиметров к липкой стороне коврика для резки.

С помощью малярного скотча заклейте скотчем все четыре края по периметру, чтобы закрепить прямоугольник. Далее загрузите коврик для резки в резак для рукоделия, совместив отмеченные края со стрелочными индикаторами на устройстве. Вставьте лезвие в первую прорезь для каретки резака.

Нажмите на кнопку «Отправить», расположенную в правом верхнем углу страницы дизайна на мониторе, чтобы перейти на экран обзора. Затем установите глубину лезвия на девять, усилие на 33, количество проходов на единицу, а скорость на единицу. Теперь нажмите «Отправить», чтобы отправить задание ремесленному резчику и начать процесс резки.

Сняв коврик для резки с резака, с помощью пинцета удалите отрицательный полиэфирный материал с разрезаемого листа. Затем спроектируйте полиамидные прокладки в форме пончика с помощью программного обеспечения для проектирования резаков или импортируйте дизайн прокладки из совместимого программного обеспечения. Прикрепите к коврику для резки кусок полиамидной ленты длиной 21 сантиметр липкой стороной вверх и закрепите его малярным скотчем по всем четырем краям.

Введите настройки реза полиамидной ленты с глубиной лезвия девять, силой единицы, проходами единицы и скоростью единицы. Нажмите «Отправить», чтобы отправить задание по резке прокладки на резак для рукоделия. Затем положите отрезанный лист полиэстера на чистую ровную поверхность выступами вверх.

С помощью пинцета снимите одну прокладку с отрезанной полиамидной ленты и поместите ее на плоскую нижнюю сторону порта, напечатанного на 3D-принтере. Совместите порт с отверстием для впуска потока и с помощью прокладки прикрепите его к плоскому листу полиэстера. Теперь в вытяжной шкаф нанесите небольшое количество суперклея по периметру порта, одновременно прижимая его вниз, чтобы создать водонепроницаемое уплотнение.

Для изготовления полиамидного микроканального корпуса спроектируйте микроканальный корпус с помощью программного обеспечения для проектирования резаков Craft или путем импорта совместимого внешнего проекта. Прикрепите полоску полиамидной ленты длиной 21 сантиметр липкой стороной вверх к коврику для резки. Затем загрузите коврик для резки в резак для рукоделия, совместив отмеченные края со стрелочными индикаторами на устройстве.

Нажмите «Отправить» в правом верхнем углу страницы дизайна, чтобы просмотреть материал и настройки резки. Используйте те же параметры резки, что и для прокладок. Нажмите кнопку «Отправить», чтобы отправить задание на резку резаку.

Затем снимите режущий коврик с резака и с помощью пинцета удалите отрицательный полиамидный материал из конструкции канала. Теперь поместите полиамидную ленту липкой стороной вверх на ровную чистую поверхность. Аккуратно расположите прямоугольник из полиэстера на открытой полиамидной ленте, центрируя полиамидную полосу по ширине полиэстера.

С помощью валика приложите равномерное давление вниз, чтобы устранить крупные пузырьки воздуха и визуально осмотреть на наличие мусора или деформации. После этого переверните полиамидную ленту в сборе и снимите защитный чехол с клейкой стороны. Совместите верхний лист полиэстера, установленный с помощью напечатанного на 3D-принтере порта, по входу и выходу полиамидной ленты, затем осторожно положите лист полиэстера поверх слоя полиамида.

Для настройки шприцевого насоса наполните стеклянный шприц объемом 0,5 миллилитра деионизированной водой. Установите шприц на программируемый шприцевой насос и нажимайте кнопку быстрой перемотки вперед, пока из кончика шприца не начнет выходить вода. Затем отрежьте 50-сантиметровый кусок трубки из политетрафторэтилена.

С помощью пинцета подсоедините два конца трубки к наконечникам шприца 27 калибра, вставив трубку на наконечники и потянув ее вниз. Заполните соединенный наконечник шприца и трубку деионизированной водой до образования выпуклого мениска в отверстии наконечника. Прикрепите наконечник к стеклянному шприцу, установленному на насосе, убедившись, что ни в шприце, ни в наконечнике нет пузырьков воздуха.

Установите шприцевой насос только в режим инфузии. Введите тип и размер шприца в виде 0,5 миллилитра в интерфейс насоса. С помощью малярного скотча шириной 2,54 сантиметра прикрепите полностью собранный микрофлюидный наконечник к световой панели.

Затем установите на камеру 20-миллиметровый макрообъектив F2 и подключите его к дистанционному триггеру. Установите штатив и установите камеру над световой панелью, наклонив ее вниз, чтобы она была обращена к эксперименту. Центрируйте вид на точке захвата, вырезанной в полиамидной ленте.

Запрограммируйте камеру с помощью пульта дистанционного управления на съемку изображений каждую секунду. Наклейте слой прозрачной ленты на входное отверстие индикатора, чтобы предотвратить утечку жидкости, убедившись, что один край ленты загнут так, чтобы образовался небольшой язычок для легкого снятия. Подключите и запустите программируемый шприцевой насос, чтобы аккуратно заполнить микроканал деионизированной водой с очень низким расходом.

Затем наполните наконечник микропипетки объемом 0,5 микролитра приготовленным раствором индикатора. С помощью сложенного язычка отклейте ленту, закрывающую входное отверстие трассера. Используя уголок салфетки с низким уровнем ворса, слегка смойте излишки деионизированной воды из входного отверстия и подождите 30 секунд, пока береговые линии стабилизируются.

Через 30 секунд внесите раствор индикатора во входное отверстие с помощью пипетки. Немедленно разгладьте ленту над отверстием, используя минимальное давление и непрерывным движением, чтобы снова герметизировать входное отверстие. Убедившись, что шприцевой насос запрограммирован на целевую объемную скорость потока, запустите шприцевой насос и одновременно запустите удаленную камеру, чтобы начать визуализацию.

Если горизонтальные края прямоугольного наложения не совпадают со стенками микроканала, наведите курсор на угол прямоугольника, щелкните и поворачивайте изображение, пока горизонтальные стены не выровняются параллельно стенкам канала. Нажмите любую клавишу, чтобы продолжить. Всплывающее окно изображения закроется и снова откроется с исправленной ориентацией.

Щелкните и перетащите, чтобы выбрать квадратную область со сторонами, равными ширине канала, с центром в точке захвата. Нажмите любую клавишу, чтобы продолжить, и всплывающее окно с изображением закроется. Затем извлеките интенсивность синего канала для каждого пикселя в пределах выбранной области кадрирования из изображения RGB.

Инвертируйте значения, вычитая каждое из 255, максимального значения синего канала. Вычислите среднее значение интенсивности инвертированного синего канала по всем пикселям в обрезанной области. Сохраните каждое вычисленное значение, чтобы создать временной ряд средней интенсивности инвертированного синего канала в точке захвата.

Используйте набор инструментов нелинейного подгонщика кривых в коде для ввода полного временного ряда средних интенсивностей инвертированного синего канала. Были построены графики усредненных интенсивностей инвертированного синего канала с течением времени, которые показали тесное соответствие между экспериментальными данными и теоретической дисперсионной аппроксимацией, при этом были четко показаны временные точки в 140 секунд, 150 секунд и 200 секунд. Результаты экспериментов с коэффициентом дисперсии при трех различных соотношениях сторон показали хорошее согласие с теоретическими предсказаниями.