Summary
ويرد على بروتوكول لدراسة نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي يحركها الضغط. هذا الإجراء ينطبق على مختلف الأنابيب الشعرية هندستها.
Abstract
يتم وصف أسلوب بسيط تجريبيا مراقبة وقياس تشتت الراسم الكامن في تدفق السوائل الصفحي. تتألف الطريقة الأولى حقن صبغة الفلورسنت مباشرة في أنبوب مملوء بالماء المقطر والسماح بنشرها عبر المقطع العرضي للأنبوب للحصول على شرط أولية موزعة بانتظام. وعقب هذه الفترة، يتم تنشيط الاندفاق الصفحي بمضخة حقنه القابلة لبرمجة لمراقبة منافسة التأفق ونشرها للتتبع من خلال الأنبوب. يتم دراسة التفاوت في توزيع التتبع ويتم عرض الارتباطات بين مختلف قطاعات الأنابيب وشكل التوزيع: رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) إنتاج مواد استشفاف القادمين مع الجبهات حادا ومستدق (ذيول ■ توزيعات)، في حين يقدم قنوات سميكة (نسبة الارتفاع ~ 1) السلوك المعاكس (توزيعات تحميلها مرة أخرى). الإجراء التجريبي الذي يتم تطبيقه على أنابيب شعرية من مختلف الهندسات وله أهمية خاصة للتطبيقات موائع جزيئية حسب تشابهها الديناميكية.
Introduction
في السنوات الأخيرة، تركزت جهود كبيرة على استحداث موائع جزيئية وأجهزة مختبر على رقاقة يمكن خفض التكاليف وزيادة الإنتاجية وإعداد المواد الكيميائية والتشخيص لمجموعة من التطبيقات. واحدة من السمات الرئيسية لأجهزة موائع جزيئية النقل يحركها ضغط السوائل وحلت الذوائب من خلال ميكروتشانيلس. وفي هذا السياق، أصبح متزايد الأهمية فهم أفضل للتسليم المراقب من الذوائب في عبارة. على وجه الخصوص، تتطلب التطبيقات مثل الفصل الكروماتوغرافي1،2 وموائع جزيئية تدفق حقن تحليل3،4 تحسين مراقبة وفهم لإيصال ذائبة. درس الباحثون في ميكروفلويديكس وتوثيق تأثير الشكل مستعرضة في القناة على المذاب نشر5،6،،من78، ودور القناة نسبة العرض إلى الارتفاع 9 , 10.
وقد تؤدي الدراسات التحليلية والعددية لنشر ذائبة على طول القنوات مؤخرا لتحديد علاقة بين هندسة أنابيب مستعرضة والشكل9،توزيع10. في فترات زمنية مبكرة، التوزيع يعتمد بشدة على الهندسة: أنابيب مستطيلة كسر التناظر على الفور تقريبا، بينما أنابيب البيضاوي الاحتفاظ بهم التناظر الأولية كثير أطول9. من ناحية أخرى، تتقدم إلى فترات زمنية أطول عدم التماثل في توزيع ذائبة لم يعد التفريق بين الحذف من المستطيلات، وتم تعيينها بواسطة λ مستعرضة نسبة العرض إلى الارتفاع (نسبة القصير إلى الطويل الجانب) فقط. إذ تضع في اعتبارها "أنابيب" المقاطع العرضية بيضاوي الشكل و "القنوات" المقاطع العرضية مستطيلة، تم قياسها التنبؤات من المحاكاة العددية وتحليل مقارب مع التجارب المعملية. رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) تنتج الذوائب القادمين مع الجبهات حادا ومستدق ذيول، بينما قنوات سميكة (نسبة العرض إلى الارتفاع ~ 1) هذا السلوك المعاكس10. هذا تأثير قوي نسبيا غير حساسة للظروف الأولية ويمكن استخدامها للمساعدة في تحديد الشخصية ذائبة التوزيع المطلوب لأي تطبيق.
يحدث السلوك المبينة أعلاه لفرز رقيقة مقابل المجالات سميكة قبل التوصل إلى نظام "تشتت تايلور" الكلاسيكية. تشتت تايلور يشير إلى تعزيز انتشار الذوائب السلبي في التدفق الصفحي (مستقرة في انخفاض عدد رينولدز، Re) مع عزز فعالية الانتشارية، تناسبا عكسيا مع κ الانتشارية الجزيئية للمذاب11. ويلاحظ هذا التعزيز إلا بعد فترات زمنية طويلة، وانتشارية، عندما المذاب قد تنتشر عبر القناة. يتم تعريف مثل هذا المقياس الوقتى انتشارية من حيث حجم طول مميزة هندسة، تيد =/κ2. وعدد Péclet هو معلمة نونديمينسيونال الذي يقيس الأهمية النسبية التأفق السوائل إلى آثار نشرها. علينا أن نحدد هذه المعلمة من حيث حجم طول أقصر ك Pe = Ua/κ، حيث U هو سرعة تدفق المميزة. (يمكن تعريف عدد رينولدز من حيث عدد Péclet = إعادة Pe κ/ν، حيث هو ν اللزوجة الحركية للسائل). قيم رقم Péclet نموذجية ل التطبيقات موائع جزيئية12 تتفاوت بين 10 و 105، مع ديفوسيفيتيس الجزيئية تتراوح من 10-7 لسم-5 102/s. وبالتالي، ونظرا لسرعة تدفق وطول جداول للفائدة، فإنه أمر بالغ الأهمية لفهم سلوك الذوائب لفترات زمنية متوسطة إلى طويلة (بالنسبة لمقياس الوقت انتشارية)، كذلك في الماضي الملاحظات الأولية للسلوك يحركها الهندسة وإلى نظم تحركها إلى section المشتركة الشاملة لفئة كبيرة لهندستها.
نظراً للاهتمام بتطبيقات موائع جزيئية، اختيار واسعة النطاق قد الإعداد التجريبية في الأولى يبدو غير طبيعي. التجارب التي ذكرت هنا مقياس ملليمتر، ليس في عبارة كما هو الحال في أجهزة موائع جزيئية صحيحاً. ومع ذلك، السلوكيات المادية ذاتها تميز كلا النظامين ولا يزال يمكن أن يتحقق دراسة كمية من الظواهر ذات الصلة بالقياس بشكل صحيح في معادلات الحكم، تماما كما يتم تقييم مقياس نماذج من طائرة في أنفاق الرياح أثناء تصميم المرحلة. مطابقة المحددات نونديمينسيونال ذات الصلة (مثل عدد Péclet لتجربتنا) يضمن على وجه الخصوص، قدرة على التكيف بنموذج تجريبي. تعمل على هذه المستويات الأكبر، مع الحفاظ على تدفق الصفحي يحركها الضغط، يوفر العديد من المزايا على مدى إعداد microscale تقليدية. على وجه الخصوص، المعدات اللازمة لتصنيع وأداء، وتصور هذه التجارب أسهل للعمل وأقل تكلفة. وعلاوة على ذلك، تخفف أخرى التحديات المشتركة للعمل مع ميكروتشانيلس، مثل انسداد المتكررة وتعزيز تأثير الصناعات التحويلية التحمل، مع الإعداد الكبيرة. آخر ممكن لاستخدام هذا الإعداد التجريبية للدراسات المتعلقة بتوزيع الوقت الإقامة (RTD) في التدفقات الصفحي13.
يمكن تحليل الاختلالات الناشئة عن توزيع ذائبة المصب عبر لحظات الإحصائية؛ تخالفها، الذي يعرف بأنه لحظة الثالثة متوسط، وتطبيع، على وجه الخصوص، هو الإحصاء لا يتجزأ النظام أدنى قياس اللاتماثل لتوزيع. علامة التخالف عادة ما يشير إلى الشكل للتوزيع، و أي. إذا كان حزما (الانحراف السلبي) أو تحميلها مرة أخرى (الانحراف الإيجابي). التركيز على نسب القنوات، يوجد ارتباط واضح الهندسات رقيقة مع توزيعات حزما، وهندستها سميكة مع توزيعات العودة-تحميل10. بالإضافة إلى ذلك، يمكن حساب نسبة العرض إلى الارتفاع الحرج الذي يفصل هذه السلوكيات المعاكس اثنين لأنابيب البيضاوي ومجاري مستطيلة. وتتماثل هذه نسب كروس للهندسات القياسية، على وجه الخصوص، λ * = 0.49031 للأنابيب و λ * = 0.49038 للقنوات، توحي بالطابع العالمي ل نظرية10.
يتم استخدام الإعداد التجريبية والطريقة الموضحة في هذه الورقة لدراسة انتشار المذاب السلبي يحركها الضغط في الصفحي تدفقات السوائل خلال الشعيرات الدموية الزجاج مختلف المقاطع العرضية. بالبساطة وإمكانية تكرار نتائج التجربة يعرف طريقة قوية للتحليل لفهم العلاقة بين هندسية المقطع العرضي ممر بيانات، والشكل الناتج من توزيع حقن ذائبة كما ينقل المصب. وقد وضعت الطريقة التي تمت مناقشتها في هذا العمل سهولة قياس النتائج الرياضية والعددية في إعداد مختبر مادية.
ووصف إجراء تجريبي بسيط هو الذي يسلط الضوء على دور قاطع قناة فلويديك مقطعية-نسبة الارتفاع في تحديد شكل توزيع ذائبة باتجاه مجرى النهر. يتطلب برنامج الإعداد التجريبية مضخة حقنه القابلة لبرمجة لإنتاج تدفق مستمر الصفحي، أنابيب زجاجية مختلف المقاطع العرضية على نحو سلس، وحقنه ثانية مضخة حقن المذاب نشرها (على سبيل المثال. صبغ fluorescein) إلى التدفق الصفحي المحيطة بها، ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية-أ وكاميرا لتسجيل تطور ذائبة. يتم توفير ملفات CAD لجميع أجزاء مخصصة للإعداد وهذه الملفات يمكن أن تستخدم لطباعة 3D التجريبية الأجزاء السابقة للجمعية العامة.
Protocol
1. إعداد أجزاء لبناء برنامج الإعداد التجريبية
- استخدام 3D CAD الرسومات المرفقة (الشكل.stl) للطباعة 3D وظيفة حاقن، خزان، موصل سداسية، ولوحات اثنين لاستخدامها يتصاعد للأنابيب (اثنان لكل هندسة).
ملاحظة: بدلاً من ذلك، بعض أجزاء من برنامج الإعداد يمكن أن الليزر قطع. في هذا التقرير، الساحة تم تحميلها مع لوحات الليزر قطع أنابيب سميكة، بينما رقيقة مستطيلة الشكل تم تحميل الأنابيب مع لوحات طباعة 3D. - الحصول على أنابيب زجاجية السلس الشعرية للهندسة المطلوبة.
ملاحظة: استخدمت في هذا التقرير، هما الأنابيب هندستها هي: 30 سم طوله الأنابيب من شريحة مربعة-الداخلية المقطع العرضي 1 مم × 1 مم وسمك الجدار 0.2 مم؛ 30 سم طوله الأنابيب من شريحة مستطيلة-الداخلية المقطع العرضي 1 مم × 10 مم وسمك الجدار 0.7 مم. الأنابيب مربعة من الآن فصاعدا يشار إلى الأنبوب سميك، بينما أنابيب مستطيلة يشار إلى الأنابيب رقيقة.
2. الجمعية للإعداد التجريبية
- التنصت على الأجزاء المطبوعة 3D
- انقر فوق وظيفة حاقن على كلا الجانبين مع معاهدة عدم الانتشار الاستفادة 1/8 "(0.32 سم) حيث سيتم تثبيت إبرة حقن وصبغ الإدخال. الاستفادة من الخزان في الظهر مع الاستفادة 10-32 حيث سيتم تركيب أنبوب استنزاف.
- انقر فوق فتحات المسامير الأربعة مع الاستفادة 6-32 في الجزء الأمامي الخزان. انقر فوق قطعة موصل سداسية في أعلى وأسفل مع الاستفادة من 6-32.
- إعداد الأجزاء المطبوعة 3D استغلالها
- وظيفة حاقن
- وتشمل المواضيع الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على الثقب الخلفي وظيفة حاقن. قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.
- تغطية مواضيع الإبرة الاستغناء عن الفولاذ المقاوم للصدأ (القطر الخارجي مم 0.71) مع السليكوون ختم الشريط. المسمار الإبرة الاستغناء عن الفولاذ المقاوم للصدأ في الحفرة (كبير) الجبهة على وظيفة حاقن.
- خزان
- تغطية المواضيع الصغيرة الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على الثقب الخلفي من الخزان (فتحه صغيرة).
- قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج الأنبوب على محول خرطوم. إغلاق الطرف الآخر من الأنبوب مع قبعة صغيرة.
ملاحظة: سوف يكون هذا النظام استنزاف للخزان. - وضع مطاط الدائري (مقاوم للنفط Buna-N الدائري، 1/16 "(0.16 سم) العرض كسرى، داش رقم 016) في فترة الركود التعميم على الجانب الأنابيب من الخزان.
- رابط سداسية
- تغطية المواضيع الصغيرة الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على حفرة أسفل الرابط سداسية.
- قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.
- تغطية محول خرطوم مع السليكوون الشريط الختم. تأكد من تغطية محول خرطوم تسير ضد المواضيع.
- قص قطعة سم طوله 4 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.
- وظيفة حاقن
- إعداد الأنابيب
- توزيع طبقة رقيقة من محطة إذاعة وتليفزيون المطاط تسرب مم 2 بعيداً عن كل نهاية الأنبوب. انتشار تسرب بالتساوي حول الجزء الخارجي الأنابيب، والتأكد من عدم عرقلة وصول الأنابيب مع التسرب.
- جبل الأنابيب على لوحات طباعة 3D بإدراجه بعناية في الثقوب قبل قطع على المحولات الأنابيب طباعة 3D. تأكد من دفع الأنابيب في مالا يقل عن 2 ملم حيث أن تسرب كل جنبا إلى جنب مع جهات الاتصال مع اللوحات.
- انتشار التسرب على حافة اللوحة بعناية حيث أن يحصل مختومة الأنابيب إلى انقطاع. الانتظار على الأقل 12 ح للتسرب فولكانيزي تماما ومن ثم ختم الأنابيب على اللوحات.
- قياس 0.40 جم مسحوق فلوريسسين لإعداد الحل الصبغ. تمييع مسحوق إلى 0.50 لتر ماء المقطر للحصول على تركيز الصبغ المطلوب (تركيز 0.80 غرام/لتر).
ملاحظة: الانتشارية فلوريسسين في المياه يقدر بأداء مربعات الصغرى يصلح للتعبير تحليلياً للحظة توزيع الراسم كروسسيكتيونالي متوسط في هندسة أنابيب دائرية14 إلى التجريبية الثانية قياس بنفس الكمية. معامل الانتشار الجزيئي يقدر بنحو κ = 5.7 × 10-6 سم2/ق، اتساقا مع القيم المنشورة سابقا من الانتشارية فلوريسسين في المياه النقية. - الجمعية العامة
- مضخة الحقن الإعداد
- ملء المحاقن بلاستيكية 12 مل مع المكبس مطاط بماء مقطر. إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك إلى المحاقن. جبل المحاقن على ضخ حقنه الاتصال ألف حقنه لأنبوب طوله سم 30 إدراج في الجزء السفلي من الموصل سداسية.
- ملء المحاقن بلاستيكية 1 مل مع المكبس مطاط بماء مقطر. جبل المحاقن على مضخة الحقن أ قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إرفاقه بحقنه بلاستيكية 1 مل.
ملاحظة: كلا المحاقن مملوءة بالماء المقطر هي التي شنت على مضخة الحقن أ كما يتم تنشيط المضخة، يتم إخراج المياه من كلا المحاقن. هو أول واحد لاستخدام المحاقن 12 مل، ذلك حقنه 1 مل يحتاج أن تكون متصلاً بأنبوب تصريف لتجنب تسرب المياه. هذه الخطوة غير ضرورية للأنابيب مستطيلة رقيقة.
- الإعداد حاقن
- ملء المحاقن بلاستيكية 3 مل مع المكبس مطاط مع الحل فلوريسسين. إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك إلى المحاقن.
- إرفاق أنبوب متصل بالجزء الخلفي محقن لحقنه الصبغة.
- شغل هذا المنصب حاقن صبغ للحل عن طريق حقن صبغة يدوياً عن طريق المحاقن بينما منصب حاقن أفقياً (أي. مع الإبرة الموجهة نحو صعودا وأعلاه المحاقن). الاحتفاظ بدفع في المحاقن حتى محقن ممتلئ تماما لصبغ ولا الجوية المحاصرين داخل.
- جبل المحاقن على ضخ حقنه ب المشبك محقن وظيفة إلى الحافة من مقاعد البدلاء المختبر بطريقة أنها قابلة للوصول بأنبوب متصل بمضخة الحقن.
- إدراج غسالات صغيرة على أربعة مسامير طويلة (مؤشر الترابط "غير القابل للصدأ عموم رئيس فيليبس آلة مسامير" 6-32، (5.76 سم) طول 2-1/4 "). إدراج أربعة مسامير في الثقوب الأربعة المحيطة بالإبرة.
ملاحظة: تأكد من رأس المسمار في الجزء الخلفي وظيفة حاقن (على نفس الجانب الأنبوب متصل بحقنه الصبغة).
- رابط سداسية
- ضع اثنين سين بين عصابات (مقاوم للنفط Buna-N "الدائري"، 1/16 "(0.16 سم) العرض كسرى، داش رقم 016) في القواطع التعميم على كل جانب من الموصل سداسية.
- توصيل موصل سداسية في منصب حاقن بمحاذاة به ثقوب للمسامير الأربعة وإدراجه بشأنها. تأكد من أن يكون الجانب مع الحفرة الأكبر التي تواجه هذا المنصب حاقن. تحقق وتأكد من أن يا الدائري عدم الخروج من المكان عندما فرضت بين الجزأين.
- الأنابيب
- إرفاق واحدة من النهاية-لوحات متصلة بالأنابيب إلى موصل سداسية بمحاذاة به ثقوب للمسامير الأربعة وإدراجه لهم. إيلاء اهتمام وثيق للابرة التي يحتاج إلى إدخال الأنابيب كما أنه يجري تحميل.
- تأمين أربعة مسامير طويلة لضغط معا محقن وموصل سداسية لوحة محول الأنابيب عن طريق إرفاق المكسرات الفولاذ المقاوم للصدأ 6-32 أربعة إلى نهاية البراغي طويلة. ضمان أن سين بين عصابات لا تنتقل من مكان عندما فرضت بين الأجزاء.
- نعلق على الطرف الآخر من توجيه الإخراج إلى الخزان باستخدام أربعة مسامير قصيرة وغسالات (مؤشر الترابط "غير القابل للصدأ عموم رئيس فيليبس آلة مسامير" 6-32, 1/2 "(1.27 سم) طول). تحقق من أن يا الدائري عدم الخروج من المكان عند ضغط بين الجزأين.
- المشبك الخزان إلى طاولة المفاوضات. تأكد من محاذاة الخزان مع وظيفة حاقن لعدم ثني الأنابيب.
- نظام استخراج الهواء: إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك في الأنبوب متصل بالجزء العلوي من الموصل سداسية. إرفاق حقنه 3 مل إلى الحافة البلاستيكية.
ملاحظة: سيتم استخدام هذه المحاقن لاستخراج أي فقاعات الهواء محاصرين في النظام. - الأضواء والكاميرا
- مكان اثنين 61 سم طوله أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ الأضواء على كل جانب من الإعداد التجريبية.
ملاحظة: يوجد مسار مصممة خصيصا على كل جانب من كل حاقن والخزان. يجب تشغيل هذه التجربة في الظلام مع تشغيل أضواء أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ. - مكان كاميرا مع بطاقة الذاكرة أعلاه الإعداد التجريبية إلى الأسفل.
ملاحظة: يجب وضع الكاميرا على الأقل 1 متر فوق الأنابيب. وبهذه الطريقة، سوف تشمل الإطار طول الأنابيب كاملة. واستخدمت كاميرا DSLR مع عدسة البعد البؤري للتعديل، 24-120 ملم. - برنامج الكاميرا باستخدام مشغل نائية لالتقاط صور كل 1 s مع الفتحة 5.6f وسرعة مصراع 5 ISO 200.
- مكان اثنين 61 سم طوله أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ الأضواء على كل جانب من الإعداد التجريبية.
- مضخة الحقن الإعداد
3. تشغيل التجريبية
- برنامج الإعداد
- ملء الخزان بالماء المقطر إلى مستوى أعلى قليلاً من الأنابيب. ملء الأنبوب بماء مقطر عن طريق دفع على مضخة الحقن. قم بتشغيل أضواء أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ وسحب الستائر.
- تشغيل المضخة حقنه القابلة للبرمجة لتدفق الأنابيب من أي صبغة المتبقية.
- تأخذ صورة مرجعية واحدة من أنبوب مملوء بالماء المقطر النقي.
ملاحظة: هذا هو المرجع خطوات النار التي سيتم استخدامها في معالجة البيانات في وقت لاحق. هذه الصورة يجب أن يؤخذ في الظلام في ظروف مماثلة قدر الإمكان للتشغيل التجريبي. - تبديل أنبوب الاتصال بعد حاقن للمحاقن 1 مل شنت على ضخ حقنه الاتصال ألف حقنه 12 مل إلى أنبوب تصريف (كانت متصلة بحقنه 1 مل).
ملاحظة: هذه الخطوة غير ضرورية للأنابيب مستطيلة رقيقة.
- الحالة الأولى
- حقن 1 بوظة مم سميكة من صبغة (3 مم-سميكة للأنبوب مستطيلة رقيقة) في الأنبوب عن طريق تشغيل المضخة حقنه التناظرية باء
ملاحظة: هذه الخطوة بإنشاء شرط صبغ الأولية. كمية صبغ حقن يعتمد على هندسة الأنابيب المستخدمة. أنبوب رفيع يتطلب قدرا أكبر من صبغة لمنطقة مستعرضة أكبر. قبل تشغيل التجريبية، وسيتعين الصبغ منتشر عبر المقطع العرضي والحقن كمية أكبر من صبغ ويضمن أنه سيكون مشرق بما يكفي التقاط صور حتى بعد قد انتشر. - برنامج المحقن مضخة لضخ الماء المقطر بمعدل تدفق بطيء جداً 0.193 مل/ساعة للأنابيب مربعة سميكة (معدل التدفق 1.93 مل/ساعة للأنابيب مستطيلة رقيقة). تشغيل المضخة حقنه لمدة 5 دقائق للسماح لبولس لصبغ بنقلها إلى أسفل الأنابيب بعيداً عن الإبرة.
ملاحظة: بعد 5 دقائق، يجب أن تكون الصبغة حوالي 1 سم بعيداً عن الإبرة. الزيادة في معدل التدفق بأمر من حجم واحد للأنابيب رقيقة بسبب حجم الأنابيب رقيقة 10 مرات من الأنابيب سميكة. - سحب حقنه الصبغة إلى الوراء يدوياً، مع التأكد من أن الصبغة لا تصل إلى الإبرة.
ملاحظة: هذا سوف تضمن أن هناك ماء في نهاية الإبرة مقطر حيث أن الصبغة لا أكثر سوف تكون متفرقة في الأنابيب أثناء التشغيل التجريبي. - انتظر وقت tw > t *د بلعه صبغ منتشر عبر المقطع العرضي للأنبوب.
ملاحظة: الوقت انتشارية t *د = ب2κ يرى ب طول مميزة لتكون نصف الجانب مقطعية طويلة. بهذه الطريقة لحساب وقت الانتظار التعميم على أي شريحة مع خياراً ملائماً من ب. لنتائج التمثيلية، وكان وقت الانتظار 15 دقيقة للأنابيب مربعة سميكة وح 15 للأنابيب مستطيلة رقيقة.
- حقن 1 بوظة مم سميكة من صبغة (3 مم-سميكة للأنبوب مستطيلة رقيقة) في الأنبوب عن طريق تشغيل المضخة حقنه التناظرية باء
- تدفق
- البرنامج المحقن مضخة A لمعدل التدفق المطلوب لمل 1.93/ح للأنابيب مربعة سميكة ومل 19.3/ح للأنابيب مستطيلة رقيقة.
- بدء تشغيل المضخة المحاقن وعلى الزناد بعيد على الكاميرا في نفس الوقت. تشغيل التجربة لمدة 5 دقائق، مع فاصل زمني بين الصور 1 s.
- تشغيل أضواء الغرفة وتأخذ صورة لمسطرة وضعت في نفس ارتفاع الأنابيب وموازاة لذلك.
ملاحظة: وهذا سيساعد في تحديد مقياس الطول (بكسل/مم) المستخدمة في معالجة البيانات.
4-معالجة البيانات
- استخراج بطاقة الذاكرة من الكاميرا، وتحميل البيانات إلى جهاز كمبيوتر حيث سيتم استخدام برامج معالجة الصور تحليلها.
- تحليل MATLAB
- أولاً قم بطرح النار الصورة المرجعية (خطوة قطعت في 3.1.3) من النسخة التجريبية الأولى.
- اقتصاص الصورة على طول الحواف العلوية والسفلية للأنابيب. تأكد من تدوير الصورة إذا لم يتم محاذاتها الأنابيب مع الإطار.
- مجموع قراءة كثافة قناة الأخضر عمودياً في الصورة الناتجة.
ملاحظة: وهذا يتناسب مع شدة صبغ مستعرضة مجموع كدالة لطول على طول الأنابيب. - تحويل وحدات الطول من بكسل إلى ملم باستخدام مقياس الطول الفعلي من الصورة المعايرة (راجع الخطوة 3.3.3).
- كرر لكل الصور المتبقية. هذه النتائج في تسلسل زمني منحنيات قياس تركيز مجموع صبغ على طول الأنابيب.
Representative Results
الإعداد التجريبية بعد الجمعية ويرد في الشكل 1. إظهار الصور المنتجة في MATLAB البيانات التجريبية أعلاه المجهزة تطور منحنى التركيز (الشكل 2) ثلاث مرات غير ثلاثي الأبعاد. علينا التحقق من أن هناك علاقة خطية بين الراسم كثافة وتركيز. شكل توزيع التغيرات بمرور الوقت وبلعه صبغ يتحرك المصب. ويبين الشكل 2 هذا التطور في حالة الهندسة لاصق مستطيلة رقيقة. توزيع الصبغة الأولية ضيقة ومتماثل (مثل غاوسي فيما يتعلق بالاتجاه الطولي وموحدة تقريبا في المقطع العرضي، الشكل 2 اليسار)، ولكن التماثل مكسورة وعلى الفور تقريبا كما أن يبدأ تدفق المعلومات الأساسية. التوزيع فواصل التماثل بعرض واجهة حاد وطويل مستدق ذيول (الشكل 2، الوسط واليمين).
النتائج التجريبية التي تؤكدها مونتي كارلو المحاكاة إجراء مطابقة معدل التوزيع وتدفق الأولية (الشكل 3). قيمة تركيب κ الانتشارية صبغ العزم في تجربة مستقلة (الخطوة 2.4 في البروتوكول) والمستخدمة في هذه المقارنة. غالباً ما تستخدم أساليب مونتي كارلو لمحاكاة تطور التأفق-نشر المشاكل التي تشمل مجمع الهندسيات شروط الحدود (نويمان متجانسة في هذه الحالة) يمكن أن يكون ببساطة مدخلات كالبلياردو مثل قواعد التفكير. والنهج المدركات عينة من المعادلة التفاضلية العشوائية يعادل الكامنة وراء المعادلة التأفق-نشر في شكل نونديمينسيونال:
T(x,y,z,t) هو توزيع الراسم، τ الوقت نونديمينسيونال تطبيع تيد، x هو اﻻحداثي المكاني طولية، y هو تنسيق عرضية قصيرة، حيث z هو إحداثي عرضية طويلة، تم تسويتها جميعا بالجانب القصير. U(y,z) تدفق السائل هو حل الحالة المستقرة الصفحي إلى معادلات نافيير-ستوكس مع كشف لا شروط الحدود (لا التدفق في الجدار)، مدفوعا بتدرج ضغط سلبي. يمكن الحصول على بيانات أولية ضبابي في الاتجاه الطولي الأنابيب مع تباين المرجوة بالنظر فقط نشر (Pe = 0) وتطور الجزيئات للوقت المطلوب لمطابقة عرض البيانات الأولية التجريبية9،10 . وتحققت هذه النتائج ممثلة باستخدام معدل تدفق القيم المحددة في البروتوكول، ولكن نحن نتوقع ظواهر التحميل ولاحظ أن تعقد بصورة عامة ل النظام الصفحي10 (الشكل 3).
الشكل 1 : برنامج الإعداد التجريبية. (أ) رسم تخطيطي للإعداد التجريبية. وقد تم تعديل هذا الرقم من أمينيانوآخرون. 10-(ب) عرض الإعداد الفعلية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 : لقطات بيانات المجهزة في أوقات مختلفة- الصف العلوي: صور تركيز صبغ منتشرة على طول المقطع العرضي للأنبوب لاحظ عادة في اتجاه طويلة مستعرضة في زيادة مرات ثلاثي الأبعاد. وقد تم تحجيم المحور العمودي 5 مرات توخياً للوضوح. أسفل: تحسب كثافة تركيز صبغ الجمع على طول اتجاه مقطعية طويلة. هو تطبيع قيمة الذروة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : مقارنة لتوزيع تركيز بين مونتي كارلو المحاكاة والتجارب- يظهر تطور تركيز صبغ كروسسيكتيونالي متوسط طول الأنابيب الطولية في إينستانتس اثنين في الوقت المناسب: τ = 0.15 و τ = 0.30. خطوط متقطعة هي نتائج المحاكاة، بينما تمثل الخطوط الصلبة البيانات التجريبية. الأعلى: مقارنة في القناة (مربعة) سميكة؛ أسفل: مقارنة في القناة (مستطيل) رقيقة. هو تطبيع المنطقة تحت المنحنى كل واحدة و x = 0 يناظر وسط المكونات الأولية لصبغ. وقد تم تعديل هذا الرقم من أمينيانوآخرون. 10- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
ملف تكميلي 1 . إدراج رسومات CAD من 3موصل سداسية د (hex_connector_3D.STL)
ملف تكميلي 2 . إدراج رسومات CAD 3D حاقن وظيفة (injector_post_3D.STL)
ملف تكميلي 3 . إدراج رسومات CAD الخزان ثلاثية الأبعاد (reservoir_3D.STL)
ملف تكميلي 4 . إدراج رسومات CAD 3D ألواح الأنابيب سميكة (plate_thick_3D.STL)
ملف تكميلي 5 . إدراج رسومات CAD 3D ألواح الأنابيب رقيقة (plate_thin_3D.STL)
Discussion
بعد حقن الصبغة في الأنابيب، ويتم نقل بولس بعيداً عن تدفق مستمر باستخدام إبرة حقن. ثم، من الضروري الانتظار طويلة بما يكفي للصبغ منتشر عبر المقطع العرضي للقناة. وبهذه الطريقة، يتم الحصول على توزيع غاوسي تشبه موحدة وسيكون بمثابة الشرط الأولى للتجربة. ومن ثم، يتم إنشاء تدفق الصفحي خلفية مع المضخة حقنه قابلة للبرمجة. تشغيل التجريبية وتستمر لمدة 5 دقائق مع الصور التي التقطت كل ثانية.
المشاكل الشائعة في الإعداد تأتي من الاتصال الأجزاء والأنابيب. مختلف أجزاء طباعة 3D بحاجة إلى أن تكون مختومة بشكل صحيح عند توصيله لتجنب تسرب. أنابيب زجاجية حساسة جداً ويجب التعامل معها وتثبيتها بعناية.
مشكلة واجهناها عند الانتقال من أنابيب مستطيلة رقيقة للأنابيب مربعة سميكة تتصل بحقيقة أن حجم الأنابيب قد خفض بمقدار 10. للحفاظ على نفس السرعة تدفق متوسط مستعرضة مع 12 مل المحملة المحاقن، سرعة المكبس في مضخة الحقن أ ستحتاج إلى أن تكون منخفضة للغاية. بهذه السرعة المبرمجة، سرعة المكبس ليست موحدة بعد الآن، ولا يمكن ضمان تدفق مستمر طوال الفترة التجريبية. ولذلك، نحن تحولت إلى حقنه 1 مل أصغر كثيرا عند العمل مع أنابيب مربعة سميكة في خطوة 2.5.1.
أحد ينبغي أن تحقق أيضا من أن كثافة متوسط طول البعد العمودي من الأنابيب في الحالة الأولى تقريبا موحدة. إذا لم يكن الأمر كذلك، قناع تصفية يجب أن تطبق عبر كافة الإطارات لحساب هذا التناقض.
الجزء الأقل تكرار التجربة هو حقن صبغة (وبالتالي عرض التوزيع الأولى). كما هو موضح سابقا، ليس مصدر قلق للمطابقة مع محاكاة مونتي كارلو، كما شرط الأولية التجريبية يمكن أن يعاد استخدام تحليل الصورة الأولى. الحقن بالصبغة وما يترتب عليه من سحب دليل قد لا دائماً تنتج صبغة المقابس من التحديد بنفس العرض. يحتاج عناية خاصة ليتم تطبيقها عند إعداد بلعه صبغ الأولية. التجربة يصبح قابل للتكرار أكثر الباحثين اكتساب الخبرة في هذا الجزء من البروتوكول، ولكن من الممكن التأكيد إدخال تحسينات في المستقبل.
عند مقارنة الإعداد مع أجهزة موائع جزيئية، المعلمة الوحيدة التي تظهر في معادلة الحكم في عندما يكون مناسب نونديمينسيوناليزيد Pe رقم Péclet إذا التتبع سلبي، أي تطور الراسم أونكوبليد من التدفق. التشابه الديناميكي ضمني في افتراض رينولدز منخفضة (Re << 1) الذي يضمن استقرارا الصفحي تدفقات u(y,z). يتم تعيين هذه معلمتين من المعلمات التشابه التام بين الأجهزة موائع جزيئية والجداول من تجربتنا. في الممارسة العملية، طول الأنابيب المادية فقط بتقييد الأوقات نونديمينسيونال يمكن أن نصل بأمان مع الإعداد لدينا. لأوقات متأخرة جداً ثلاثي الأبعاد، يمكن أن يصبح طول الأنابيب اللازمة باهظة طويلة لعدد Péclet ثابتة في هذا الإعداد على نطاق واسع.
حد واضح لهذا البروتوكول التجريبي أن البيانات التي جمعت تمثيل 2D المتوقعة للهندسة ثلاثية الأبعاد كما يتم التقاط الصور من أعلى إلى أسفل في الأنابيب. العملية الحالية يسمح فقط للحصول على تطور توزيع صبغ كروسسيكتيونالي متوسط. الحصول على توزيع المعرفة في كل موقع في الأنبوب بدلاً عن المتوسط مستعرضة ومقارنة مع توقعات النظرية والعددية تخضع للبحوث الجارية.
جميع أجزاء برنامج الإعداد التجريبية قد الرسومات الفنية متوفرة للتنزيل الذي يجعل الإعداد يسهل الوصول إليها وقابلة للتخصيص بأي باحث المهتمة. وبناء على النتائج الحالية، ستستخدم نفس الإعداد لدراسة الهندسات الأنابيب أكثر تعقيداً وغير مستكشفة، فضلا عن نظم تدفق مختلفة.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
نعترف بتمويل من مكتب الأبحاث البحرية (منحة درب N00014-12-1-0749) والمؤسسة الوطنية للعلوم (المنح RTG DMS--0943851، CMG قوس-1025523، 1009750 نظام إدارة الوجهات السياحية، ونظام إدارة الوجهات السياحية-1517879). بالإضافة إلى ذلك، نحن نعترف بالعمل لسارة جيم بورنيت الذي ساعد في تطوير إصدار مبكر من الإعداد التجريبية والبروتوكول.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Flourescein Dye | Flinn Scientific | LOT: 118362 CAS NO: 518-47-8 | |
| PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump | Harvard Apparatus | 703111 | programmable digital syringe pump |
| Compact Infusion Pump Model 975 | Harvard Apparatus | 55-1689 | |
| Form 2 SLA 3D Printer | Formlabs | 100-240 | |
| Glass pipes | VitroCom | 4410 and 8100 | |
| PTFE sealing tape | Teflon | 4934A12 | |
| PVC tubing (1/8" ID) | McMaster | 5231K144 | 5 Foot Length |
| Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016" ID, .028" OD, 1/8" NPT Thrd, 2" Lg | McMaster | 7590A45 | 1 Required |
| RTV silicone rubber sealant | McMaster | 74945A69 | |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10 | McMaster | 7510A653 | 1 required |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10 | McMaster | 7510A603 | 1 required |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10 | McMaster | 7510A651 | 2 required |
| Plastic dispensing tip | McMaster | 6699A1 | 3 required |
| 6" C-Clamps | McMaster | 5133A18 | 2 required |
| Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156" ID, 0.312" OD, Packs of 100 | McMaster | 92141A008 | 8 required |
| 18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4" Length, Packs of 50 | McMaster | 91772A167 | 4 required |
| Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100 | McMaster | 9452K6 | 3 required |
| Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16" Wide, 7/64" High, Packs of 100 | McMaster | 91841A007 | 4 required |
| 18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2" Length, Packs of 100 | McMaster | 91772A148 | 4 required |
| 24" Black Light Fixture with bulb | American DJ | B0002F5544 | 2 required |
| DSLR camera | Nikon | D300 | |
| 24-120 mm lens | Nikon | 2193 | |
| Remote programmable trigger | Nikon | 4917 | remote programmable trigger |
| Memory Card | SanDisk | SDCFX-032G-E61 | |
| Metric ruler | McMaster | 20345A35 |
References
- Dutta, D., Leighton, D. T. Jr Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography. Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).
- Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules. Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).
- Betteridge, D., Fields, B. Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus. Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).
- Trojanowicz, M., Kołacińska, K. Recent advances in flow injection analysis. Analyst. 141, 2085-2139 (2016).
- Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape. Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).
- Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. Jr Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems. Microfluid Nanofluid. 2 (4), 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, 930-935 (2006).
- Vedel, S., Bruus, H. Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels. J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).
- Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes. Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).
- Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).
- Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).
- Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).
- Davis, M. E., Davis, R. J. Fundamentals of chemical reaction engineering. , McGraw-Hill Higher Education. New York, NY. (2003).
- Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).
