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Engineering

ध्वनिक उत्तोलन प्रणाली में गैर-गोलाकार बुलबुला दोलनों द्वारा माइक्रोस्ट्रीमिंग का प्रेरण

Published: May 9, 2021 doi: 10.3791/62044
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2
1Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, Centre Léon Bérard, INSERM, UMR 1032, LabTAU, France, 2Univ Lyon, Ecole Centrale de Lyon, INSA de Lyon, CNRS, LMFA UMR 5509, France

Summary

एक एकल, फंसे हुए ध्वनिक बुलबुले के आकार दोलनों को नियंत्रित करने के लिए एक तेज़ और विश्वसनीय तकनीक प्रस्तावित है जो दो बुलबुले के बीच सहवास तकनीक पर आधारित है। स्थिर-अवस्था, समरूपता-नियंत्रित बुलबुला आकार दोलन बुलबुला इंटरफ़ेस के आसपास के क्षेत्र में उत्पन्न द्रव प्रवाह के विश्लेषण की अनुमति देते हैं।

Abstract

जैविक बाधाओं के पास स्थित होने पर, ऑसिलेटिंग माइक्रोबबल सेल झिल्ली पारगम्यता को बढ़ा सकते हैं, जिससे दवा और जीन आंतरिककरण की अनुमति मिलती है। प्रायोगिक अवलोकनों से पता चलता है कि इन बाधाओं का अस्थायी परमेबिलाइजेशन कतरनी तनाव के कारण हो सकता है जो कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग द्वारा सेल ऊतकों पर लगाया जाता है। कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग भंवर प्रवाह की पीढ़ी है जो ऑसिलेटिंग अल्ट्रासाउंड माइक्रोबबल के आसपास उत्पन्न होती है। इस तरह के तरल प्रवाह का उत्पादन करने के लिए, बुलबुला दोलनों को विशुद्ध रूप से गोलाकार दोलनों से विचलित होना चाहिए और इसमें या तो एक ट्रांसलेशनल अस्थिरता या आकार मोड शामिल होना चाहिए। आस-पास की सतहों पर बुलबुला-प्रेरित प्रवाह और कतरनी तनाव के प्रयोगात्मक अध्ययन अक्सर स्थिर और नियंत्रणीय तरीके से माइक्रोबबल के आकार विरूपण को पकड़ने की कठिनाई के कारण उनके दायरे में प्रतिबंधित होते हैं। हम समरूपता-नियंत्रित गैर-गोलाकार दोलनों के अध्ययन के लिए एक ध्वनिक उत्तोलन कक्ष के डिजाइन का वर्णन करते हैं। इस तरह का नियंत्रण पर्याप्त रूप से तीव्र अल्ट्रासाउंड क्षेत्र में दो आने वाले बुलबुले के बीच एक सहवास तकनीक का उपयोग करके किया जाता है। गैर-गोलाकार दोलनों का नियंत्रण एक मुक्त सतह-दोलन माइक्रोबबल के नियंत्रित गुहिकायन माइक्रोस्ट्रीमिंग का रास्ता खोलता है। उच्च-फ्रेम दर कैमरे ध्वनिक टाइमस्केल पर गैर-गोलाकार बुलबुला गतिशीलता और कम टाइमस्केल पर तरल प्रवाह की अर्ध-एक साथ जांच करने की अनुमति देते हैं। यह दिखाया गया है कि द्रव पैटर्न की एक बड़ी विविधता प्राप्त की जा सकती है और वे बुलबुला इंटरफ़ेस की मोडल सामग्री से संबंधित हैं। हम प्रदर्शित करते हैं कि यहां तक कि उच्च-क्रम आकार मोड भी बड़ी दूरी के द्रव पैटर्न बना सकते हैं यदि इंटरफ़ेस गतिशीलता में कई मोड होते हैं, जो लक्षित और स्थानीयकृत दवा वितरण के लिए गैर-गोलाकार दोलनों की क्षमता को उजागर करते हैं।

Introduction

चिकित्सा में, एक प्रशासित दवा को वांछित लक्ष्यों तक पहुंचने से पहले जीवित प्रणाली में कई बाधाओं को भेदना चाहिए। हालांकि, अधिकांश दवाएं तेजी से रक्त प्रवाह से दूर साफ हो जाती हैं। लक्ष्यीकरण दक्षता कम है और वे आसानी से कोशिका झिल्ली को पार नहीं कर सकते हैं, जिससे अप्रभावी दवा वितरण होता है। वर्तमान में, अल्ट्रासाउंड के साथ संयोजन में माइक्रोबबल ्स का उपयोग पैथोलॉजिकल ऊतकोंऔर कोशिकाओं को दवाओं और जीन के गैर-आक्रामक, सटीक और लक्षित वितरण के लिए एक अभिनव विधि के रूप में प्रस्तावित किया गया है। इस दृष्टिकोण में, माइक्रोबबल वाहक के रूप में एक भूमिका निभा सकते हैं जहां मुफ्त दवाओं को या तो गैस बबल निलंबन के साथ सह-इंजेक्शन दिया जाता है या इसकी सतह पर लोड किया जाता है। माइक्रोबबल कोशिकाओं के साथ बातचीत करने के लिए अल्ट्रासाउंड ऊर्जा को फिर से केंद्रित करने के लिए एक स्थानीय वेक्टर के रूप में भी कार्य कर सकते हैं। मूल रूप से, अल्ट्रासाउंड एक्सपोजर के तहत, बुलबुले स्थिर रूप से संकुचित और विस्तारित होते हैं, एक शासन जिसे स्थिर गुहिकायन कहा जाता है जो तरल प्रवाह उत्पन्न करता है और इसलिए आस-पास की वस्तुओं पर कतरनी तनाव उत्पन्न करता है। माइक्रोबबल ्स गैर-रेखीय रूप से भी झूल सकते हैं और जड़त्वीय गुहिकायन के शासन में पतन तक विस्तार कर सकते हैं, जिससे सदमे की तरंगें पैदा होती हैं जो पतन स्थल2 से रेडियल रूप से फैलती हैं। यह दिखाया गया है कि गुहिकायन, या तो स्थिर या जड़त्वीय, कोशिका झिल्ली के परमेबिलाइजेशन को बढ़ाता है, और इस प्रकार सेल3 में दवाओं के आंतरिककरण को बढ़ाता है।

चिकित्सीय अनुप्रयोगों में, बबल-सेल इंटरैक्शन के तंत्र को समझना बहुत महत्वपूर्ण है, लेकिन वैज्ञानिक और तकनीकी दोनों पक्षों से कई बाधाएं हैं, जो हमारे ज्ञान को आगे बढ़ने से रोकती हैं। सबसे पहले, बुलबुला-प्रेरित यांत्रिक उत्तेजनाओं के जवाब में कोशिकाओं की गतिशीलता को पकड़नाबहुत मुश्किल है। ध्वनिक टाइमस्केल पर, पहले क्रम के माइक्रोबबल दोलनों से झिल्ली चैनलों की सक्रियता हो सकती है, जिससे जैविक इंटरफेस में आणविक मार्ग की सुविधा मिलती है। यह कोशिका झिल्ली के प्रत्यक्ष दोलन के माध्यम से होता है, जिसे "सेलुलर मालिश" भी कहा जाता है। प्रत्यक्ष यांत्रिक तनाव के बाद चैनल सक्रियण पैच-क्लैंप तकनीकों का उपयोग करके प्रमाणित किया गया था जो अल्ट्रासाउंड एक्सपोजर के दौरान और बाद में कोशिका झिल्लीके इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल गुणों को मापता था। ध्वनिक टाइमस्केल पर बुलबुला-प्रेरित सेल गतिशीलता (जिसका अर्थ है कोशिका झिल्ली के विरूपण का पूरा क्षेत्र) को मापना, कोशिका झिल्ली में छिद्रों को प्रेरित करने केलिए आवश्यक झिल्ली क्षेत्र विस्तार की सीमा में अंतर्दृष्टि भी प्रदानकरेगा। दूसरा अवरोध माइक्रोबबल-प्रेरित सेल लाइसिस से बचने के लिए ढहने वाले बुलबुले शासन को नियंत्रित कर रहा है। बुलबुला पतन और प्रेरित माइक्रोजेट को एक तंत्र के रूप में पहचाना गया है जिसके माध्यम से झिल्ली छिद्र 8,9 होता है। एक बार परमेबिलाइज्ड होने के बाद, कोशिका झिल्ली लिपिड बाइलेयर के कैल्शियम स्व-सीलिंग और इंट्रासेल्युलरपुटिकाओं के संलयन के माध्यम से मरम्मत करती है। बुलबुला ढहने की घटना भी सेल को घातक नुकसान पहुंचा सकती है और आसपास के लोगों में अनावश्यक दुष्प्रभाव पैदा कर सकती है। अल्ट्रासाउंड-मध्यस्थता रक्त-मस्तिष्क बाधा खोलने जैसे संवेदनशील अनुप्रयोगों में, यह आमतौर पर स्वीकार किया जाता है कि जड़त्वीय बुलबुला ढहने से बचा जानाचाहिए।

इसलिए, माइक्रोबबल11 के स्थिर दोलनों को सुनिश्चित करने के लिए, निष्क्रिय गुहिकायन निगरानी और नियंत्रण के साथ युग्मित अल्ट्रासाउंड उत्सर्जन अनुक्रमों के डिजाइन के लिए वर्तमान में भारी प्रयास किए जाते हैं। इस स्थिर शासन में, यह अनुमान लगाया गया है कि स्थिर रूप से दोलन बुलबुले कोशिका झिल्ली पर स्थानिक रूप से लक्षित कतरनी तनाव को बढ़ावा देकर झिल्ली परमेबिलाइजेशन के ट्रिगर में एक मजबूत भूमिका निभातेहैं। कतरनी तनाव दोलन बुलबुले के आसपास के क्षेत्र में बनाए गए तरल प्रवाह से उत्पन्न होता है। इन तरल प्रवाहों को कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग कहा जाता है, और, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, वे कई संभावित तंत्रों में से एक हैं जो बाह्य अणुओं के बढ़े हुए उत्थान के लिए जिम्मेदार हैं। बुलबुले या कोशिकाओं जैसे इन-विट्रो जैविक अभिकर्मकों के निलंबन सेनिपटते समय, माइक्रोस्ट्रीमिंग द्वारा परमेबिलाइजेशन बुलबुला पतन द्वारा परमेबिलाइजेशन की तुलना में बहुत अधिक कुशल हो सकता है। यह एक सरल ज्यामितीय विचार द्वारा दिखाया जा सकता है। सेल निलंबन में, सोनोपोरेशन कुशल होगा यदि निलंबित कोशिकाओं के बहुमत को पर्याप्त रूप से बड़े यांत्रिक प्रभावों (झिल्ली परमेबिलाइजेशन के लिए अग्रणी) के लिए प्रस्तुत किया जाता है। यह ज्ञात है कि बुलबुला पतन आइसोट्रोपिक समरूपता टूटने की दिशा के साथ निर्देशित होता है, जैसे कि बुलबुला-दीवार अक्ष13 या बुलबुला-बुलबुला और बुलबुला-सेल लाइन जो द्रव्यमान14 के अपने केंद्र को जोड़ती है। इसलिए उत्पादित माइक्रोजेट सेल और बबल केंद्रों को जोड़ने वाली लाइनों की एक सीमित संख्या के साथ एक स्थानिक-स्थानीयकृत घटना है। सेल और बुलबुला एकाग्रता के साथ-साथ बुलबुला-सेल दूरी के आधार पर, यह प्रभाव निलंबित कोशिकाओं की पूरी संख्या को स्थिर करने के लिए सबसे कुशल नहीं हो सकता है। इसके विपरीत, कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग एक धीमी समय पर होने वाली घटना है, जिसमें बुलबुला त्रिज्या की तुलना में एक बड़ा स्थानिक विस्तार होता है। इसके अलावा, तरल प्रवाह बुलबुले के चारों ओर वितरित किया जाता है, और इसलिए बहुत लंबी सीमा पर बड़ी संख्या में कोशिकाओं को प्रभावित कर सकता है। इसलिए, एक ऑसिलेटिंग बबल के चारों ओर उत्पन्न कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग को समझना कोशिकाओं पर लागू होने वाले बुलबुले-प्रेरित कतरनी तनाव को नियंत्रित करने और निर्धारित करने के लिए एक शर्त है।

ऐसा करने के लिए, एक प्रारंभिक चरण में एक अल्ट्रासाउंड-संचालित बुलबुले के गोलाकार और गैर-गोलाकार दोलनों को नियंत्रित करना शामिल है, क्योंकि उत्पन्न तरल प्रवाह बुलबुला इंटरफ़ेस15,16 की गति से प्रेरित होते हैं। विशेष रूप से, माइक्रोबबल के आकार दोलनों को ट्रिगर और स्थिर रखना पड़ता है। इसके अलावा, बुलबुला इंटरफ़ेस गतिशीलता और प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न के बीच सहसंबंध का ठीक से विश्लेषण करने के लिए बुलबुला आकार दोलनों के अभिविन्यास को नियंत्रित किया जाना है। मौजूदा साहित्य को सारांशित करते समय, यह स्पष्ट है कि गुहिकायन-प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग के विस्तृत प्रयोगात्मक परिणाम केवल सतह से जुड़े बुलबुले के लिए उपलब्ध हैं। दीवार से जुड़े माइक्रोबबल आमतौर पर अल्ट्राफास्ट माइक्रोस्कोपी सिस्टम के तहत माइक्रोमीटर पैमाने पर सटीक इंटरफ़ेस गतिशीलता और सेल इंटरैक्शन का आकलन करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। कोशिका झिल्ली17,18,19 पर स्थित कंपन माइक्रोबबल पर विचार करते समय यह विन्यास चिकित्सीय रूप से प्रासंगिक है। सब्सट्रेट-संलग्न बुलबुले का अध्ययन हालांकि बुलबुले की गतिशीलता के विश्लेषण को अधिक जटिल बना सकता है, आंशिक रूप से संपर्क लाइन गतिशीलता20 की जटिल प्रकृति और असममित आकार मोड21 के ट्रिगर के कारण। चिकित्सा और जैविक अनुप्रयोगों में, बुलबुले जो दीवार से जुड़े नहीं होते हैं, आमतौर पर छोटे जहाजों जैसे सीमित ज्यामिति में पाए जाते हैं। यह बुलबुला गतिशीलता और आकार अस्थिरता को काफी प्रभावित करता है। विशेष रूप से, पास की दीवार की उपस्थिति आकार मोड संख्या और बुलबुला आकार22 के आधार पर कम दबाव मूल्यों को ट्रिगर करने वाले आकार मोड के लिए दबाव सीमा को बदल देती है। दीवार उत्पादित प्रवाह23 के लिए संभवतः उच्च तीव्रता के साथ बुलबुला-प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग को भी प्रभावित करती है।

सभी संभावित परिदृश्यों के बीच जो माइक्रोबबल अनुभव कर सकते हैं (मुक्त या संलग्न, एक दीवार के करीब, ढहने या स्थिर-दोलन), हम किसी भी सीमा से दूर एक एकल बुलबुले की गैर-गोलाकार गतिशीलता की जांच करने का प्रस्ताव करते हैं। प्रायोगिक सेटअप एक ध्वनिक उत्तोलन प्रणाली24 पर आधारित है जिसमें बुलबुले को फंसाने के लिए एक स्थायी अल्ट्रासाउंड तरंग का उपयोग किया जाता है। यह परिदृश्य चिकित्सा अनुप्रयोगों के अनुरूप है जिसमें निलंबित बुलबुले और कोशिकाओं का एक संग्रह एक सोनोट्रांसफेक्शन कक्ष में सह-अस्तित्व में है, उदाहरण के लिए। जहां तक बुलबुले और कोशिकाएं बहुत करीब नहीं हैं, यह माना जाता है कि सेल की उपस्थिति बुलबुला इंटरफ़ेस गतिशीलता को प्रभावित नहीं करती है। जब कोशिकाएं कैविटेशन-प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग के लूप जैसे प्रक्षेपपथ का पालन करती हैं, तो वे चक्रीय रूप से बुलबुला स्थान से आ रहे हैं और पीछे हट रहे हैं और हम मान सकते हैं कि सेल की उपस्थिति न तो स्ट्रीमिंग पैटर्न और न ही इसके औसत वेग को प्रभावित करती है। इसके अलावा, गैर-गोलाकार गतिशीलता और सीमा से दूर एकल बुलबुले से प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग सैद्धांतिक दृष्टिकोण से अच्छी तरह से जाना जाता है। बुलबुला-प्रेरित तरल प्रवाह को बुलबुला समोच्च गतिशीलता से जोड़ने के लिए, बबल इंटरफ़ेस गतिशीलता को सटीक रूप से चिह्नित करना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, चिकित्सीय में उपयोग किए जाने वाले लोगों के संबंध में प्रयोगात्मक अध्ययनों में स्पैटियोटेम्पोरल पैमाने को अनुकूलित करना बेहतर है ताकि कम आवृत्तियों पर उत्तेजित बड़े बुलबुले का उपयोग करके सामान्य उच्च गति वाले कैमरों (1 मिलियन फ्रेम / सेकंड से नीचे) के साथ अधिग्रहण संभव हो। अनकोटेड बुलबुले पर विचार करते समय, किसी दिए गए मोड एन का आइजिनफ्रीक्वेंसी एन बुलबुले के आकार से 25 के रूप में Equation 1 संबंधित होता है। शेल बुलबुले26 पर विचार करते समय यह त्रिज्या-आइजिनफ्रीक्वेंसी संबंध थोड़ा संशोधित होता है, लेकिन आइजिनफ्रीक्वेंसी एन के परिमाण का क्रम समान रहता है। इस प्रकार, 30 kHz अल्ट्रासाउंड क्षेत्र में संतुलन त्रिज्या ~ 50μm के साथ बुलबुले की जांच करना 1.7 MHz क्षेत्र में त्रिज्या ~ 3μm के लेपित बुलबुले का अध्ययन करने के समान है, जैसा कि डोलेट एट अल .27 द्वारा प्रस्तावित है। समान आकार मोड संख्याऔर इसलिए माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न इसलिए अपेक्षित हैं।

बुलबुला इंटरफ़ेस के गैर-गोलाकार दोलनों को ट्रिगर करने के लिए, एक निश्चित दबाव सीमा को पार करना आवश्यक है जो त्रिज्या-निर्भर है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। मौजूदा प्रयोगात्मक तकनीकें सतह मोड को ट्रिगर करने के लिए ध्वनिक दबाव की वृद्धि पर निर्भर करती हैं (चित्र 1 में पथ ( 1) द्वारा सचित्र), या तो चरण-दर-चरण दबाव वृद्धि28 द्वारा या सतह मोड29 की आवधिक शुरुआत और विलुप्त होने के लिए जिम्मेदार मॉड्यूलेटेड-आयाम उत्तेजना द्वारा। इन तकनीकों की मुख्य कमियां हैं (i) सतह दोलनों की समरूपता अक्ष का एक यादृच्छिक अभिविन्यास जिसे इमेजिंग विमान में नियंत्रित नहीं किया जा सकता है, (ii) बुलबुला आकार दोलनों का एक छोटा जीवनकाल जो बड़े टाइमस्केल पर प्रेरित तरल प्रवाह के विश्लेषण को मुश्किल बनाता है, और (iii) अस्थिर आकार मोड का लगातार ट्रिगर। हम त्रिज्या/ दबाव मानचित्र में निरंतर ध्वनिक दबाव पर दबाव सीमा को पार करने के लिए एक वैकल्पिक तकनीक का प्रस्ताव करते हैं, जैसा कि चित्र 1 में पथ (2) द्वारा चित्रित किया गया है। ऐसा करने के लिए, बुलबुले के आकार को बढ़ाना आवश्यक है जैसे कि यह अस्थिरता क्षेत्र में होगा। इस तरह की वृद्धि एक बुलबुला सहवास तकनीक द्वारा की जाती है। दो, शुरू में गोलाकार-दोलन, माइक्रोबबल ्स के सहवास का उपयोग एक विकृत बुलबुला बनाने के लिए किया जाता है। यदि संगठित बुलबुले का ध्वनिक दबाव और बुलबुला आकार अस्थिरता क्षेत्र में है, तो सतह मोड ट्रिगर होते हैं। हमने यह भी प्रमाणित किया कि सहवास तकनीक एक स्थिर-राज्य शासन में स्थिर आकार दोलनों को प्रेरित करती है, साथ ही साथ दो आने वाले बुलबुले की रेखीय गति द्वारा परिभाषित एक नियंत्रित समरूपता अक्ष भी है। क्योंकि मिनटों में एक स्थिर आकार दोलन सुनिश्चित किया जाता है, बुलबुले-प्रेरित द्रव प्रवाह का विश्लेषण फ्लोरोसेंट माइक्रोपार्टिकल्स के साथ तरल माध्यम को सीडिंग करके संभव है, जो एक पतली लेजर शीट द्वारा प्रकाश में है। बुलबुला इंटरफ़ेस के आसपास के क्षेत्र में ठोस माइक्रोपार्टिकल्स की गति को रिकॉर्ड करने से प्रेरित द्रव प्रवाह30 के पैटर्न की पहचान करने की अनुमति मिलती है। बुलबुला आकार दोलनों के ट्रिगर का समग्र सिद्धांत, जिससे समय-स्थिर द्रव प्रवाह होता है, चित्र 2 में चित्रित किया गया है।

निम्नलिखित प्रोटोकॉल में, हम सहवास तकनीक के माध्यम से स्थिर बुलबुला आकार दोलन बनाने के लिए आवश्यक चरणों को रेखांकित करते हैं और द्रव प्रवाह के माप का वर्णन करते हैं। इसमें ध्वनिक उत्तोलन प्रणाली का डिजाइन, ध्वनिक अंशांकन, बुलबुला न्यूक्लियेशन और सहवास तकनीक, बुलबुला इंटरफ़ेस गतिशीलता और आसपास के द्रव प्रवाह का माप और छवि प्रसंस्करण शामिल हैं।

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Protocol

1. ध्वनिक उत्तोलन कक्ष का डिजाइन

  1. मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन सॉफ्टवेयर (सामग्री की तालिका) के ज्यामिति मॉड्यूल के साथ एक ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी (पीएमएमए जैसा) क्यूबिक टैंक (8 सेमी किनारे और 2.8 मिमी मोटाई प्रति चेहरा) डिजाइन करें।
  2. अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर को मॉडल करने के लिए टैंक के तल पर केंद्रित एक बेलनाकार सतह (Ø = 35 मिमी) डालें।
  3. ट्रांसड्यूसर सतह पर आयाम 1 μm के सामान्य विस्थापन के साथ प्रत्येक दीवार पर शून्य दबाव के लिए सीमा की स्थिति सेट करें।
  4. फ़्रीक्वेंसी डोमेन मॉड्यूल का उपयोग करके, तीन मनमाने स्थानों loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125), loc2 = (0, 0, 0.0088), और loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935) पर फ़्रीक्वेंसी रेंज [10 - 40] kHz में टैंक के फ़्रीक्वेंसी रिस्पांस फ़ंक्शन (FRF) का अनुकरण करें।
  5. टैंक के आकार को इस तरह अनुकूलित करें कि गुहा के ध्वनिक मोड में से एक ट्रांसड्यूसर की नाममात्र आवृत्ति (यहां 31.2 kHz) से मेल खाता है। इसलिए एफआरएफ में इस आवृत्ति के करीब एक अनुनाद शिखर होता है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।
  6. टैंक के अंदर दबाव क्षेत्र को प्लॉट करें, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। चुने हुए अनुनाद मोड में कंटेनर के आंतरिक भाग में कम से कम एक दबाव एंटीनोड होना चाहिए, जिस पर ध्वनिक बुलबुला फंस जाएगा।
  7. टैंक को डिजाइन करते समय, टैंक के चेहरे को कसकर बंद करने के लिए प्रत्येक किनारे पर एक मार्गदर्शक नाली के साथ एक मूवेबल टॉप फेस डिज़ाइन करें। तरल माध्यम के साथ टैंक को भरने के लिए शीर्ष चेहरे पर एक छोटा सा छेद ड्रिल करें।
  8. पानी की टंकी को एक होममेड फ्रेम के ऊपर रखें जिसमें अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (लैंगविन-प्रकार, 31.2 kHz नाममात्र आवृत्ति) होता है। टैंक की निचली दीवार पर ट्रांसड्यूसर को जोड़ने के लिए इकोग्राफिक जेल का उपयोग करें।
  9. टैंक और फ्रेम सिस्टम को माइक्रोमेट्रिक स्क्रू के साथ तीन-दिशाओं की विस्थापन तालिका के ऊपर रखें।
  10. टैंक को माइक्रोफिल्टर्ड, डिमिनरलाइज्ड और पानी से भरें (डिगैस्ड नहीं, वॉल्यूम ~ 500 एमएल, लगभग 8 मिलीग्राम की ऑक्सीजन संतृप्ति) एल -1)।
    नोट: डिगैसके बजाय डिगैस्ड पानी का उपयोग नहीं करने से प्रयोगों की अवधि के लिए स्थिर बुलबुले बनाए रखना संभव हो जाता है। गैस के प्रसार के कारण डिगैस्ड पानी का उपयोग करने से बुलबुला सिकुड़ने में तेजी आएगी, भले ही संशोधित (अल्ट्रासाउंड-मध्यस्थता) प्रसार द्वारा थोड़ा संतुलित हो।

2. बुलबुला उत्पादन और ध्वनिक अंशांकन

  1. लेजर-प्रेरित बुलबुला न्यूक्लियेशन, ध्वनिक उत्तेजना और उच्च गति रिकॉर्डिंग (चित्रा 5 ए, बी, सी) के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रयोगात्मक सेटअप तैयार करें। प्रयोगात्मक सेटअप में (ए) ध्वनिक उत्तोलन प्रणाली, (बी) लेजर पावर सप्लाई और (सी) लेजर हेड, (डी) एक गोलाकार अवतल लेंस, (ई) एक प्लानो-अवतल लेंस और एक गोलाकार लेंस, (एफ) हाई-स्पीड कैमरा, (जी) निरंतर प्रकाश उत्सर्जक डायोड शामिल हैं। बाद में, तरल प्रवाह (चित्रा 5 डी) (एच) के माप के लिए एक निरंतर तरंग लेजर स्रोत, (आई) एक बेलनाकार प्लानो-अवतल लेंस के बाद पहले लेंस के पीछे डाला गया एक बेलनाकार प्लानो-अवतल लेंस जोड़ा जाएगा और ऑर्थोगोनल अक्ष पर उन्मुख होगा।
  2. अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर को एक फ़ंक्शन जनरेटर में प्लग करें। उत्तेजना संकेत को इस रूप में सेट करें: साइनसॉइडल वेवफॉर्म, निरंतर तरंग, आवृत्ति 31.2 kHz। आयाम एकमात्र चर पैरामीटर है।
  3. लेंस (डी) को लेजर हेड (सी) के सामने लगभग 6 सेमी की दूरी पर रखें।
  4. लेंस (डी) के सामने लेंस (ई) को लगभग 12 सेमी की दूरी पर रखें।
  5. पानी की टंकी (ए) को इस तरह रखें कि लेजर का एक फोकसिंग बिंदु पानी की टंकी के अंदर स्थित हो, जिससे हर लेजर पल्स (5 -10 एमजे) के लिए स्पार्क जनरेशन हो। लेजर स्पार्क लक्षित दबाव एंटीनोड से लगभग 3 सेमी नीचे स्थित होना चाहिए।
    नोट: अल्ट्रासाउंड (यूएस) के बिना, उछाल के कारण लेजर-न्यूक्लियेटेड बुलबुला शीर्ष चेहरे तक बढ़ जाएगा।
  6. अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर चालू करें। लागू वोल्टेज को तब तक बढ़ाएं जब तक बुलबुला लंबवत रूप से न बढ़े, लेकिन दबाव एंटीनोड की ओर विचलित हो जाए और पर्याप्त उच्च दबाव के लिए, फंस जाए।
  7. फंसे बुलबुले का निरीक्षण करने के लिए बैकलिट रोशनी (निरंतर प्रकाश उत्सर्जक डायोड) और उच्च गति कैमरा सेट करें।
    नोट: लेजर स्पार्क के साथ एक नए बुलबुले को न्यूक्लिट करते समय, बुलबुले के प्रक्षेपवक्र को अपने फंसाने के स्थान तक पहुंचना आसान होता है।
  8. पानी की टंकी के भीतर लेजर स्पार्क के स्थान को इस तरह से स्थानांतरित करें कि बुलबुला प्रक्षेपवक्र कैमरे के फोकल प्लेन के अंदर बना रहे।
  9. एक बुलबुले को फंसाएं और निम्नलिखित मापदंडों के साथ इसके रेडियल दोलनों को कैप्चर करें: फ्रेम आकार 128 x 128 पिक्सेल, अधिग्रहण दर 180 kHz। दो ध्वनिक अवधियों में बड़े-आयाम रेडियल दोलनों का एक उदाहरण चित्रा 6 में प्रदान किया गया है। विशिष्ट गैस बुलबुले का आकार 30 से 80 μm तक होता है।
  10. सैकड़ों से हजारों बुलबुला दोलनों को पकड़ने के लिए 3 से 30 मिलीसेकंड के दौरान बुलबुला रेडियल दोलनों को रिकॉर्ड करें। ट्रांसड्यूसर के लागू वोल्टेज को बढ़ाने के लिए इस रिकॉर्डिंग को दोहराएं। विशिष्ट लागू वोल्टेज 0 - 8 वी की सीमा में हैं।
    नोट: लागू वोल्टेज को संशोधित करते समय, फंसे हुए बुलबुले का संतुलन स्थान थोड़ा लंबवत चलता है। बैकलिट रोशनी और कैमरे को स्थानांतरित किए बिना दोलनों का पालन करने के लिए, सिस्टम (ट्रांसड्यूसर और पानी की टंकी) को माइक्रोमेट्रिक सटीकता के साथ तीन-दिशाओं की जंगम मेज पर रखें।
  11. अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर पर स्विच करें और पोस्ट-विश्लेषण के लिए पृष्ठभूमि की एक छवि कैप्चर करें।
  12. इस प्रक्रिया का पालन करते हुए वीडियो श्रृंखला को पोस्ट-प्रोसेस करें:
    1. निष्पादन योग्य फ़ाइल वोल्टेज दबाव.exe चलाएँ। चित्रा 7 में दिखाया गया इंटरफ़ेस खुलना चाहिए।
      नोट: स्क्रिप्ट एक पूरक दस्तावेज़ के रूप में उपलब्ध है।
    2. बाएं स्तंभ (चित्रा 7 ए) में भौतिक और प्रयोगात्मक पैरामीटर निर्दिष्ट करें।
    3. नीचे-दाएँ तालिका (चित्रा 7B) में रिकॉर्डिंग की श्रृंखला के लिए लागू वोल्टेज के मान निर्दिष्ट करें।
    4. बुलबुला त्रिज्या विश्लेषण पैनल में, लोड पैरामीटर (चित्रा 7 सी) पर क्लिक करें और अपनी वीडियो श्रृंखला की सभी फ़ाइलों वाले फ़ोल्डर का चयन करें, और फिर पृष्ठभूमि छवि (अनिवार्य)।
    5. ऑटो पर क्लिक करके, या स्टेप बाय स्टेप पर क्लिक करके एक-एक करके सभी वीडियो का विश्लेषण करने के बीच विकल्प की अनुमति है।
    6. प्रत्येक वीडियो फ़ाइल के लिए, बुलबुला त्रिज्या के विकास को एक ध्वनिक अवधि में प्लॉट किया जाता है, और एक संख्यात्मक फिट को सुपरइम्पोज किया जाता है। लाल वक्र एक रैखिक रेले-प्लेसेट मॉडलिंग से मेल खाती है। संतुलन बुलबुला त्रिज्या प्रदर्शित होती है (चित्रा 7 डी)।
    7. संख्यात्मक फिटिंग के अनुसार, इस वोल्टेज के लिए लागू दबाव दबाव (वोल्टेज) ग्राफ पैनल (चित्रा 7 ई) में प्रदर्शित होता है। लागू दबाव का मान नीचे-दाएं तालिका (चित्रा 7 बी) में भी प्रदर्शित होता है। 0 - 8 वी वोल्टेज गतिशीलता के अनुरूप विशिष्ट लागू दबाव 0 - 25 केपीए हैं।
    8. एक बार सभी वीडियो संसाधित हो जाने के बाद, दबाव / वोल्टेज वक्र का रैखिक फिट करने के लिए रैखिक प्रतिगमन बटन पर क्लिक करें। डेटा (वोल्टेज और दबाव मान) वर्तमान निर्देशिका में स्थित एक .txt फ़ाइल में सहेजे जाते हैं। फिट की ढलान प्रदान की जाती है।

3. सहवास तकनीक

  1. अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर चालू करें। लागू वोल्टेज को इतना ऊंचा सेट करें कि संबंधित ध्वनिक दबाव से अस्थिरता क्षेत्रों के संख्यात्मक दबाव / त्रिज्या आरेख के अनुसार, सतह अस्थिरता के ट्रिगर का कारण बन सकता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है।
  2. एक बुलबुला न्यूक्लियेट, जो तब अपने फंसने वाले स्थान पर स्थानांतरित हो जाएगा। यदि फंसा हुआ बुलबुला केवल गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करता है, तो अगले चरण पर जाएं। यदि गैर-गोलाकार दोलन दिखाई देते हैं:
    1. बुलबुले को शीर्ष सतह तक बढ़ने देने के लिए अल्ट्रासाउंड पावर को बंद कर दें।
    2. लेजर ऊर्जा को संशोधित करें (कुछ एमजे पर बारीक ट्यूनिंग करके) या ट्रांसड्यूसर वोल्टेज को कम करें।
    3. अल्ट्रासाउंड पावर चालू करें।
    4. न्यूक्लियेट एक नया बुलबुला।
    5. इस प्रक्रिया को तब तक दोहराएं जब तक कि बुलबुले का आकार विशुद्ध रूप से गोलाकार दोलनों की ओर न जाए।
  3. जब एक फंसा हुआ बुलबुला केवल गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करता है, तो एक नया लेजर स्पार्क उत्पन्न करें। जब नया बुलबुला फंसाने वाले स्थान पर पहुंचता है, तो सहवास होता है।
  4. यदि संगठित बुलबुला केवल गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करता है, तो एक नया बुलबुला उत्पन्न करें। बुलबुले त्रिज्या तक पहुंचने के लिए कई सहवास आवश्यक हो सकते हैं जिस पर गैर-गोलाकार विरूपण होते हैं। गैर-गोलाकार दोलनों के लिए अग्रणी बुलबुला सहवास का एक उदाहरण चित्र 9 में दिखाया गया है।
  5. एक बार जब संगठित बुलबुला गैर-गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करता है, तो बुलबुले दोलनों को लगभग 3 से 30 मिलीसेकंड की अवधि के लिए रिकॉर्ड करें।
  6. चित्र 10 का उल्लेख करके आकृति दोलनों की मोड संख्या की पहचान करें।

4. द्रव प्रवाह माप

  1. गुहिकायन माइक्रोस्ट्रीमिंग माप के मामले में, फ्लोरोसेंट ट्रेसर कणों को बुलबुला न्यूक्लियेशन से पहले पानी में जोड़ा जाना चाहिए। इस अध्ययन में, 0.71 μm कणों का उपयोग किया जाता है (सामग्री की तालिका)। वे ध्वनिक रूप से पारदर्शी होने के लिए पर्याप्त रूप से छोटे हैं (ध्वनिक विकिरण बल से प्रभावित नहीं) और प्रवाह का सटीक रूप से पालन करने के साथ-साथ लेजर प्रकाश को बिखेरने के लिए पर्याप्त रूप से बड़े हैं। पानी की टंकी की मात्रा के लिए तीन बूंदों का उपयोग करें, जो लगभग 2.104 कणों / मिमी3 के अनुरूप है।
  2. माप लेने से पहले, (फास्ट टाइमस्केल) बुलबुला गतिशीलता और (कम टाइमस्केल) द्रव प्रवाह दोनों को कैप्चर करने के लिए निम्नलिखित पैरामीटर सेट करें:
    1. कैमरा रिकॉर्डिंग डिस्क का विभाजन बनाएँ।
    2. वैकल्पिक रूप से रिकॉर्डिंग पैरामीटर को परिभाषित करें:
      1. बबल इंटरफ़ेस की गतिशीलता की एक रिकॉर्डिंग के लिए फ़्रेम दर 180 kHz, फ़्रेम आकार 128 x 128 पिक्सेल, और एक्सपोज़र समय 1 μs
      2. डाई ट्रेसर की गति की एक रिकॉर्डिंग के लिए फ्रेम दर 600 हर्ट्ज, फ्रेम आकार 1024 x 768 पिक्सेल, और एक्सपोजर समय 1 एमएस।
  3. एक निरंतर लेजर का उपयोग करें।
  4. लेजर बीम को क्रमिक रूप से बेलनाकार प्लेनो-अवतल लेंस और बेलनाकार प्लानो-उत्तल लेंस से गुजरने देकर एक पतली लेजर शीट बनाएं जो एक ऑर्थोगोनल अक्ष पर उन्मुख है। लगभग 160 μm की बीम चौड़ाई प्राप्त की जा सकती है।
  5. इमेजिंग विमान के अनुरूप लेजर शीट सेट करें:
    1. लेजर को एक मूवेबल डिवाइस पर सेट करें ताकि लेजर शीट को इमेजिंग प्लेन के समानांतर ले जाया जा सके।
    2. स्थिति को समायोजित करें ताकि रोशन कण कैमरे द्वारा दिखाई दें।
    3. एक बुलबुले को न्यूक्लियेट और फंसाना।
    4. लेजर शीट की स्थिति को और समायोजित करें, ताकि बुलबुले के पीछे एक छाया दिखाई दे। बुलबुला अब लेजर शीट के अंदर है, जैसा कि चित्र 11 में दिखाया गया है।
  6. बुलबुला सहवास को प्रेरित करें जब तक कि एक स्थिर रूप से दोलन आकार मोड स्पष्ट न हो।
  7. बुलबुला गतिशीलता और माइक्रोस्ट्रीमिंग के बीच आगे और पीछे स्विच करने वाली कई रिकॉर्डिंग करें।
    नोट: जब आवश्यक न हो तो निरंतर लेजर बंद करें। हीटिंग अवांछित संवहनी प्रवाह पैदा कर सकता है। इसके अलावा, स्ट्रीमिंग प्रवाह के माप करते समय प्रकाश उत्सर्जक डायोड को बंद कर दें।

5. कैविटेशन माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न की कल्पना करने के लिए छवि प्रसंस्करण

  1. जावा में छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण के लिए विज़ुअलाइज़ेशन सॉफ़्टवेयर ImageJ स्थापित करें। उच्च गति कैमरा फ़ाइलों को खोलने के लिए प्लगइन सिने फाइल रीडर भी स्थापित करें।
  2. फ़ाइल पर क्लिक करें | आयात | CineFile और कण गति के कैप्चर वाले वीडियो *.cine का चयन करें।
  3. नई विंडो में वर्चुअल स्टैक का उपयोग करें का चयन करें, वीडियो अब लोड हो गया है।
  4. स्ट्रीमिंग पैटर्न प्रदर्शित किए बिना कण गति का निरीक्षण करने के लिए, छवि पर क्लिक करें समायोजित करें | चमक/कंट्रास्ट | ऑटो। अंधेरे पृष्ठभूमि को अब स्वचालित रूप से अनुकूलित छवि द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है।
  5. परिणामी पैटर्न प्रदर्शित करने के लिए, छवि पर क्लिक करें | ढेर | जेड प्रोजेक्ट और छवि प्रक्षेपण के लिए अधिकतम तीव्रता विकल्प चुनें। स्टैक में सभी छवियों पर अधिकतम मान वाले पिक्सेल के साथ एक आउटपुट छवि प्रदर्शित की जाती है। यदि आवश्यक हो, तो चरण 5.4 में वर्णित छवि कंट्रास्ट समायोजित करें।
    नोट: एक स्ट्रीमिंग पैटर्न जैसे कि चित्रा 12 बी और चित्रा 12 डी में दिखाया गया है।

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Representative Results

बुलबुला सहवास का एक पूरा अनुक्रम जो समय-स्थिर, समरूपता-नियंत्रित गैर-गोलाकार दोलनों की ओर जाता है, चित्र 9 में प्रस्तुत किया गया है। दो गोलाकार-दोलन बुलबुले का आने वाला चरण तब समाप्त होता है जब दो बुलबुले के बीच पतली तरल फिल्म टूट जाती है। यह ध्यान देने योग्य है कि, सहवास से पहले अंतिम चरण में, बुलबुला इंटरफेस स्फेरिकता से विचलित होते हैं। दोनों बुलबुले दृष्टिकोण की रेखीय गति के पथ के साथ एक दीर्घवृत्त आकार पर लम्बी होते हैं। सहवास के क्षण के बाद, एक एकल बुलबुला बना रहता है और कुछ ध्वनिक अवधियों के दौरान एक जटिल आकार के साथ गैर-गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करता है। यह किसी भी गतिशील प्रणाली के उत्तेजना के बाद, दोलनों के क्षणिक शासन से मेल खाती है। एक दर्जन से सौ ध्वनिक अवधियों के बाद आकार दोलन एक स्थिर-अवस्था दोलन पर स्थिर हो जाते हैं, यहां एक मोड 4 के लिए दिखाया गया है, जैसा कि चित्र 10 की व्याख्या से अनुमान लगाया जा सकता है। यह मोड हजारों ध्वनिक अवधियों के लिए कई मिलीसेकंड से कुछ मिनटों तक जारी रह सकता है। यह बुलबुला-प्रेरित तरल प्रवाह के अर्ध-एक साथ माप की अनुमति देता है।

एक बार जब एक बुलबुला फंस जाता है और स्थिर आकार दोलनों को प्रदर्शित करता है, तो बुलबुला आसपास के क्षेत्र में फ्लोरोसेंट ट्रेसर की गति को कैप्चर किया जाता है, जैसा कि चित्र 11 में दिखाया गया है। सबसे पहले, विशुद्ध रूप से गोलाकार दोलनों को प्रदर्शित करने वाले बुलबुले के लिए कण गति की अनुपस्थिति कई गुहिकायन माइक्रोस्ट्रीमिंग मॉडल31 के अनुरूप है जो इस बात का प्रमाण है कि शुद्ध रेडियल दोलनों द्वारा कोई विकृति प्रेरित नहीं है। जब आकार दोलन होते हैं, तो बुलबुला इंटरफ़ेस के आसपास के क्षेत्र में तरल गति उत्पन्न होती है, जैसा कि चित्र 12 में दिखाया गया है। ध्वनिक टाइमस्केल (चित्रा 12 ए, सी) पर बुलबुला इंटरफ़ेस की गतिशीलता की वैकल्पिक रिकॉर्डिंग और कम टाइमस्केल (चित्रा 12 बी, डी) पर कणों की गति माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न को किसी दिए गए आकार मोड संख्या से संबंधित करने की अनुमति देती है। चित्रा 12 ए औसत त्रिज्या आर0 = 70.5 μm के बुलबुले के लिए बुलबुले की गतिशीलता की एक स्नैपशॉट श्रृंखला प्रस्तुत करता है, जो ध्वनिक दबाव Pa = 12.8 kPa पर संचालित होता है, जो मुख्य रूप से मोड 3 पर घूम रहा है। चित्रा 12 बी में संबंधित माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न में छह लोब होते हैं। आकार मोड दोलनों और माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न के बीच समरूपता की धुरी का संरक्षण स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। चित्रा 12 सी औसत त्रिज्या आर0 = 55.7 μm के बुलबुले के लिए बुलबुले की गतिशीलता की एक स्नैपशॉट श्रृंखला प्रस्तुत करता है, जो ध्वनिक दबाव Pa = 23.6 kPa पर संचालित होता है, जो मुख्य रूप से मोड 4 पर दोलन कर रहा है। चित्रा 12 डी में संबंधित माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न में बुलबुला व्यास के आकार के आठ छोटे लोब होते हैं। एक बार फिर, आकार मोड दोलनों और माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न के बीच समरूपता की धुरी का संरक्षण स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। ये परिणाम इस बात की पुष्टि करते हैं कि आकार मोड जितना अधिक होगा, माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न उतना ही छोटा होगा और वे बुलबुले के आसपास के क्षेत्र में उतने ही सीमित होंगे।

उच्च-क्रम मोड के लिए एक संकीर्ण स्ट्रीमिंग पैटर्न की यह धारणा उतनी स्पष्ट नहीं है और बबल इंटरफ़ेस गतिशीलता की मोडल सामग्री पर निर्भर करती है। दरअसल, हमें याद रखना चाहिए कि बुलबुला-प्रेरित तरल प्रवाह एक ही आवृत्ति पर दोलन करने वाले दो आकार मोड के बीच बातचीत से उत्पन्न होता है, या स्वयं के साथ एक मोड की आत्म-बातचीत31। एक बुलबुला मुख्य रूप से किसी दिए गए आकार मोड पर घूमता है, उदाहरण के लिए हम एक मोड 3 पर विचार करते हैं, मोड29 के बीच नॉनलाइनर युग्मन के माध्यम से अन्य गैर-गोलाकार दोलनों को भी उत्तेजित कर सकता है। यदि बबल इंटरफ़ेस की गतिशीलता में पूरक मोड होते हैं, जैसे कि दूसरा और चौथा (उदाहरण के लिए), तो विशिष्ट पैटर्न उत्पन्न करने वाले मोड के बीच कई इंटरैक्शन के कारण माइक्रोस्ट्रीमिंग प्रवाह को काफी संशोधित किया जा सकता है। यह चित्र 13 में मुख्य रूप से मोड 3 पर घूमने वाले दो बुलबुले के लिए चित्रित किया गया है, जो दो अलग-अलग माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न को प्रेरित करते हैं। चित्र 13a, b, c में, संतुलन त्रिज्या R0 = 70.1 μm का एक बुलबुला, ध्वनिक दबाव Pa = 12.4 kPa पर संचालित, मोड 3 पर दोलन करते हुए, एक लोब-प्रकार पैटर्न प्रस्तुत करता है। इंटरफ़ेस डायनामिक्स (चित्रा 13 बी) के विश्लेषण से पता चलता है कि प्रमुख मोड रेडियल एक (ड्राइविंग आवृत्ति एफ 0 पर दोलन), ट्रांसलेशनल एक (संख्या 1 के साथ मोड, ड्राइविंग आवृत्ति एफ 0 के आधे पर दोलन), तीसरा एक (एफ 0/2 पर दोलन) और अपेक्षाकृत छोटे चौथे और छठे मोड (दोनों एफ 0). यह अनुमान लगाया जा सकता है कि माइक्रोस्ट्रीमिंग प्रवाह में मुख्य योगदान रेडियल मोड और मोड 4 और 6 के बीच बातचीत है, जिससे लोब-टाइप पैटर्न31 होता है। चित्र 13 डी, ई, एफ में, संतुलन त्रिज्या आर0 = 68.6 μ मीटर का एक बुलबुला, ध्वनिक दबाव पीए = 13.3 केपीए पर संचालित, मोड 3 पर दोलन, बड़ी दूरी के प्रवाह विस्तार के साथ एक क्रॉस-टाइप पैटर्न प्रस्तुत करता है। इंटरफ़ेस डायनामिक्स (चित्रा 13 डी) के विश्लेषण से पता चलता है कि प्रमुख मोड रेडियल एक, ट्रांसलेशनल एक (नंबर 1 के साथ मोड), तीसरा और छठा है। मोड 3 के उच्च आयाम के अनुसार, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि माइक्रोस्ट्रीमिंग प्रवाह में मुख्य योगदान मोड 3 की आत्म-बातचीत है, जिससे क्रॉस-टाइप पैटर्न32 होता है।

Figure 1
चित्र 1. आकृति दोलनों को ट्रिगर करने की विधि का चित्रण। दबाव/त्रिज्या मानचित्र में किसी दिए गए डिग्री के प्रति मोड में एक अस्थिरता क्षेत्र होता है। इस क्षेत्र तक पहुंचने के लिए दबाव सीमा को (1) लागू ध्वनिक दबाव को बढ़ाकर पार किया जा सकता है जो निश्चित त्रिज्या के गैस बुलबुले को चलाता है, जब तक कि आकार मोड दिखाई नहीं देते, या (2) निरंतर लागू ध्वनिक दबाव पर बुलबुले का आकार बढ़ाना। बुलबुले की मात्रा में ऐसी वृद्धि धीरे-धीरे होती है जब संशोधित प्रसार होता है, जबकि बुलबुला सहवास प्रक्रिया को काफी तेज करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2. बुलबुला सहवास तकनीक का चित्रण। आने वाले चरण (ए) में लेजर-न्यूक्लिटिंग दो बुलबुले होते हैं जो कंटेनर के भीतर एक ही फंसाने वाले स्थान पर एक दूसरे का सामना करते हैं। जब वे मिलते हैं, तो सहवास होता है: बुलबुले (बी) के बीच पतली तरल फिल्म का टूटना एक एकल, शुरू में विकृत, बुलबुले की पीढ़ी की ओर जाता है। यह विकृत बुलबुला मोनोक्रोमैटिक अल्ट्रासाउंड क्षेत्र द्वारा संचालित होता है और स्थिर-अवस्था शासन में प्रवेश करने से पहले पहले क्षणिक दोलनों (सी) पर प्रदर्शित होता है। स्थिर-राज्य शासन (डी) में, संगठित बुलबुला समय-स्थिर, समरूपता-नियंत्रित आकार दोलनों को प्रदर्शित करता है। फ्लोरोसेंट नैनोकणों के साथ माध्यम को सीडिंग करके, बुलबुला-प्रेरित द्रव प्रवाह पर कब्जा कर लिया जाता है (ई)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3. उत्तोलन प्रणाली के भीतर दबाव क्षेत्र की आवृत्ति प्रतिक्रिया समारोह। ध्वनिक दबाव के आयाम को आवृत्ति के एक फ़ंक्शन के रूप में प्रदर्शित किया जाता है, टैंक के अंदर तीन स्थानों के लिए निम्नलिखित (x, y, z) निर्देशांक के अनुरूप: (1) नीला, (2.05,2.05,6)सेमी, (2) लाल, (0,0,1.28)सेमी और (3) काला, (3.23,3.48,1.36)सेमी, जहां समन्वय प्रणाली की उत्पत्ति घन टैंक के निचले चेहरे के केंद्र में ली जाती है। 31.5 kHz के पास एक अनुनाद मोड स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4. उत्तोलन कक्ष के भीतर ध्वनिक दबाव का वितरण। (ए) चयनित अनुनाद मोड के लिए क्यूबिक वॉटर टैंक के भीतर दबाव क्षेत्र का त्रि-आयामी प्रतिनिधित्व। यह मोड अल्ट्रासाउंड स्रोत की आवृत्ति के अनुरूप आवृत्ति 31.2 kHz पर होता है। (बी) टैंक के विकर्ण विमान में ध्वनिक दबाव का वितरण। (सी) क्षैतिज (ऊंचाई जेड = स्थिर) विमान में ध्वनिक दबाव का वितरण। ऊंचाई को इस तरह चुना गया है कि यह टैंक के ऊपरी हिस्से में दबाव एंटीनोड के स्थान से मेल खाता है। ट्रांसड्यूसर सतह पर 1 μm के सामान्य विस्थापन को लागू करके रंग पट्टी के आयाम प्राप्त किए जाते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5. प्रयोगात्मक सेटअप की तस्वीरें और योजनाबद्धता। यह (ए) ध्वनिक उत्तोलन प्रणाली, (बी-सी) स्पंदित लेजर एम्पलीफायर और लेजर हेड, (डी-ई) फोकसिंग लेंस सेट, (एफ) हाई-स्पीड कैमरा, (जी) प्रकाश उत्सर्जक डायोड, (एच) निरंतर तरंग लेजर और (आई) आकार लेंस सेट से बना है। (ए) एक पक्ष और (बी) प्रयोगात्मक सेटअप का एक शीर्ष दृश्य। (ग) बुलबुला दोलनों को पकड़ने के लिए आवश्यक सामग्रियों का चित्रण। ध्यान दें कि इस प्रक्रिया के दौरान निरंतर लेजर (एच) बंद है। (घ) तरल प्रवाह को पकड़ने के लिए आवश्यक सामग्रियों का चित्रण। ध्यान दें कि बबल न्यूक्लियेशन के लिए स्पंदित लेजर (सी) बंद है, जबकि माइक्रोपार्टिकल ट्रेसर को रोशन करने वाली लेजर शीट उत्पन्न करने के लिए निरंतर लेजर (एच) चालू है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6. एक अल्ट्रासाउंड-संचालित बुलबुले की स्नैपशॉट श्रृंखला जो बड़े आयाम गोलाकार दोलनों का प्रदर्शन करती है। बुलबुला संतुलन त्रिज्या ~ 60 μm है, और ड्राइविंग ध्वनिक दबाव ~ 15 kPa है। दो क्रमिक छवियों के बीच का समय अंतराल 5.6 μs है। पूरी श्रृंखला दो ध्वनिक अवधियों से मेल खाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7. निष्पादन योग्य स्क्रिप्ट PVR_Interface.exe का इंटरफ़ेस पैनल। स्क्रिप्ट एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस लॉन्च करती है जिसमें (ए) भौतिक मापदंडों को सेट करने के लिए एक पैनल होता है, (बी) ट्रांसड्यूसर पर लागू विद्युत वोल्टेज सेट करने के लिए एक तालिका, (सी) रिकॉर्ड किए गए वीडियो के पूरे सेट को लोड करने की संभावना जो पोस्ट-प्रोसेस होते हैं और संतुलन बुलबुला त्रिज्या (डी) और लागू ध्वनिक दबाव (बी) प्रदान करते हैं, दबाव/वोल्टेज संबंध (ई) का प्लॉट। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8. अस्थिरता क्षेत्रों का दबाव/त्रिज्या आरेख। प्रत्येक रंगीन क्षेत्र किसी दिए गए आकार मोड के लिए एक अस्थिरता क्षेत्र से मेल खाता है: (नीला क्षेत्र) मोड 2, (हरा क्षेत्र) मोड 3 और (लाल क्षेत्र) मोड 4। सफेद क्षेत्र उस मामले से मेल खाता है जहां माइक्रोबबल केवल गोलाकार दोलनों का प्रदर्शन करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्र 9. एक बुलबुला सहवास की स्नैपशॉट श्रृंखला जो आकार दोलनों की ओर ले जाती है। दो बुलबुले के आने वाले चरण के बाद, उनके बीच की पतली फिल्म टूट जाती है और सहवास होता है। एक एकल बुलबुला अब अल्ट्रासाउंड क्षेत्र द्वारा संचालित होता है, जो पहले क्षणिक दोलन शासन में होता है। कुछ ध्वनिक अवधियों के बाद स्थिर-राज्य शासन एक एक्सिसिमेट्रिक आकार मोड पर स्थापित किया जाता है, यहां मोड 4। दो क्रमागत तस्वीरों के बीच का समय अंतराल 30 μs है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 10
चित्र 10. रेडियल मोड सहित पहले पांच एक्सिसिमेट्रिक आकार मोड। दोलन आयाम के दो एक्सट्रेमा पर दिखाए गए बुलबुले इंटरफ़ेस के समोच्च का साइड-व्यू। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 11
चित्र 11. गोलाकार रूप से दोलन माइक्रोबबल के चारों ओर फ्लोरोसेंट ट्रेसर कण। दोनों छवियां 0.25 को कवर करने वाले 100 स्नैपशॉट के सुपरपोजिशन के अनुरूप हैं। (ए) यदि आकार दोलन मौजूद नहीं हैं तो ट्रेसर कणों की कोई गति नहीं देखी जा सकती है। (ख) दृश्य के पूरे क्षेत्र में दिखाई देने वाला एक परजीवी माध्य प्रवाह उदाहरण के लिए लासे शीट के गर्म होने के कारण दिखाई दे सकता है। हालांकि यह प्रवाह बुलबुला गति से जुड़ा नहीं है। दोनों छवियों पर बुलबुले के पीछे लेजर शीट द्वारा प्रेरित छाया स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 12
चित्र 12. बुलबुला गतिशीलता और प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग की अर्ध-एक साथ रिकॉर्डिंग। बाएं कॉलम: एक बुलबुले की स्नैपशॉट श्रृंखला जो क्रम 3 (ए) और प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग (बी) के आकार मोड दोलनों को प्रदर्शित करती है। दायां कॉलम: एक बुलबुले की स्नैपशॉट श्रृंखला जो क्रम 4 (सी) और प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग (डी) के आकार मोड दोलनों को प्रदर्शित करती है। सभी आंकड़ों के लिए लाल डैश्ड लाइन बुलबुले के आकार के दोलनों और तरल प्रवाह दोनों की समरूपता अक्ष से मेल खाती है, जो सहवास से पहले दो आने वाले बुलबुले की रेखीय गति से निर्धारित होती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 13
चित्र 13. एक बुलबुले द्वारा प्रेरित दो स्ट्रीमिंग पैटर्न का उदाहरण मुख्य रूप से एक मोड 3 पर घूमता है। (a, d) बुलबुला इंटरफ़ेस का चित्रण और स्नैपहॉट, (बी, ई) बबल इंटरफ़ेस का मोड अपघटन और (सी, एफ) संबंधित स्ट्रीमिंग पैटर्न। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल. कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

प्रस्तुत प्रक्रिया में स्थिर-अवस्था, समरूपता-नियंत्रित बुलबुला आकार दोलनों को ट्रिगर करने के लिए बुलबुला सहवास का उपयोग करना शामिल है, जिससे इन दोलनों द्वारा प्रेरित दीर्घकालिक द्रव प्रवाह का अध्ययन किया जा सकता है। तकनीक में मुख्य चुनौती किसी भी सीमा से दूर एक बुलबुले के फंसने के लिए गैर-गोलाकार दोलनों का नियंत्रण है।

साहित्य में प्रस्तावित अधिकांश मौजूदा तकनीकों ने सब्सट्रेट-संलग्न बुलबुले 7,16 पर ध्यान केंद्रित किया, क्योंकि बुलबुला केंद्र की गति की अनुपस्थिति ध्वनिक टाइमस्केल (सैकड़ों किलोहर्ट्ज तक) पर इसके इंटरफ़ेस को कैप्चर करना आसान बनाती है। जबकि आकार मोड को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक दबाव सीमा को पार करना इस मामले में एक आसान काम है, सब्सट्रेट द्वारा प्रेरित समरूपता के टूटने के कारण आकार दोलनों का नियंत्रण जटिल है। एक दीवार से जुड़ा बुलबुला एक विशेष संपर्क कोण के साथ सब्सट्रेट से संपर्क कर रहा है, जिससे असममित सतह मोड21 का ट्रिगर हो रहा है। केवल एक कैमरा दृश्य के साथ त्रि-आयामी, असममित मोड की व्याख्या करने की जटिलता के अलावा, एक अराजक सतह दोलन शासन में अचानकसंक्रमण उत्पन्न होता है। इसलिए, मुख्य चुनौती में एक्सिसिमेट्रिक नॉनस्फेरिकल दोलनों को प्राप्त करने के लिए किसी भी सीमा से दूर एक एकल, फंसे बुलबुले के आकार दोलनों को कैप्चर करना शामिल है। ऐसी स्थितियां प्रयोगों और साहित्य में उपलब्ध विश्लेषणात्मक अध्ययनों की बड़ी विविधता के बीच तुलना को सक्षम करती हैं। मुख्य प्रयोगात्मक कठिनाई माइक्रोबबल की स्थितिगत स्थिरता में निहित है। इस समस्या को दूर करने के लिए, ऑप्टिकल ट्वीज़र्स का उपयोग बबल ट्रैपिंग34 को नियंत्रित करने के लिए किया गया है, और आयाम-मॉड्यूलेटेड अल्ट्रासाउंड फ़ील्ड का उपयोग बुलबुला दोलनों को फंसाने औरचलाने के लिए किया जाता है। दोनों मामलों में, एक एकल बुलबुला फंस जाता है और गैर-गोलाकार मोड ट्रिगर होते हैं। इसके अलावा, आयाम-मॉड्यूलेटेड ड्राइविंग क्षेत्र के मामले में, आकार मोड केवल थोड़े समय के लिए मौजूद होते हैं क्योंकि वे समय-समय पर शुरू होते हैं और गायब हो जाते हैं। इसके अलावा, बुलबुला आकार दोलनों का अभिविन्यास नियंत्रित नहीं होता है और इंटरफ़ेस गति के विश्लेषण में पूर्वाग्रह की ओर जाता है।

हम जो विकल्प प्रस्तावित करते हैं वह एक एकल बुलबुले को न्यूक्लियेट करने के लिए स्पंदित लेजर का उपयोग है, बाद में एक अनुनाद उत्तोलन कक्ष के दबाव एंटीनोड पर फंस जाता है। समय के साथ लगातार बुलबुले को न्यूक्लियर करके, प्रत्येक न्यूक्लियेटेड बुलबुला अपने फंसाने वाले स्थान की ओर बढ़ता है जो पहले से ही एक और बुलबुले द्वारा कब्जा कर लिया गया है। सहवास होता है और शुरू में विकृत बुलबुला इंटरफ़ेस को प्रेरित करता है। यदि ड्राइविंग दबाव पर्याप्त रूप से मजबूत है, तो आकार दोलन ों को बनाए रखा जाता है। लेजर-न्यूक्लियेशन को अन्य न्यूक्लियेशन तकनीकों के लिए प्राथमिकता दी गई है, जैसे कि उदाहरण के लिए इलेक्ट्रोलिसिस, क्योंकि यह तेज और विश्वसनीय बुलबुला उत्पादन की अनुमति देता है। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, आकृति दोलनों की समरूपता की धुरी सहवास से पहले बुलबुला दृष्टिकोण की धुरी द्वारा दी गई है। हालांकि, इस प्रमुख परिणाम को प्रयोगात्मक सेटअप स्थापित करने के लिए अपेक्षाकृत लंबे समय की आवश्यकता होती है क्योंकि यह आवश्यक है कि बुलबुले सहवास के दृष्टिकोण चरण के दौरान कैमरे के फोकल प्लेन के अंदर रहें (इस विमान में समरूपता की धुरी को उन्मुख करने के लिए)। ऐसा करने के लिए, बुलबुला न्यूक्लियेशन साइट के मामूली बदलाव उस पथ को अनुकूलित करने के लिए किए जाते हैं जिसके साथ बुलबुले चलते हैं और एक दूसरे का सामना करते हैं। बुलबुला-न्यूक्लियेशन साइट में परिवर्तन के लिए लेजर पथ के अपेक्षाकृत टैंक स्थान के ठीक संशोधन की आवश्यकता होती है, और माइक्रोमेट्रिक सटीकता के साथ तीन-दिशाओं के चरण के साथ किया जाता है। इसके अलावा, न्यूक्लियेटेड बुलबुले के आकार को अनुकूलित करने के लिए लेजर ऊर्जा की ठीक ट्यूनिंग की जाती है। बुलबुले जो बहुत बड़े होते हैं, वे तुरंत उच्च मोड संख्या के साथ आकार मोड उत्पन्न करेंगे और वॉल्यूमेट्रिक बुलबुला अनुनाद तक पहुंचेंगे। यह बुलबुला केंद्र की उच्च स्थितिगत अस्थिरता की ओर जाता है। बुलबुले जो बहुत छोटे होते हैं, उन्हें आकार मोड को ट्रिगर करने के लिए उपयुक्त आकार तक पहुंचने से पहले बड़ी संख्या में सहवास प्रक्रियाओं की आवश्यकता होगी।

प्रस्तावित तकनीक का मुख्य लाभ समरूपता-नियंत्रित आकार दोलनों के लिए एक स्थिर-राज्य शासन की स्थापना है। चूंकि इंटरफ़ेस गति अपेक्षाकृत लंबे समय तक (सेकंड से मिनट तक) बनी रहती है, इसलिए तरल माध्यम में बीज वाले फ्लोरोसेंट नैनोकणों की ट्रैकिंग के लिए प्रयोगात्मक सेटअप को स्विच करके बुलबुले-प्रेरित द्रव प्रवाह को कैप्चर करना संभव है। यह ध्यान देने योग्य है कि एक अनंत तरल में बुलबुले द्वारा प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग का कोई प्रयोगात्मक अध्ययन साहित्य में अब तक मौजूद नहीं है। इसके अलावा, यहां तक कि जब सब्सट्रेट-संलग्न बुलबुले के लिए गुहिकायन माइक्रोस्ट्रीमिंग की जांच की जाती है, तो विश्लेषण बुलबुला गतिशीलता16 के लिंक पर विचार किए बिना गुणात्मक टिप्पणियों तक सीमित होता है। कण गति का माप एक निरंतर तरंग लेजर द्वारा प्रदान की गई एक पतली लेजर शीट में किया जाता है। क्योंकि अर्ध-एक साथ प्रदर्शन करना आवश्यक है (i) स्पंदित लेजर द्वारा लेजर-न्यूक्लियेशन, (ii) लेजर शीट के साथ कण ट्रैकिंग और (iii) हाई-स्पीड कैमरा द्वारा रिकॉर्डिंग, पानी की टंकी के आसपास की सामग्री की संभावित बाधा पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए। यह डिवाइस स्वभाव पर कई प्रतिबंधों के साथ एक कॉम्पैक्ट सेटअप की ओर जाता है, जैसा कि चित्रा 5 में दिखाया गया है। आकार-ऑसिलेटिंग बबल द्वारा प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न को कैप्चर करते समय, वैकल्पिक रूप से बबल इंटरफ़ेस गतिशीलता को ट्रैक करना आवश्यक है, जैसा कि चरण 4.2 में उल्लेख किया गया है। दरअसल, बुलबुला गतिशीलता और द्रव प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन के वैकल्पिक अनुक्रमों के बीच स्विच करने से माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न को किसी दिए गए आकार दोलन से सुरक्षित रूप से जोड़ा जा सकता है। यह वैकल्पिक प्रक्रिया अनिवार्य है क्योंकि (i) आकार दोलन बंद हो सकते हैं, (ii) बुलबुला स्थिरता अचानक बढ़ सकती है जिससे बुलबुले की स्थितिगत अस्थिरता हो सकती है, (iii) बड़ी विकृतियां होने पर बुलबुला टूट सकता है। यहां तक कि अगर ये घटनाएं दुर्लभ हैं, तो यह सत्यापित करना महत्वपूर्ण है कि माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न को फिल्माने से पहले और बाद में इसे रिकॉर्ड करके बुलबुला गतिशीलता समान रहती है। (इस तरह यह आश्वासन दिया जा सकता है कि बुलबुला गति और पैटर्न वास्तव में सहसंबद्ध हैं)।

क्या यह स्पष्ट है कि किसी दिए गए मोड नंबर पर मुख्य रूप से घूमने वाला एक बुलबुला एक विशेष माइक्रोस्ट्रीमिंग पैटर्न की ओर जाता है, जैसा कि चित्र 12 में दिखाया गया है। पैटर्न अद्वितीय है और इंटरफ़ेस गति की मोडल सामग्री पर निर्भर करता है। जैसा कि चित्र 13 में दिखाया गया है, वही प्रमुख मोड संख्या उत्तेजित होने वाले द्वितीयक मोड की संख्या, आयाम और चरण के आधार पर बड़ी या छोटी दूरी के भंवरों को प्रेरित कर सकती है।

उदाहरण के लिए, इन टिप्पणियों का लक्षित और स्थानीयकृत अल्ट्रासाउंड-मध्यस्थता दवा वितरण जैसे चिकित्सा अनुप्रयोगों में व्यावहारिक उपयोग हो सकता है। बुलबुले को कोशिकाओं के बीच तंग जंक्शनों को स्थिर करने के लिए वैक्टर के रूप में कार्य करने के लिए जाना जाता है, और यहां तक कि कोशिका झिल्ली भी, जिससे सोनोपोरेशन1 होता है। स्थिर रूप से दोलन करने वाले माइक्रोबबल ्स के मामले में, यह घटना माइक्रोस्ट्रीमिंग प्रवाह की पीढ़ी के माध्यम से बुलबुला दोलनों द्वारा प्रेरित कतरनी तनाव या कतरनी तनाव ग्रेडिएंट35 द्वारा प्रेरित हो सकती है। हमें याद है कि माइक्रोस्ट्रीमिंग एक नॉनलाइनियर, दूसरे क्रम की घटना है। सबसे पहले, देखे गए स्ट्रीमिंग पैटर्न को चिकित्सीय, शेल्ड, छोटे आकार (~ 3 μm त्रिज्या) के साथ चिकित्सीय, शेल्ड, माइक्रोबबल के लिए प्राप्त करना सीधा नहीं है। हमने पहले से ही परिचय में प्रमाणित किया है कि परिमाण आकार अंतर के एक क्रम के मुक्त या लेपित बुलबुले की गैर-गोलाकार गतिशीलता को कैसे बढ़ाया जा सकता है: किसी दिए गए मोड एन का आइजिनफ्रीक्वेंसी एन बुलबुले के आकार से 25 के रूप Equation 1 में संबंधित है। डोलेट एट अल.27 में, 1.7 मेगाहर्ट्ज पर उत्तेजित लेपित माइक्रोमेट्रिक बुलबुले के लिए ऑर्डर 4 के आकार मोड कैप्चर किए गए हैं, हमारे प्रयोग में देखे गए आकार मोड संख्या के समान। इसके अलावा, लागू दबाव दृढ़ता से भिन्न होता है, क्योंकि अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट एजेंट माइक्रोबबल27 पर आकार मोड को ट्रिगर करने के लिए 200 केपीए तक के दबाव की आवश्यकता होती है। प्रस्तावित सेटअप में, अधिकतम लागू दबाव 25 kPa से अधिक नहीं है। लागू दबाव में मजबूत अंतर सतह अस्थिरता के ट्रिगर से उत्पन्न होता है, क्योंकि आकार मोड एक निश्चित दबाव सीमा से ऊपर दिखाई देते हैं। डोलेट एट अल 27 में दिए गए 1.7 मेगाहर्ट्ज पर प्रयोगात्मक स्थितियों के लिए, यह दिखाया गया है कि आकार अस्थिरता की ओर ले जाने वाली दबाव सीमा मोड 436 के लिए लगभग 150 केपीए है। 30 kHz ड्राइविंग आवृत्ति के लिए, ~ 50 μm बुलबुले पर आकार अस्थिरता को ट्रिगर करने के लिए केवल 10 kPa ड्राइविंग क्षेत्र आयाम की आवश्यकता होती है। एक बार ट्रिगर होने के बाद, आकार अस्थिरता कुछ ध्वनिक चक्रों के बाद विकसित होती है, और मोड आयाम की पठार संतृप्ति को प्रदर्शित करती है। आयाम संतृप्ति दोनों मुक्त बुलबुले24,29 और लेपित बुलबुले 27 के लिए देखी गई थी। यह मुक्त या लेपित बुलबुले के लिए स्थिर-राज्य आकार दोलनों तक पहुंचने की संभावना को इंगित करता है, जिसमें आकार दोलन रेडियल मोड आयाम 27,37 के25 से 50% तक बड़े होते हैं। हमारे प्रयोगात्मक दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, हम विन्यास में चरम आकार विरूपण तक पहुंचते हैं,Equation 2 (जहां एन आकार मोड आयाम है), जैसा कि चित्र 13 में दिखाया गया है।

संक्षेप में, प्रस्तावित प्रयोगात्मक सेटअप माइक्रोबबल के गैर-गोलाकार दोलनों की मुख्य विशेषताओं को स्केल करने की अनुमति देता है, यहां तक कि परिमाण के लगभग एक क्रम के साथ अलग-अलग आकार के लिए भी। माइक्रोस्ट्रीमिंग प्रवाह के संबंध में, प्रवाह वेग की स्केलिंग पार्श्व और रेडियल दोलन7, या एक गैर-गोलाकार मोड दोनों को प्रदर्शित करने वाले बुलबुले के लिए जांच कर सकती है जो स्वयं-अंतःक्रियात्मक32 है। दोनों मामलों में स्ट्रीमिंग वेग ों का पैमाना v ~ ×R0 a i a j के रूप में होता है, जहां i, j बुलबुला त्रिज्या द्वारा सामान्यीकृत माने गए मोड आयामों को दर्शाता है। गैर-गोलाकार विस्तार पैरामीटर एआई के समान मानों के लिए, समान स्ट्रीमिंग वेग तब प्राप्त होते हैं जब 0 ~ स्थिर होता है। चिकित्सीय शेल्ड माइक्रोबबल27 के लिए उपयोग की जाने वाली हमारी प्रयोगात्मक स्थितियों की तुलना करते हुए, स्ट्रीमिंग वेगों की सैद्धांतिक भविष्यवाणियां केवल एक कारक 2.5 से भिन्न होती हैं। कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री द्वारा स्ट्रीमिंग वेलोसिमेट्री के माप ने यहां प्रस्तुत सेटअप में 1 मिमी / सेकंड के वेग परिमाण का अनुमान लगाया। यह मान अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट एजेंटों19 द्वारा प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग की जांच करते समय प्राप्त एक के समान है। स्ट्रीमिंग पैटर्न के स्थानिक संगठन के बारे में, बुलबुला इंटरफ़ेस के चारों ओर प्रवाह भंवरों का कोणीय वितरण बुलबुला त्रिज्या31 से स्वतंत्र है। बबल आकार संशोधन से स्ट्रीमिंग फ़ील्ड का केवल रेडियल विस्तार प्रभावित होता है। यह रेडियल विस्तार स्केल के रूप Equation 3में, जहां जांच किए गए मोड नंबर से जुड़ा एक गुणांक है। यह स्पष्ट है कि स्ट्रीमिंग पैटर्न का समग्र आकार संरक्षित है, क्योंकि रेडियल विस्तार बुलबुला त्रिज्या आर0 द्वारा शासित है। हालांकि, जैसा कि चित्र 13 में दिखाया गया है, एक ही आकार मोड संख्या पर विचार करते समय भी स्ट्रीमिंग पैटर्न काफी भिन्न हो सकता है। चित्रा 13 स्ट्रीमिंग पैटर्न पर बुलबुला इंटरफ़ेस गतिशीलता के विशाल प्रभाव पर प्रकाश डालता है, और विशेष रूप से वेग क्षेत्र में परिवर्तन की स्थानिक दर पर। कतरनी तनाव, या कतरनी तनाव ढाल के स्थानिक वितरण को सोनोपोरेशन दक्षताके उपयुक्त संकेतक के रूप में इंगित किया गया है। हमारे प्रस्तावित प्रयोगात्मक सेटअप में, इस स्तर पर थोक तरल पदार्थ में केवल कतरनी तनाव का आकलन किया जा सकता है। दीवार कतरनी तनाव के आगे विस्तार के लिए बुलबुले के करीब पास की सतह को जोड़ने की आवश्यकता होगी। यह अनुमान लगाया जा सकता है कि बुलबुले के आसपास के क्षेत्र में एक सतह स्थानीय रूप से खड़े तरंग क्षेत्र को संशोधित करके बुलबुला स्थितिगत स्थिरता को परेशान करेगी। एक दीवार से करीब दूरी पर बुलबुला स्थिरता सुनिश्चित करना अभी भी एक चुनौती है जिसे आंशिक रूप से बुलबुला-दीवार दूरी के समान तरंग दैर्ध्य के साथ बबल ट्रैपिंग के लिए समर्पित एक माध्यमिक अल्ट्रासाउंड क्षेत्र जोड़कर हल किया जा सकता है। इस तरह के एक दोहरे आवृत्ति ध्वनिक लेविटेशन कक्ष को पहले से ही बुलबुला जोड़ी गतिशीलता और इंटरैक्शन बलोंकी जांच के लिए डिज़ाइन किया गया था। दुर्भाग्य से, यहां जांच किए गए बुलबुले और जैविक कोशिकाओं (विशिष्ट त्रिज्या ~ 10μm) के बीच बड़े आकार का अंतर जैविक जांच के लिए इस प्रयोगात्मक सेटअप का प्रत्यक्ष उपयोग असंभव बनाता है। हालांकि, हम उम्मीद करते हैं कि बुलबुला-प्रेरित माइक्रोस्ट्रीमिंग पर सबसे हालिया सैद्धांतिक विकास के साथ संयोजन में हमारे प्रयोगात्मक परिणाम इस तरह के मॉडलिंग को बेहतर बनाने में मदद करेंगे, साथ ही एक कोशिका झिल्ली के आसपास के क्षेत्र में बुलबुले-प्रेरित कतरनी तनाव या कतरनी तनाव ग्रेडिएंट की सैद्धांतिक भविष्यवाणी में विश्वास प्रदान करेंगे।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

यह काम ल्योन विश्वविद्यालय (ANR-10-LABX-0060 / ANR-11-IDEX-0007) के LabEx CeLyA द्वारा समर्थित था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aspherical lens Thorlabs AL4050 Lens of focus 40 mm
Continuous wave laser source CNI MLL6FN DPSS laser of wavelength 532nm, energy 400 mW
Cylindrical plano-concave lens Thorlabs LJ1277L1-A lens of focus -25?4mm
Cylindrical plano-concave lens Thorlabs LK1900L1 lens of focus 250 mm
Fluorescent particles Duke Scientific R700 Red polymer fluorescent microspheres
Function generator Agilent HP33120 Generator of function feeding the ultrasound transducer
High-speed camera Vision Research Phantom v12.0 High-speed recording up to 1 Mfps
Liquid medium Carlo Erba Water for analysis Demineralized, undegassed water
Multiphysics software Comsol None Softwate for simulating the acoustic field of the levitation chamber
Nd:Yag pulsed laser New Wave Research Solo III-15 5 ns pulse duration, λ=532 nm, 3.5 mm beam diameter, up to 50 mJ
Plano-concave lens Thorlabs N-BK7 lens of focus 125 mm
Spherical concave lens Thorlabs N-SF11 Bi-concave lens of focus -25mm
Ultrasound transducer SinapTec Custom-made Nominal frequency 31kHz, active area 35mm diameter
Visualization software NIH ImageJ Software for image processing and analysis in Java
XY Linear stage Newport M-406 Displacement stage with micrometric screw
Z-axis linear stage Edmund Optics 62-299 Vertical displacement stage with micrometric screw

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References

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