Yöntem makalesi

Erişilebilir Bir Mikroakışkan Kurulum Yoluyla Elektrolit Çözeltilerinin Dağılım Katsayısını Ölçmek için Taylor Dispersiyonunun Uyarlanması

DOI:

10.3791/69040

⸱

7 Ekim 2025

 ,  , 
1Worcester Polytechnic Institute, 2University of California Los Angeles

Bu makalede

Özet

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

Burada, Taylor dispersiyon deneyini, bir masaüstü zanaat kesici ile şirket içinde üretilen mikrokanalları kullanarak mikro ölçeğe uyarlamak için bir protokol sunuyoruz. Deneysel platform, tek tür pasif izleyicilerin difüzyon katsayısını hesaplamak ve çok türlü iyon etkileşimini ve ayrılmasını görselleştirmek için kullanılabilir.

Özet

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

Mikroakışkanlar alanı, sıvıların ve parçacıkların hızlı ve hassas kontrolüne olanak tanıdığı, bileşiklerin sentezlenmesini ve karışımların ayrılmasını kolaylaştırdığı için giderek daha fazla öne çıkıyor. Taylor Dispersion deneyinin erişilebilir, tekrarlanabilir mikro ölçekli bir uyarlamasını, bir masaüstü zanaat kesici ile şirket içinde üretilen mikrokanalları kullanarak mükemmelleştirdik. Bu hızlı ve erişilebilir mikroakışkan ksorografi tekniğinin başlangıç maliyeti, tipik fotolitografi yöntemlerinden çok daha düşük olan yaklaşık 300 USD'dir. Programlanabilir bir şırınga pompasından gelen basınçla çalışan laminer akış, enjekte edilen bir izleyici solüsyonunu mikro kanalda aşağı yönde taşır, burada makro lensli bir dijital tek lensli refleks (D-SLR) kamera, izleyici konsantrasyonunun zaman içindeki gelişimini sabit bir konumda yakalar. Bu deneysel platformu kullanarak, değişen deneysel koşullar altında tek tür pasif izleyiciler için difüzyon katsayılarını hesaplayabiliriz. Daha sonra protokolü elektrolit karışımlarını da kapsayacak şekilde genişlettik ve önemsiz olmayan iyon-iyon eşleşme etkilerinden kaynaklanan yayılma değişikliklerinin ön kanıtlarını gözlemledik. Bu erişilebilir deneysel yöntem, çoklu tür taşınmasını araştırmak için pratik bir araç sağlar ve iyonik hareketliliği yöneten karmaşık etkileşimlere ilişkin bilgiler sunar.

Giriş

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

Son yıllarda önemli araştırma çabaları, akış, parçacıklar ve çözünen maddelerin taşınması üzerinde hassas kontrol sağlayan uygun maliyetli mikroakışkan cihazların araştırılmasına ve geliştirilmesine odaklanmıştır. Çok türlü elektrolit çözeltileri, enerji depolama ve biyomedikal teşhisten çevresel izleme ve su arıtmaya kadar çok çeşitli uygulamalarda kritik bir rol oynamaktadır. Farklı iyon türlerinin bu sistemlerde nasıl yayıldığını ve etkileşime girdiğini anlamak, elektrokimyasal ve taşımaya dayalı süreçlerde performansı ve kararlılığı optimize etmek için çok önemlidir.

Bir elektrolit çözeltisi farklı difüzyon katsayılarına sahip iyonlar içerdiğinde, bunların eşit olmayan göçü, harici olarak uygulanan bir voltajın yokluğunda bile dahili bir elektrik alanını indükler. Daha hızlı yayılan iyonlar, daha yavaş olanlardan ayrılma eğilimindedir ve anlık olarak bir yük dengesizliği yaratır. Elektronötraliteyi korumak için sistem, difüzyon kaynaklı bir elektrik potansiyeli üretir. Bu alan daha hızlı iyonları yavaşlatır ve daha yavaş olanları hızlandırır. Ortaya çıkan elektrik potansiyeli, bağıl iyon hareketliliklerine ve konsantrasyon gradyanlarına bağlıdır ve elektronötralite kısıtlamaları altında Nernst-Planck denklemleri tarafından iyi tanımlanır. Henderson ve Nernst denklemleri gibi klasik elektrokimyasal modeller, bu fenomeni iyon taşıma sayıları ve konsantrasyon farklılıkları1 ile ilişkilendirerek ölçer.

Taylor dispersiyon analizi, bir çözünen maddenin düz bir kanal 2,3 boyunca basınçla çalışan laminer bir akışta nasıl yayıldığını gözlemleyerek moleküler yayılımı ölçmek için uzun zamandır güçlü bir teknik olmuştur. Adveksiyon ve difüzyon arasındaki etkileşimi hesaba katar ve moleküler difüzyon katsayılarının etkili dağılım oranlarından doğru şekilde çıkarılmasını sağlar. Bu yöntem özellikle çekicidir çünkü hassasiyeti, minimum numune gereksinimlerini ve hızlı veri toplamayı birleştirir. Geleneksel olarak tek tür izleyiciler için kullanılan son teorik uzantılar, artık çok türlü sistemlere uygulanmasını sağlayarak, araştırmacıların teorik olarak birleştirilmiş taşıma davranışına4 dayalı olarak bireysel iyon yayılımlarını çıkarmasına olanak tanır.

Bununla birlikte, genellikle temiz odaya bağlı fotolitografiye dayanan geleneksel mikroakışkan kurulumların yüksek maliyeti ve teknik karmaşıklığı, bu yöntemin daha geniş çapta benimsenmesinin önünde önemli engeller oluşturmaktadır. Bu çalışmada, bir masaüstü zanaat kesici ile xurography yoluyla üretilen mikrokanalları kullanan Taylor dispersiyon tekniğinin düşük maliyetli, erişilebilir ve tekrarlanabilir bir uyarlamasını sunuyoruz. Başlangıç maliyeti yaklaşık 300 ABD Doları olan bu yaklaşım, maliyetli özel tesislere ihtiyaç duymadan hızlı prototip oluşturmaya ve tutarlı kanal üretimine olanak tanır5. Bir D-SLR kamera ve makro lens aracılığıyla parlak alan görüntülemeyi kullanan protokol, enjeksiyon bölgesinden6 aşağı akışta sabit bir yakalama noktasında izleyici konsantrasyon evriminin bir zaman serisini oluşturur. Bu platformun, tek tür pasif izleyiciler için difüzyon katsayılarını doğru bir şekilde ölçebildiğini ve yöntemi çok türlü elektrolit sistemlerini analiz edecek şekilde genişletebildiğini gösteriyoruz. Sonuçlar, iyon-iyon eşleşme etkilerinden kaynaklanan yayılma varyasyonlarının açık imzalarını ortaya koymaktadır. Bu erişilebilir ve uygun maliyetli yöntem, karmaşık elektrolit karışımlarındaki iyonik taşıma olaylarını araştırmak için pratik bir araç sunar. Örneğin, önerilen deney düzeneği, çok türlü çözünen maddelerin7 karıştırma verimliliğini değerlendirmek veya bilgisayar kontrollü bir boru şeklindeki akış reaktörü8 aracılığıyla istenen polimer moleküler ağırlık dağılımlarını tasarlamak için bir mikrokarıştırıcı olarak kullanılmak üzere kolayca uyarlanabilir.

Protokol

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

1. Malzemelerin hazırlanması

NOT: Bu raporda, mikroakışkan çipler, mikrokanal tasarımlarının w = 2.54 cm genişliğinde ve h = 100 μm kalınlığında tek bir poliimid bant tabakasında kesilmesiyle oluşturulur ve daha sonra iki polyester levha arasında kapatılır. Mikrokanalın en boy oranı (λ = h/w) poliimidin kalınlığına bağlıdır; Kanalın genişliği (W), bu protokolde değiştirilebilen tek kesit özelliğidir.

  1. Poliimid bandı 21 cm uzunluğunda bir şerit halinde kesin.
  2. 21 cm uzunluğunda ve 5 cm genişliğinde iki polyester dikdörtgen kesin.
    NOT: Her 18,77 cm uzunluğundaki mikrokanalı imal etmek için bir poliimid şerit ve iki polyester dikdörtgen gereklidir. Polyester dikdörtgenlerden biri, giriş ve çıkış delikleri oluşturmak için masaüstü zanaat kesici kullanılarak kesilirken, diğeri değiştirilmeden kullanılır.
  3. Conta oluşturmak için 21 cm uzunluğunda ikinci bir poliimid bant şeridi kesin ve bir kenara koyun. Bu uzunluk 32 conta üretir; Her mikro kanal için bir conta gereklidir.
  4. Bir reçine yazıcıda üç boyutlu (3D) yazdırarak mikro kanal bağlantı noktasını elde edin.
    1. Mikro kanal başına bir bağlantı noktası yazdırın. Bağlantı noktası için bir .sdlprt dosyası Ek Dosya 1'e eklenir. Su geçirmez bir conta için bağlantı noktasına vidalanacak Luer lock şırınga uçlarının dişlerini tasarlayın.
    2. Ek destek olmadan doğrudan yapı platformuna katı (dolgu yok) 3D baskı yapın. Katman kalınlığını 0,10 mm olarak ayarlayın.
    3. Baskı sonrası 60 °C'de 15 dakika boyunca bir UV odasında kürleyin.

2. Deney düzeneğinin montajı

  1. Mikroakışkan çip üst tabakasının imalatı.
    1. Craft kesici tasarım yazılımını başlatın.
    2. Kraft kesici tasarım yazılımını kullanarak veya diğer uyumlu yazılımlardan bir tasarım içe aktararak mikrokanal üst kısmını tasarlayın.
    3. Birbirinden 18,77 cm mesafede 0,27 cm çapında iki daire çizin: bunlar akış girişi ve çıkışıdır. Giriş deliğinden 2,71 cm mesafede, 0,15 cm çapında daha küçük bir izleyici giriş deliği çizin.
      NOT: A . DXF şablon dosyası (Ek Dosya 2) referans olarak dahil edilmiştir.
    4. Adım 1.2'deki iki polyester dikdörtgenden birini kesme matının yapışkan tarafına takın. 2,54 cm genişliğinde maskeleme bandı kullanarak çevrenin dört tarafı boyunca bantlayın.
      NOT: Polyester levhalar her iki tarafta da aynı olduğundan, her iki taraf da "yukarı" olacak şekilde kullanılabilirler. Kesim sırasında polyesterin herhangi bir hareketini önlemek için maskeleme bandı gereklidir. Adım 1.2'de kesilen diğer polyester dikdörtgen olduğu gibi kullanılır.
    5. Kraft kesicinin evrensel seri veri yolu (USB) kablosu veya Bluetooth aracılığıyla tasarım yazılımıyla bilgisayara bağlı olduğundan emin olun.
    6. Matın işaretli kenarlarını kesici üzerindeki ok işaretleriyle hizalayarak kesme matını kraft kesiciye yükleyin. Bıçağı zanaat kesicinin taşıyıcı yuvasına yerleştirin.
      NOT: Mikrokanal imalatındaki olası hatalar, öncelikle bıçak aşınması veya yanlış hizalamanın bir sonucudur. Bıçak aşınması, kanalların duvarlarının kaba ve düzensiz kesilmesine neden olabilir. Bu sorunu çözmek için, bıçağın keskinliğinin hızlı bozulmasını azaltmak amacıyla her tür malzemeyi kesmek için farklı bir bıçak kullanılır. Bu prensibe göre, bu protokolde biri polyester, diğeri poliimid bant için olmak üzere iki bıçağa ihtiyaç vardır. Kanalları üretirken kanalın duvarları gözle görülür şekilde pürüzlü hale gelirse veya negatifin çıkarılması zorlaşırsa, bıçağın değiştirilmesi gerekebilir. Bıçağın yanlış hizalanması, bıçağın malzemeye doğru açıyla nüfuz edememesine neden olarak kanalların daha geniş veya daha dar olmasına neden olabilir. Bu sorun, daha küçük genişlikteki kanallarda daha yaygındır, ancak kanal duvarlarının ayrı paralel çizgiler yerine sürekli kesilmiş bir dikdörtgenin uzun kenarları olacak şekilde tasarlanmasıyla azaltılabilir.
    7. Bilgisayar monitöründeki tasarım sayfasının sağ üst köşesinde, malzemeleri ve kesim ayarlarını gözden geçirmeye devam etmek için gönder'e tıklayın.
    8. Polyester levha kesim ayarlarını girin. Bu kurulumda önerilen ayarlar şunlardır: Bıçak Derinliği: 9, Kuvvet: 33, Paslar: 1 ve Hız: 1.
      NOT: Zanaat kesici ayar önerileri, Taylor ve Harris 2019'in5 çalışmasına dayanmaktadır.
    9. İşi zanaat kesiciye göndermek için gönder'e tıklayın. Kesici, yaklaşık 15 saniye süren kesme işlemine başlar.
    10. Bıçağın başlangıç konumuna dönmesini bekleyin. Ardından, çıkarma düğmesine basarak kesme matını çıkarın.
    11. Negatif polyester malzemeyi cımbız kullanarak çıkarın. Kesilmiş polyester levha üç delik içerir: Şekil 1A'da gösterildiği gibi, 18,77 cm aralıklı akış giriş ve çıkış delikleri ve ilk ikisi arasında, giriş deliğinden 2,71 cm uzakta daha küçük bir izleyici giriş deliği.
    12. Kesme matındaki tüm malzemeyi çıkarın ve talaş üstünü bir kenara koyun.
      NOT: Polyesteri keserken, bıçak kesilen tarafta tabakadan hafifçe çıkıntı yapan pürüzlü bir kenar bırakır. Mikroakışkan çipi monte ederken, mikrokanaldan geçen akışa müdahale etmesini önlemek için bu kenarı yukarı bakacak şekilde (poliimidden uzağa) çevirin.
  2. Kesme contası
    1. Craft cutter tasarım yazılımını kullanarak veya diğer uyumlu yazılımlardan bir tasarım içe aktararak halka şeklindeki poliimid contalar tasarlayın.
    2. Sırasıyla 0,52 cm ve 0,24 cm çapında iki eşmerkezli daire çizin.
      NOT: A . 32 contalı DXF şablon dosyası Ek Dosya 3 olarak dahil edilmiştir. Mikrokanala takarken her port için bir conta gereklidir.
    3. Adım 1.3'teki poliimid bandı, her ikisi de yapışkan tarafı yukarı bakacak şekilde kesme matına yapıştırın. 2,54 cm genişliğinde maskeleme bandı kullanarak, çevrenin dört tarafı boyunca bantlayın.
    4. Matın işaretli kenarlarını kesici üzerindeki ok işaretleriyle hizalayarak kesme matını kraft kesiciye yükleyin.
    5. Polyester levhalar için kullanılan bıçağı, yalnızca poliimid bandı kesmek için kullanılacak yeni bir bıçakla değiştirin.
    6. Bilgisayar monitöründeki tasarım sayfasının sağ üst köşesinde, malzemeleri ve kesim ayarlarını gözden geçirmeye devam etmek için gönder'e tıklayın.
    7. Poliimid bant kesme ayarlarını girin. Bu kurulumda önerilen ayarlar şunlardır: Bıçak Derinliği: 9, Kuvvet: 1, Paslar: 1 ve Hız: 1.
      NOT: Zanaat kesici ayar önerileri, Taylor ve Harris 2019'in5 çalışmasına dayanmaktadır.
    8. İşi zanaat kesiciye göndermek için gönder'e tıklayın. Kesici, yaklaşık 40 saniye süren kesme işlemine başlar.
    9. Bıçağın başlangıç konumuna dönmesini bekleyin. Ardından, çıkarma düğmesine basarak kesme matını çıkarın.
  3. Üst levhanın, contanın ve bağlantı noktasının montajı
    1. Adım 2.1'de kesilen polyester levhayı, çıkıntıları yukarı bakacak şekilde düz bir yüzeye yerleştirin.
    2. Adım 2.2'de kesilen poliimid banttan bir contayı cımbızla çıkarın ve 3D baskılı bir bağlantı noktasının düz alt tarafına yerleştirin. Bağlantı noktası ve conta deliklerini hizalayın; Buna yardımcı olmak için, bağlantı noktasından bir şırınga ucu sokun ve kılavuz olarak kullanın.
    3. Bağlantı noktasını ve akış giriş deliğini hizalayarak, contalı bağlantı noktasını düz bir şekilde polyester levhaya takın. Yine, bağlantı noktasını tabaka giriş deliğine ortalamak için şırınga ucunu kullanın. Çift taraflı poliimid contayı polyester çip üstüne yapıştırmaya yardımcı olmak için 30 saniye yerinde tutun.
      NOT: Bağlantı noktası ve üst sayfa bu noktada sıkıca bağlanmalı ve yalnızca bağlantı noktasını kaldırarak bağlantı noktasını ve üst sayfayı birlikte kaldırabilmelidir.
    4. Kalıcı bir su geçirmez conta oluşturmak için portun çevresine aşağı doğru bastırırken az miktarda süper yapıştırıcı uygulayın.
    5. 2-3 saat kenarda bırakın veya süper yapıştırıcı aktivatör spreyi kullanın ve su geçirmez bir sızdırmazlık sağlamak için 10 dakika bekleyin.
      NOT: Süper yapıştırıcıyı kullanırken eldiven kullanın ve çeker ocakta çalışın.
  4. Poliimid mikrokanal gövdesinin imalatı
    1. Craft cutter tasarım yazılımını kullanarak veya diğer uyumlu yazılımlardan bir tasarım alarak bir mikro kanallı gövde tasarlayın.
    2. Birbirinden 18,6 cm mesafede 0,36 cm çapında iki daire çizin: bunlar 2.1.3'te tasarlanan talaş tepesinin akış giriş ve çıkış deliklerine karşılık gelir.
    3. Bu iki delik arasına istenilen genişlikte ve 18,77 cm uzunluğunda bir dikdörtgen yerleştirin. Negatifi çıkarırken kazara yırtılma riskini azaltmak için dikdörtgenin 0,05 cm'sinin giriş ve çıkış delikleriyle örtüştüğünden emin olun.
    4. Her iki tarafta akış giriş deliğinden 17,71 cm ve kanaldan 0,2 cm uzağa yerleştirilmiş tek bir dik 0,2 cm çizgi çizin.
      NOT: A . DXF şablon dosyası Ek Dosya 4 olarak dahil edilmiştir. Bu tasarım, Şekil 1B'de gösterildiği gibi 18,77 cm uzunluğunda ve 400 μm genişliğinde bir mikro kanal içindir.
    5. Adım 1.1'de kesilen poliimid bandı, her ikisi de yapışkan tarafı yukarı gelecek şekilde kesme matına yapıştırın. 2,54 cm genişliğinde maskeleme bandı kullanarak, çevrenin dört tarafı boyunca bantlayın.
    6. Matın işaretli kenarlarını kesici üzerindeki ok işaretleriyle hizalayarak kesme matını kraft kesiciye yükleyin. Adım 2.2'de contaları kesmek için kullanılan bıçağı aynı tutun.
    7. Bilgisayar monitöründeki tasarım sayfasının sağ üst köşesinde, malzemeleri ve kesim ayarlarını gözden geçirmeye devam etmek için gönder'e tıklayın. Adım 2.2.7'deki contalar için aynı kesme ayarları girişini kullanın.
    8. İşi zanaat kesiciye göndermek için gönder'e tıklayın. Kesici, yaklaşık 15 saniye süren kesme işlemine başlar.
    9. Bıçağın başlangıç konumuna dönmesini bekleyin. Ardından, zanaat kesici üzerindeki çıkarma düğmesine basarak kesme matını çıkarın. Görünür giriş, çıkış ve yakalama noktası özelliklerine sahip bir mikro kanal artık poliimidin içine kesilmiştir.
      NOT: Çipi, yakalama noktası çıkışa daha yakın olacak şekilde yönlendirin; Sağlanan tasarımda çıkıştan 1.107 cm uzakta olacak şekilde izleyici giriş deliği ile yakalama noktası arasındaki mesafe 15 cm olacaktır.
    10. Negatif poliimid malzemeyi cımbız kullanarak kanaldan çıkarın. Mikrokanalın genişliğine ve özelliklerine bağlı olarak, bu, yüksek hassasiyetli cımbızlar için daha uygun olan çok hassas bir prosedürdür.
    11. Kesme matındaki tüm malzemeyi çıkarın ve mikro kanalı bir kenara koyun; yapışkan tarafa dokunulmadığından emin olun.
  5. Mikroakışkan çipin montajı
    1. Poliimid bandı yapışkan tarafı yukarı bakacak şekilde düz bir yüzeye yerleştirin.
    2. Adım 1.2'deki boyuttaki alt polyester dikdörtgeni (deliksiz) açıkta kalan poliimid bandın üzerine yerleştirin. Poliimid şeridi polyesterin genişliği içinde ortalayın.
    3. Daha büyük kabarcıkları gidermek için bir rulo ile aşağı doğru basınç uygulayın ve poliamidde kalıntı veya kıvrım olup olmadığını kontrol edin.
    4. Poliimid bandı çevirin ve koruyucu kapağını alt taraftan çıkarın.
    5. 3D baskılı bağlantı noktasına monte edilen üst polyester levhayı poliimid bandın giriş ve çıkışına hizalayın ve polyester levhayı poliamidin üzerine yerleştirin.
    6. Daha büyük kabarcıkları gidermek için bir rulo ile aşağı doğru basınç uygulayın ve poliimid bantta kalıntı veya kıvrım olup olmadığını kontrol edin.
      NOT: Kanaldaki veya duvarlardaki önemli kalıntılar, yanlış hizalanmış giriş ve çıkış delikleri ile birlikte laminer akışı etkileyerek deneyi tehlikeye atar. Bu, Şekil 1C'de gösterildiği gibi bir mikroakışkan çipin üretimini tamamlar.
  6. Deney alanının montajı
    1. Şırınga pompası kurulumu
      1. 0,5 mL'lik bir cam şırıngayı deiyonize (DI) suyla doldurun. Şırıngayı programlanabilir şırınga pompasına monte edin ve şırınga ucundan su gelmeye başlayana kadar ileri sarma düğmesine basın.
      2. 50 cm uzunluğunda bir politetrafloroetilen (PTFE) boru parçasını (0,3048 mm ID, 0,762 mm OD) kesin ve 1,27 cm uzunluğunda ve 0,4064 mm OD uzunluğunda 27 G'lik bir şırınga ucuna bağlayın. Hortumu şırınga ucunun üzerine geçirmek için cımbız kullanın ve aşağı çekin.
        NOT: PTFE tüpünde daha geniş bir açıklık alanı sağlamak için yaklaşık 1 mm'lik küçük bir kesim yapın ve şırınga ucunu Şekil 2'de gösterildiği gibi içine yönlendirin.
      3. Boruya bağlı şırınga ucunu, açıklıkta dışbükey bir menisküs oluşacak şekilde DI su ile doldurun.
      4. Ucu, şırıngada veya şırınga ucunda hava kabarcığı oluşmadığından emin olarak pompaya monte edilmiş cam şırıngaya takın.
      5. Şırınga pompasını yalnızca infüze olacak şekilde ayarlayın. Şırınga tipini ve boyutunu 0,5 mL olarak girin.
    2. Işık paneli kurulumu
      1. Işık panelini prize takın ve laboratuvar tezgahının kenarına yakın bir yere yerleştirin. Bu, mikrokanalın bantlanacağı yüzeydir ve deneysel çalışma gerçekleşecektir.
      2. Işık panelini en yüksek parlaklık moduna getirin. Deneylerin yapıldığı alanda tutarlı aydınlatmanın sağlanması hayati önem taşıyor çünkü her değişiklik kameranın görüntü yakalamasını etkiliyor.
      3. Adım 2.5'te monte edilen mikroakışkan çipi 2.54 cm genişliğinde maskeleme bandı kullanarak ışık paneline bantlayın.
        NOT: Adım 2.6.3'te açıklanan kamera kurulumuyla fotoğraflanabilmesi için kanalı laboratuvar tezgahının kenarına yeterince yakın bantlayın. Bu deney düzeneğinde böyle bir mesafe 1 cm'dir.
    3. Kamera kurulumu
      1. Güvenli dijital (SD) kartı D-SLR fotoğraf makinesine takın ve fotoğraf makinesine güç sağlamak için takılabilir bir pil kullanın. Fotoğraf makinesine 20 mm f/2 makro lens takın. Kamerayı bir uzaktan tetikleyiciye bağlayın.
      2. Tripodu kurun ve kamerayı makro lens aşağı bakacak şekilde deneyin üzerine monte edin. Makro merceğin ilgilenilen kanal bölgesine paralel olduğundan emin olmak için bir seviye kullanın.
      3. Kamera görünümünü poliimid bantta kesilen yakalama noktasına ortalayın. Kamera, hem yakalama noktası kesimini hem de geniş kanal görünümünü yakalayabilmesi için ışık panelinin en az 1 cm üzerinde olmalıdır. Görüntüler, izleyici giriş konumunun aşağısında sabit bir konumda yakalanacaktır.
      4. Fotoğraf makinesini açın ve 1/100 s deklanşör hızı ve ISO 800 ile manuel moda ayarlayın. Görüntü kalitesini JPEG İyi ve Görüntü Boyutu'nu Büyük olarak ayarlayın. Beyaz dengesi ayarını Floresan 2 olarak ayarlayın. Görüntü alanı seçeneklerini açın ve görüntü alanını DX (24x16) olarak ayarlayın. Makro lens, ×4 büyütme ile F2,6'ya ayarlanmıştır.
      5. Her 1 saniyede bir fotoğraf çekmek için uzaktan tetiği kullanarak kamerayı programlayın.
        NOT: Bildirilen kamera ayarları çevresel koşullara bağlıdır ve ortam aydınlatmasına, kameraya, lense vb. göre değişecektir.
  7. İzleyici hazırlama
    1. İzleyici çözeltiyi hazırlamak için 0,60 g floresein sodyum tuzu tozunu ölçün. İstenilen boya konsantrasyonunu (0,6 g/L konsantrasyon) elde etmek için tozu 1 L damıtılmış suyla seyreltin.
      NOT: Kullanılan boya ve konsantrasyonu ihtiyaca göre değiştirilebilir. Bununla birlikte, izleyicinin yoğunluğu ve konsantrasyonu arasında doğrusal bir ilişki olduğu doğrulanmalıdır. Burada bu, bilinen konsantrasyonlar ve kanal yükseklikleri değişen deneysel koşullar kullanılarak örneklerin görüntülenmesiyle gerçekleştirildi. 0.6 g/L floresein sodyum tuzu konsantrasyonu, tam kırmızı, yeşil ve mavi (RGB) görüntüden mavi kanal yoğunluk değerleri çizilirken doğrusal bir ilişki üreten aralık içinde olacak şekilde seçilmiştir. Tüm deney düzeneğinin bir fotoğrafı Şekil 3'te gösterilmektedir. Şekil 4 , deney düzeneğinin üstten görünüş ( Şekil 4A) ve yandan görünüş ( Şekil 4B) diyagramlarını göstermektedir.

3. Deneysel çalışma

  1. Kurulum
    1. Dışarı akışı önlemek için izleyici giriş deliğinin üstüne bir kat bant uygulayın ve çıkarma kolaylığı için bir tarafın katlandığından emin olun.
    2. Mikrokanalı çok yavaş bir akış hızında DI suyla doldurmak için programlanabilir şırınga pompasını çalıştırın.
      NOT: h x w x l = 100 μm x 400 μm x 18.77 cm boyutlarında bir mikro kanal için hacimsel akış hızı 2.4 μL/dak kullanın (akış hızı 0.1 cm/s'ye karşılık gelir).
    3. Yaklaşık 5 dakika sonra su basması tamamlandığında, hava kabarcığı oluşmadığından emin olun.
      NOT: Hava kabarcıkları oluşursa ve sadece taşma süresini uzatarak giderilemezse, deiyonize suyu çıkarın ve mikro kanalı az miktarda etanol veya düşük kohezyon ve düşük yüzey gerilimine sahip başka bir sıvı ile yıkayın. Ardından, kanalı tekrar deiyonize suyla hızla doldurun ve etanol kalmaması için önce iyice yıkadığınızdan emin olun.
    4. Şırınga pompasını kapatın.
  2. Başlangıç koşulu
    1. Adım 2.7'de karıştırılmış izleyici ile 0,5 μL'lik bir mikropipet ucunu doldurun.
    2. Katlanmış tırnağı kullanarak izleyici giriş deliğinden bant kaplamasını soyun. Düşük tiftikli bir mendilin köşesini kullanarak, izleyici giriş deliğinden DI suyunu hafifçe çıkarın ve DI su cephelerinin stabilize olmasını sağlamak için 30 saniye bekleyin.
    3. Süre geçtikten sonra mikropipet içeriğini giriş deliğine boşaltın. Akışkan bir hareketle minimum basınç kullanarak bandı düzleştirerek deliği hemen yeniden kapatın.
      NOT: Bu adım, izleyici başlangıç koşulunu oluşturur. Deneysel çalıştırma başlatılmadan önce, izleyicinin mikro kanalın enine kesiti boyunca yayılması gerekecektir.
    4. İzleyici bolusun mikrokanalın enine kesiti boyunca yayılması için tw > twd bir süre bekleyin.
      NOT: Kanal genişliği boyunca difüzyon süresini twd = (w/2)2/κ olarak hesaplayın, burada κ izleyicinin moleküler difüzyon katsayısıdır (cm2/s) ve w/2 mikrokanalın genişliğinin yarısıdır. İzleyicinin kanalın ortasına enjekte edildiğini varsayarsak, bu bekleme süresi boyunca bir duvara ulaşmak için gitmesi gereken en uzak mesafe, genişliğinin yarısı kadardır. Bekleme süresini hesaplamanın bu yolu, tw, uygun bir karakteristik uzunluk seçimi ile herhangi bir kesite genelleştirilebilir. Burada bildirilen temsili sonuçlarda, bekleme süresiw = 400 μm ve h = 100 μm için yaklaşık t w = 14 s'dir.
  3. Akmak
    1. Şırınga pompasının istenen hacimsel akış hızına ayarlandığından emin olun.
    2. Aynı anda şırınga pompasını çalıştırın ve uzaktan tetiği etkinleştirin. Deneyi 5 dakika boyunca çalıştırın ve saniyede 1 kare hızında fotoğraf çekin.
      NOT: 2,4 μL/dak hacimsel akış hızı, w = 400 μm ve yüksekliği h = 100 μm olan bir mikrokanalda 0,1 cm/s'lik bir akış hızına karşılık gelir (en boy oranı: λ = 1/4).

4. Veri işleme

  1. Hafıza kartını fotoğraf makinesinden çıkarın ve görüntüleri analiz için kullanılacak görüntü işleme yazılımının bulunduğu bir bilgisayara indirin.
  2. Deneysel veri işleme
    NOT: Veri işleme için kullanılan kod dosyaları Ek Dosya 5'te yer almaktadır.
    1. Sağlanan veri işleme dosyalarını başlatın. D-SLR fotoğraf makinesi ile çekilen bir görüntü ekranda beliriyor. Dikdörtgen bir alanı tıklayıp sürükleyin ve yüksekliğini mikro kanalın duvarları arasındaki mesafeyle hizalayın.
    2. Dikdörtgenin yatay kenarları mikro kanalın duvarlarıyla tam olarak hizalanmamışsa, görüntünün döndürülmesi gerekir. İmleci dikdörtgenin bir köşesinin üzerine getirin, tıklayın ve yatay duvarları mikro kanalın duvarlarına paralel olacak şekilde döndürün. Devam etmek için herhangi bir tuşa basın; fotoğraf açılır penceresi, Şekil 5A'da gösterildiği gibi döndürüldükten sonra kapanır ve yeniden açılır.
    3. Kenar uzunluğu mikro kanalın duvarları arasındaki mesafeyle eşleşen ve yakalama noktasında ortalanmış kare bir alanı tıklayıp sürükleyin. Bu, Şekil 5B'de gösterilen veri toplama için ilgi alanı olacaktır; Dizideki her görüntü aynı bölge kullanılarak kırpılacaktır. Devam etmek için herhangi bir tuşa basın; Resim açılır penceresi kapanacaktır.
    4. Kırpılan bölgenin her pikselinde, mavi kanalı tam RGB görüntüsünden çıkarın (Şekil 5C) ve değerini maksimum renk kanalı değeri olan 255'ten çıkararak ters çevirin (Şekil 5D).
      NOT: Kullanılan aydınlatma kaynağı ile kanal bölgesini poliimid bant sınırından ayırt etmeye çalışırken, floresein boya yoğunluğunu yakalamada en iyisi olduğu için mavi kanalı (tam RGB'den 'B') seçin6.
    5. Kırpılan bölge için ortalama ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluğu değerini hesaplayın.
    6. Her fotoğrafta kırpılan bölge için ortalama ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluk değerini çıkarmak ve saklamak için kalan tüm görüntüler için 4.2.4-4.2.5 adımlarını tekrarlayın. Bu, yakalama noktasındaki ters çevrilmiş mavi kanalın ortalama yoğunluğu için bir zaman serisi ile sonuçlanır.
  3. Ekstrapole edilmiş uyum
    1. Koddaki yerleşik doğrusal olmayan curveFitter araç kutusu, adım 4.2.6'da üretilen ters çevrilmiş mavi kanal zaman serisinin ortalama yoğunluğunu girdi olarak alır ve özel denklemi kullanarak bir uyum üretir:
      figure-protocol-1(1)
      Kod, dört parametre için en uygun olanı hesaplamak için doğrusal olmayan en küçük kareler yaklaşımını kullanır: h3, x1, K ve h4. Burada, h4 mikrokanal DI suyu ile doldurulduğunda ölçülen deneysel temel yoğunluk için bir düzeltmedir. Parametre K, deneysel geliştirilmiş dağılım katsayısıdır.
      NOT: Denklem (1), temsili sonuçlarda denklem (2) olarak rapor edilen 2,5,9 zaman içindeki izleyici konsantrasyon evrimi için Taylor dağılım teorisi tahmininden uyarlanmıştır.

Sonuçlar

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

Mikroakışkan çip üretim adımları Şekil 1'de gösterilmektedir. Şekil 2'ye , programlanabilir şırınga pompası aracılığıyla mikroakışkan çipteki deiyonize suyun (DI) arka plan akışını enjekte etmek için kullanılan şırınga ucuna PTFE boruyu bağlamak için önerilen adımları dahil ediyoruz. Şekil 3 , tüm deney düzeneğinin etiketli bir fotoğrafını içerir. Şekil 4 , göreceli mikroakışkan çip ve kamera konumlandırmasını vurgulayan deney düzeneğinin üstten görünüşünü (Şekil 4A) ve yandan görünüşünü (Şekil 4B) ölçeklendirmeyen diyagramlarını içerir. Şekil 5 , protokolün veri işleme aşamasında deneysel görüntülere uygulanan işlemlerin sırasını bildirmektedir. Şekil 5A'da , kodun mikro kanalı yatay olarak nasıl hizaladığını (gerekirse) gösteriyoruz, ardından Şekil 5B , yakalama noktası etrafında ortalanmış ve mikro kanal genişliği tarafından ayarlanan kenar uzunluğu ile ilgilenilen kare bölgenin kırpılmasını gösterir, w. Şekil 5C , mavi kanalı, kırpılan ilgi alanındaki tam RGB görüntüsünden izole eder, ve son olarak Şekil 5D , kırpılan bölgenin mavi kanalı için 255'ten (her renk kanalı için maksimum yoğunluk) çıkarılarak elde edilen ters çevrilmiş yoğunluk değerini gösterir.

Şekil 6, bir deneysel çalışmadan (kesikli) elde edilen sonuçları, karşılık gelen ekstrapole edilmiş uyum (düz) ile kaplar. Burada, her deneysel veri noktası, Şekil 5'te gösterilen veri işleme adımlarıyla hesaplanan ortalama ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluğu değeridir. İzleyici girişinin aşağısındaki sabit yakalama noktasında, Taylor dağılım teorisi 2,5,9, izleyici konsantrasyonunun zaman içindeki evriminin şu şekilde tanımlandığını tahmin eder:

figure-results-1(2)

burada C(t), izleyicinin ölçülen yoğunluğu ile doğrusal olarak ilişkili olduğu doğrulanan kesitsel olarak ortalama izleyici konsantrasyonudur (g/L); C0 ilk izleyici konsantrasyonudur (g/L), U akış hızıdır (cm/s), t zaman (s) ve x (cm) izleyici enjeksiyon konumuna göre kanaldaki eksenel koordinattır. K, adveksiyon ve moleküler difüzyonun etkileşimi nedeniyle izleyicinin gelişmiş dağılım katsayısıdır (cm2/s). Deneysel parametreleri giriyoruz ve K için en uygun değeri bulmak için kodun doğrusal olmayan eğri uydurma uygulamasını (curveFitter) kullanıyoruz. t = 140 s, 150 s ve 200 s zaman için üç deneysel çerçeve, 18.77 cm uzunluğunda ve λ = 1/4 en-boy oranına sahip bir mikro kanalda U = 0.1 cm/s akış hızında bir deneysel çalışma için üretilen deneysel (kesikli) ve takılı (katı) eğrilerin yanında gösterilir; bu, Pe figure-results-2 88 numaralı Péclet'e karşılık gelir. Burada izleyici, literatürde κ = 5.70 x 10-6cm2/s olarak bildirilen moleküler difüzyon katsayısı10,11 ile DI suyunda seyreltilmiş 0.6 g/L floresein sodyum tuzundan oluşur. Bu yazıda bildirilen tüm deneyler 22 °C'lik bir oda sıcaklığında çalıştırıldı.

Deneysel geliştirilmiş dağılım katsayısı, K, ilgili bir miktarı (dağılım faktörü 2,5,9,12, f) hesaplayarak deney düzeneğimizin ve protokolümüzün geçerliliğini kıyaslamak için kullanılabilir. Bu parametre kanalın geometrisine bağlıdır ve 5,12,13 olarak hesaplanır:

figure-results-3(3)

burada κ izleyicinin moleküler difüzyon katsayısıdır (cm2/s) ve h/2 seçilen karakteristik uzunluktur. Péclet sayısı, advektif ve difüzif etkilerin oranını ölçen boyutsuz bir parametredir, Pe = Uh/(2κ). Şekil 7, üç farklı en-boy oranı ve akış hızına sahip dikdörtgen kesitlere sahip mikrokanallardaki deneysel çalışmalardan elde edilen dağılım faktörü sonuçları ile teorik dağılım faktörü davranışı 5,12,13 arasında iyi bir uyum olduğunu göstermektedir.

figure-results-4
Resim 1: Mikroakışkan çip imalatı. (A) 21 x 5 cm'lik bir çipin üst polyester tabakası için tasarım. Masaüstü zanaat kesici tarafından sırasıyla akış girişi, izleyici girişi ve akış çıkışı olarak hizmet etmek üzere soldan sağa üç delik açılır. (B) İzleyici girişinden 15 cm aşağı akışta yakalama noktasına sahip 18,77 cm'lik bir poliimid mikro kanal için tasarım. (C) Mikroakışkan çip düzeneğinin patlatılmış görünümü, aşağıdan yukarıya: alt polyester katman, poliimid mikrokanal katmanı, poliimid contalı üst polyester katman ve 3D baskılı bağlantı noktası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-5
Şekil 2: PTFE hortumunun bir şırınga ucuna nasıl bağlanacağını gösteren şema. Boru kimliği 0,3048 mm'dir ve 27-G şırınga ucu dış çapı 0,4064 mm'dir, bu nedenle yaklaşık 1 mm'lik (solda) küçük bir kesim yapmak, şırınga ucunu (orta) yönlendirmek için daha geniş bir açıklık alanı sağlamada yardımcı olabilir. Hortumu şırınga ucunun üzerine sokmak için cımbız kullanın ve aşağı çekin (sağda). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-6
Şekil 3: Deney düzeneğinin etiketli fotoğrafı. Soldan sağa: 20 mm f/2 makro lensli bir D-SLR fotoğraf makinesi, ışıklı ışık paneline bantlanmış mikro kanalı yakalamak için bir tripoda yüzü aşağı bakacak şekilde monte edilir. Programlanabilir şırınga pompasına PTFE boru aracılığıyla mikro kanala bağlanan 0,5 mL'lik bir cam şırınga yerleştirilmiştir. Uzaktan tetik, deneysel çalışmalar sırasında kamerayı etkinleştirmek için kullanılır. Mikropipet, protokolün 3.2. adımında açıklandığı gibi izleyici başlangıç koşulunu oluşturmak için kullanılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-7
Şekil 4: Deney düzeneğinin diyagramları (ölçekli değil). (A) Üstten görünüm, soldan sağa: 0,5 mL'lik bir cam şırınga ile monte edilmiş programlanabilir şırınga pompası; Şırınga pompasını mikroakışkan çipe bağlayan PTFE boru; kenardan 1 cm uzakta bir ışık paneline bantlanmış mikroakışkan çip; izleyici giriş deliğinden izleyici solüsyonu enjekte etmek için kullanılan mikropipet; Çekim noktasını çerçevelemek için tripoda monte edilmiş makro lensli D-SLR fotoğraf makinesi. (B) Yandan görünüm, soldan sağa: Şırınga pompasını mikroakışkan çipe bağlayan PTFE boru; mikroakışkan çip üzerinde şırınga ucu ve 3D baskılı bağlantı noktası; izleyici giriş deliğinden izleyici solüsyonu enjekte etmek için kullanılan mikropipet; Çekim noktasının 1 cm yukarısına yüzü aşağı bakacak şekilde monte edilmiş makro lensli D-SLR fotoğraf makinesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-8
Şekil 5: Sağlanan koddaki görüntü işleme adımları (bkz. (A) Mikrokanal yatay olacak şekilde döndürülmüş deneysel görüntü. Ölçek çubuğu: 1000 μm. (B) Mikrokanal duvarları arasındaki mesafeye uygun kenar uzunluğu ile kırpılacak ilgi alanı (ROI) için kare seçimi; burada, 400 μm. (C) Mavi kanalın tam kırmızı, yeşil ve mavi (RGB) görüntüden seçildiği kırpılmış ROI. Ölçek çubuğu: 200 μm. (D) Kırpılmış yatırım getirisi için ters çevrilmiş mavi kanal. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-9
Şekil 6: Floresein izleyici (kesikli) için kamera yakalama noktasındaki süreye karşı kesitsel olarak ortalamalı izleyici yoğunluğu, tahmin edilen eğri uyumu (katı) ile kaplanmıştır. Bu deneme, DI su izleyicide 0,6 g/L floresein sodyum tuzu ile, 18,77 cm uzunluğunda ve λ = 1/4 en-boy oranına sahip bir mikrokanalda, 0,1 cm/s akış hızında ve Pe figure-results-10 88'de gerçekleştirildi. 140 s (mavi), 150 s (turuncu) ve 200 s (yeşil) zamanlarında üç deneysel kare için ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluğu, netlik için parlaklık iki katına çıkarılarak grafiğin üzerinde gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-11
Şekil 7: Dağılım faktörü ve mikrokanal en boy oranı. Dağılım faktörü için teorik (mavi eğri) ve deneysel değerlerin (siyah veri noktaları) karşılaştırılması, f. Teorik eğri, Wolfram Mathematica'da (NDSolve) yerleşik sonlu elemanlar yöntemi kısmi diferansiyel denklem çözücüsü kullanılarak elde edilir12. Aşağıdakiler için deneysel verilerin ortalama ve standart sapmasını gösteriyoruz: λ = 0,1 ve akış hızı 0,02 cm/s olan dört deneme; λ = 0,25 ve akış hızları 0,05 cm/s (dört), 0,1 cm/s (dört) ve 0,2 cm/s (dört) ile on iki deneme; λ = 0,5 ve akış hızı 0,1 cm/s olan dört deneme. Tüm deneyler 6.07 cm uzunluğundaki mikro kanallar üzerinde gerçekleştirildi (yakalama noktası izleyici girişinden 3 cm aşağı akışta); Sonuçlar daha sonra 18.77 cm'lik mikrokanallarda kıyaslandı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1: Bağlantı noktası için .sdlprt dosyası Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 2: . Çip üst katmanının DXF şablon dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 3: . Çip contalarının DXF şablon dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 4: . Çip mikro kanalının DXF şablon dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 5: Veri işleme için kullanılan MATLAB kod dosyaları. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

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

Bu raporda, Taylor dispersiyon deneyini mikroakışkan ölçeğe uyarlamak için tekrarlanabilir ve erişilebilir bir deney düzeneği ve protokolü sunduk. Mikrokanallarımızı 3D baskı ve bir masaüstü zanaat kesici kullanarak düşük maliyetle kendi bünyemizde üretmek için mevcut bir xurography tekniği 5'ten yararlanıyoruz. Mikrokanal üretimi için mevcut endüstri standardı, kanalların dökülebileceği ana kalıpların oluşturulmasını içerir. Bu yazıda tartışılan teknikle karşılaştırıldığında, bu yöntemler önemli ölçüde daha iyi kanal çözünürlüğüne ve özellik boyutuna (bazıları 0.1 μm kadar küçük) sahip olabilir, ancak on binlerce14 ABD Dolarına kadar çok daha yüksek genel giderler dezavantajına sahiptir. Başlangıçtaki genel gider maliyetine ek olarak, kanal tasarım özelliklerinde yapılacak herhangi bir değişiklik, hem yeni bir ana kalıbın oluşturulmasını hem de yeni kanalların kürlenmesini gerektirir ve bu da arıza süresini artırır. Buna karşılık, bu raporda kullanılan kanal üretim ekipmanının başlangıç maliyeti yaklaşık 300 USD'dir; bu, bir ana kalıp üretmenin en ucuz yolu ile karşılaştırılabilir (polidimetilsiloksan (PDMS) bazlı tekniklerin kullanılması gibi, ancak kanal tasarımındaki değişikliklerin ve yeni kanalların basılmasının, 200 μm genişliğindeki kanallar için önde gelen üretim teknikleriyle karşılaştırılabilir yüzey pürüzlülüğünü korurken önemli ölçüde daha az zaman alması avantajına sahiptir5. Mikroakışkan bir çipi 5 dakikadan daha kısa sürede ve 1 USD'den daha az bir fiyata kesebiliyoruz.

Bu protokolde veriler, makro lensle monte edilmiş bir D-SLR kamera kullanılarak parlak alan görüntüleme yoluyla izleyici girişinden aşağı akışta sabit bir yakalama noktasında kaydedilir. Protokol, deiyonize su (DI) içinde bir floresein sodyum tuzu çözeltisi kullanılarak geliştirilmiş olsa da, bu görüntüleme yöntemi, izleyicinin yoğunluğu ve konsantrasyonu arasında doğrusal bir ilişki olduğu sürece, gıda boyası gibi diğer boya türlerine uygulanabilir. Kullanılacak potansiyel kimyasal aralığı, absorpsiyon spektrumları ve arka plan aydınlatması dikkate alınarak daha da genişletilebilir. Bununla birlikte, bazı gıda boyalarının bitki materyallerinden elde edildiğini ve birden fazla kimyasal tür içerebileceğini not ediyoruz; Çelişkili sonuçlardan kaçınmak için kullanılacak gıda boyasını seçerken dikkatli olunmalıdır.

Bu kurulumun ve protokolün geçerliliği, değişen kanal en boy oranı ve deneysel akış hızı için deneysel dağılım faktörü f hesaplanarak ve Şekil 7'de gösterildiği gibi dikdörtgen kesitli mikro kanallar için teorik değerleriyle karşılaştırılarak doğrulandı. Ayrıca, bu değişen deneysel koşullar altında tek tür pasif izleyiciler için difüzyon katsayısını, κ'yi hesapladık. Tablo 1, bu deneysel araştırmadan elde edilen floresein sodyum tuzunun moleküler difüzyon katsayısını bildirmektedir. Spesifik olarak, tablolaştırılmış κ değerleri, geliştirilmiş dağılım katsayısı K için deneysel uyumlar ve dağılım faktörü için teorik değerler kullanılarak denklem (3)'ten hesaplandı, f. Değişen en boy oranlarına (λ = 0.1, 0.25 ve 0.5) ve akış hızlarına (0.05, 0.1 ve 0.2 cm/s) sahip mikro kanallar üzerinde yapılan dört deney için ortalama değerleri rapor ediyoruz. Her biri için, yöntemimizin doğruluğunu gösteren 10,11, κ = 5.70 x 10-6 cm2/s teorik değerine göre göreli hatayı da dahil ediyoruz. Son olarak, her deneysel parametre seti için, deneysel yoğunluk eğrisi taban çizgisinden saptığında boyutsal zaman t'nin difüzyon süresine td = h2/(4κ) bölünmesiyle tanımlanan Péclet sayısını ve boyutsuz zaman aralığını rapor ediyoruz. Sistemimizin Taylor dağılım rejimine girdiğini ve bu nedenle bir Gauss profili15 ile iyi bir şekilde tahmin edilebileceğini göstermek için boyutlandırılmamış deneysel zaman aralığını dahil ediyoruz. Aslında, Tablo 1'in son iki sütununda bildirilen gözlem süreleri, difüzyon süresinin yaklaşık 2-5 (veya daha fazla) katıdır.

Daha sonra, çoklu tür iyon etkileşimini ve ayrılmasını araştırmak için protokolü genişlettik. Taylor dispersiyon deneyinin, floresein sodyum tuzu ve mavi gıda boyasının DI suyunda karıştırılmasıyla yapılan çok türlü bir elektrolit çözeltisine uygulanmasından elde ettiğimiz sonuçları aşağıda rapor ediyoruz. Şekil 8 , üç çözünen madde için kamera yakalama noktasındaki ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluk eğrilerinin zaman gelişimini göstermektedir: DI suyunda mavi gıda boyası çözeltisi (–), DI suyunda floresein sodyum tuzu çözeltisi (...) ve DI suyunda karışık mavi gıda boyası ve floresein sodyum tuzu çözeltisi (----). Her eğri, her yönde bir standart sapma (gölgeleme) ile beş deneysel denemenin ortalamasıdır. Eğriler, floresein sodyum tuzu deneyleri için maksimumun zaman ölçeğine kıyasla, tek başına mavi gıda boyası (–) ile yapılan deneylerin ilk önce minimuma ulaştığını göstermektedir (...). Bu, floresein sodyum tuzunun, kullanılan mavi gıda boyası için boya bileşeni olan mavi 1'den bir kat daha küçük bir moleküler difüzyon katsayısına sahip olduğu gerçeğiyle tutarlıdır16. Karışık çözelti deneyleri (----), bu zaman ölçeği farkını ve bunun sonucunda yoğunluk profilindeki içbükeylik değişikliği yoluyla görülebilen iyon ayrımını vurgular; Eğri, yukarı dönüp taban çizgisinin üzerine çıkmadan önce taban çizgisinin altına düşer. Şekil 9'da , mavi gıda boyası deneylerinin ve floresan sodyum tuzu deneylerinin (+++) bireysel katkılarının toplanmasıyla elde edilen bir eğri ile kaplanmış aynı karışık çözelti ters çevrilmiş mavi kanal yoğunluk eğrisini (----) çiziyoruz. İki eğri arasındaki fark, iyon-iyon etkileşiminin karışık çözelti yoğunluğu eğrisi üzerindeki etkisinin altını çizer. Basitçe iki ayrı çözünen madde katkısı eklendiğinde, (+++) eğrisi, içbükeylik karışık çözelti eğrisine (----) kıyasla daha uzun bir zaman ölçeğinde değişmeden önce, mavi boya çözeltisinin ( Şekil 8'de – olarak gösterilmiştir) güçlü taban çizgisinin altındaki katkısı tarafından yönlendirilen daha derin bir minimum sunar. Son olarak, toplam eğrisi, floresein sodyum tuzu çözeltisi davranışı nedeniyle karışık eğriye kıyasla taban çizgisinin üzerinde yine daha yüksek bir tepe noktası gösterir ( ...  Şekil 8'de). Zaman ölçeğinin kısalmasıyla birlikte daha yumuşak zirve, mavi gıda boyası ile floresein sodyum tuzu iyonları arasındaki etkileşimin bir göstergesidir.

Şekil 6, Şekil 8 ve Şekil 9'daki yoğunluk profilleri çarpıklık sergiler; bu, klasik Taylor dağılım teorisi 2,5,9 ile deneylerde ölçülen miktar arasındaki birkaç farktan kaynaklanıyor olabilir. Denklem (2) tarafından tahmin edilen konsantrasyon profili uzayda simetriktir, ancak deney düzeneğimizde ölçüm, zamanın bir fonksiyonu olarak izleyici enjeksiyon bölgesinden aşağı akışta sabit bir yakalama noktasında alınır. Zamanın bir fonksiyonu olarak bakıldığında, ortaya çıkan profil doğası gereği çarpıktır. Bu zamansal asimetri, Taylor ve Harris (2019)5 dahil olmak üzere önceki çalışmalarda bildirilen gözlemlerle tutarlıdır. Çarpıklığın bir başka olası nedeni, deneysel görüntü yakalama penceresinin sonlu alanının etkisidir. Denklem (1)'de açıklanan Gauss uyumuna olası bir alternatif, deneysel verilerin denklem (2)'deki Gauss ifadesinin integraline sonlu görüntü yakalama bölgesi (x'te) üzerinden uydurulmasını içerir.17. Çarpıklığa olan bu katkı, yakalama kutusunun boyutu Gauss eğrisinin standart sapması ile karşılaştırılabilir olduğunda özellikle önem kazanır; burada, yakalama penceremizin uzunluğu her zaman Gauss'un standart sapmasından en az bir büyüklük sırası daha küçüktür.

Bu düşük maliyetli deneysel yöntem, mikro ölçekte Taylor dispersiyon deneyine erişilebilir bir yaklaşım sağlar. Protokoldeki en hassas adım, mikrokanal negatifinin üretilmesi ve çıkarılmasıdır. Üretim sürecinde, yanlış kesimleri önlemek için kesmeden önce kanalın sağlam olduğundan emin olmak için ekstra özen gösterilmelidir. Negatifi çıkarırken geride hiçbir malzeme kalmadığından emin olun ve güvenilir deneysel sonuçlar elde etmek için pürüzsüz, paralel ve düz olması gereken kanal yan duvarlarıyla herhangi bir temastan kaçının. Bu yöntemin bir sınırlaması, doğal ksorografi çözünürlük sınırıdır. Bu yazıda, üretilmesi en zor kanallar, w = 200 μm genişliğe (ve en boy oranı λ = 0.5) sahip olanlardır ve bu, zanaat kesici çözünürlüğünün5 sınırını zorlamıştır. Hatanın birincil nedeni, bıçakları mekanik dişlilere dayalı olarak tanımlanmış adım artışlarıyla hareket ettiren, zanaat kesici tarafından kullanılan step motordur. Tasarımlar, tanımlanan adım artışı arasında kesimlerin olmasını gerektirdiğinde, daha büyük hata ortaya çıkar. Bu xurography yönteminin çözünürlük sınırlarını belirleyen derinlemesine çalışma literatürde mevcuttur5.

Bu deneysel prosedür, tek tür pasif izleyicilerin gelişmiş dağılım faktörünü (K) ve moleküler difüzyon katsayısını, κ'yi hesaplamak için basit bir yol sağlar. Ek olarak protokol, iyon türleri arasındaki etkileşimi ve ayırma dinamiklerini görselleştirmenin basit bir yolunu sunar. Platformun erişilebilirliği ve çok yönlülüğü göz önüne alındığında, bu yöntem iyon türleri arasındaki dinamikleri analiz etmek ve taşıma olaylarının karmaşık etkileşimini daha iyi anlamak için uygundur ve mikromikser gibi uygulamalarda kolaylıkla kullanılabilir.

Boyutsuz zaman
En boy oranı, λAkış hızı (cm/sn)Deneysel κ (cm2/s)Göreli hataEtiket numarası (Pe)tmin/tdtmaks/td
0.10.025.813 x 10-6 ± 3.797 x 10-71.982 x 10-2~ 18~ 30~ 52
0.250.055.333 x 10-6 ± 4.179 x 10-76.443 x 10-2~ 44~ 11~ 27
0.250.15.655 x 10-6 ± 2.822 x 10-77.838 x 10-3~ 88~ 6~ 16
0.250.25.978 x 10-6 ± 1.724 x 10-74.884 x 10-2~ 175~ 2~ 10
0.50.15.444 x 10-6 ± 4.790 x 10-74.496 x 10-2~ 88~ 6~ 16

Tablo 1: Floresein sodyum tuzu için deneysel moleküler difüzyon katsayısı (κ). Sonuçlar, geliştirilmiş dağılım katsayısı K için deneysel uyumlar ve dağılım faktörü için teorik değerler kullanılarak denklem (3)'ten hesaplanır, f. Her satır, belirli bir en boy oranına (λ = 0.1, 0.25 veya 0.5) ve akış hızına (0.05, 0.1 veya 0.2 cm/s) sahip mikro kanallar üzerinde yapılan dört deney için ortalama κ değerini (ve ilgili standart sapmayı) bildirir. Her biri için, yöntemimizin doğruluğunu göstermek için10,11, κ = 5.70 x 10-6 cm2/s teorik değerine göre bağıl hatayı dahil ediyoruz. Ek olarak, her satır için deneysel Péclet sayısını ve boyutsal zamanı bölerek tanımlanan boyutsuz zaman aralığını listeleriz t deneysel yoğunluk eğrisi taban çizgisinden saptığında, difüzyon süresi td = h2/(4κ).

figure-discussion-1
Şekil 8: Üç izleyici için kamera yakalama noktasındaki ortalama ters çevrilmiş mavi kanal izleyici yoğunluğunun zaman gelişimi. Üç izleyici için kamera yakalama noktasında ortalama ters çevrilmiş mavi kanal izleyici yoğunluğunun zaman gelişimi: DI suyunda mavi gıda boyası çözeltisi (konsantrasyon oranında gıda boyası:DI = 1:20 mL, –), DI suyunda floresein sodyum tuzu çözeltisi (0,6 g/L konsantrasyonda, ...) ve bireysel izleyici deneylerinde olduğu gibi aynı konsantrasyonlarda hem mavi gıda boyası hem de floresein sodyum tuzu içeren karışık bir çözelti (----), yani mavi gıda boyası: DI = 1:20 mL ve 0,6 g/L floresan. Her eğri, her yönde bir standart sapma (gölgeleme) ile beş deneysel denemenin ortalamasıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-discussion-2
Şekil 9: Karışık çözelti için kamera yakalama noktasında ortalama ters çevrilmiş mavi kanal izleyici yoğunluğunun zaman gelişimi. Mavi gıda boyası ve floresein sodyum tuzu (----) içeren karışık çözelti için kamera yakalama noktasında ortalama ters çevrilmiş mavi kanal izleyici yoğunluğunun zaman evrimi ile mavi gıda boyası: DI = 1:20 mL ve 0,6 g/L floresein ve mavi gıda boyası çözeltisi deneylerinin yoğunluğunu birleştiren bir toplam eğrisi (+++) ( Şekil 8'deki katı eğri, –) ve floresein sodyum tuzu çözeltisi deneyleri ( Şekil 8'deki noktalı eğri, ...). Karışık eğri, her yönde bir standart sapma (gölgeleme) ile beş deneysel denemenin ortalamasıdır. Toplam eğrisinin standart sapması, her bir izleyici çözümü ile yapılan deneylerden standart sapmaların toplamının karekökü alınarak hesaplanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

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

Bernardi ve Teague, Worcester Politeknik Enstitüsü'ndeki Eğitim ve Uygulama Prototipleri Laboratuvarı'nın (LEAP) desteğini ve Simons Vakfı'ndan Matematikçiler için Seyahat Desteği (ödül numarası 963534) aracılığıyla sağlanan finansmanı kabul etmek istiyor. Bernardi ve Teague ayrıca deney düzeneği üzerinde erken çalışmalar için Cenevre Isaacson, Justin Shen ve Tom Kohen'e, 3D baskı desteği için Worcester Politeknik Enstitüsü'ndeki Remy Kaplinsky ve Akademik & Araştırma Hesaplama'ya, ayrıca Daniel M. Harris, Eli Silver ve Brown Üniversitesi'ndeki Harris Laboratuvarı'nın diğer üyelerine Worcester Politeknik Enstitüsü'ndeki ilk deneyleri kurarken içgörüleri ve yardımcı tavsiyeleri için teşekkür eder.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Ayarlanabilir hacimli pipet, 0.5– 10 μ LMUHWA B08TBPMKZLMasaya dönüştü
Cameo Kesme Matı, 12 x 12 inçSiluet Amerika8.19177E+11Tabloda kullanılan aphabetize fonksiyonu
Fotoğraf makinesi takılabilir pilKARDEŞB0B5WY8T96kaldırılan 3D baskılı bağlantı noktaları
Kamera tripodu VanguardB00CCA1Y3SForm 2 3D yazıcı

Form 2 3D yazıcı eklendi
Şeffaf Reçine V5Form laboratuvarlarıhttps://formlabs.com/store/materials/clear-resin/3D baskı reçinesi
Siyanoakrilat (CA) tutkal hızlandırıcıYıldız bağıB00BUVAZ5Sbir reçine de ekledi
D-SLR fotoğraf makinesiNikonD500 Serisiyazıcı yazılımı eklendi
Pano yazılımıForm laboratuvarlarıhttps://formlabs.com/software/dashboard/3D baskı yazılımı

CAD solidworks eklendi
Deiyonize suYOKYOKMatlab eklendi
Kısılabilir LED ışık paneliKaiser Fototeknik202455Slimlite Plano 5000K 19,6 x 13,8 inç

FSS lotunu katalog numarasına değiştirdi
Çift taraflı poliimid bant, 1 inç x 36 yd ruloBertechB00HFN6E0K
Flourescein sodyum tuzu boyası - 100 gSigma-Aldrich5184A17
Form 2 3D YazıcıForm laboratuvarlarıhttps://formlabs.com/3d-printers/form-2/
Luer uçlu cam şırınga, 500 µ LHamilton ŞirketiPN: 80801
Yüksek hassasiyetli cımbız, 0,004 inç genişlik x 0,002 inç kalınlıkMcMaster Carr'ın fotoğrafı.ECCN: EAR99Standart sivri uç
Kim MendilleriKimtechB0013HT2QW4,4 x 8,4 inç
Sıvı pipet pipetleyici uçları, 1000 adet/torbaMUHWA B07S1WJCHPDeneysel deneme başına 1 adet gereklidir
Makro lens 20 mm f/2Mitakon ZhongyiB075JRGWW1
Maskeleme bandı, 0,70 inç x 54,6 ydİskoç MarkasıB00347A8E4
MATLAB yazılımı, sürüm 2023bMatematik İşlerihttps://www.mathworks.com/products/matlab.html
Orta CA Yapıştırıcı, 2 oz. Yıldız bağı126150047Premium Siyanoakrilat Süper Yapıştırıcı
Hafıza Kartı, 64 GBSan Disk‎ B09X7C7NCZ
Neon çeşitli gıda renkleri ve yumurta boyası, 1.5 fl ozMcCormick ve Şirket, Inc.B09PFV6275Pembe, yeşil ve mavi. Sadece 1 şişe mavi gıda boyası gereklidir. Mavi gıda boyası bileşenleri: su, propilen glikol, FD& C mavisi 1, propilparaben (koruyucu).
Hassas teraziSartorius Laboratuvar AletleriMÖ 224 - 1SGiriş® II Temel Çizgi. İzleyici karıştırma için floresein sodyum tuzu tozunu tartmak için kullanılır.
PTFE mikro boru, 0,012" iç çap x 0,030" dış çapCole Parermp-00060882Mikro delikli transfer boruları. Minimum gerekli: 50 cm.
Uzaktan programlanabilir tetikPiksel ProTW-283DC0/DC2
MakasAmazonB01BRGUAT6
Scotch bantİskoç MarkasıB01C5IHGJW
Silhouette Cameo 4 El Sanatları KesiciSiluet Amerika8.19177E+11
Siluet Cameo AutoBlade (Tip B)Siluet Amerika8.19177E+112 gerekli
Silhouette Studio Basic Edition yazılım sürümü 4.5Siluet Amerikahttps://www.silhouetteamerica.com/silhouette-studioEğer . Bu yazılım sürümünde Ek Dosyaların bir parçası olarak sağlanan DXF şablon dosyaları, önce yazılım içe aktarma ayarlarını aşağıdakilere tıklayarak dosya boyutunu 'olduğu gibi' okuyacak şekilde ayarlayın: > Tercihlerini Düzenle > DXF'> İçe Aktar > > Olduğu Gibi Aç.
Yumuşak kauçuk brayer, 4,75 x 1,75 x 6,62 inçSpeedballB003IFY622
SOLIDWORKS yazılımı, Eğitim SürümüSOLIDWORKShttps://www.solidworks.com/solution/job-functions/educators
Standart infüze / geri çekme 11 elit şırınga pompasıHarvard Aparatı70-4504
Luer kilidi ile şırınga ucu, uç boyutu: 0.5 in, 27 Gauge, ŞeffafMetcal B00F4B9W402 gerekli
Ultra şeffaf polyester çarşaflar, 12 x 12 x 0,007 inçGrafixB001K7Q6Z0

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Deen, W. M. Analysis of Transport Phenomena. , Oxford University Press. New York. (1998).
  2. Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. Proc R Soc Lond A. 219 (1137), 186-203 (1953).
  3. 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).
  4. Ding, L. Shear dispersion of multispecies electrolyte solutions in the channel domain. J Fluid Mech. 970, A27(2023).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354, 1252-1256 (2016).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bharadwaj, R., Santiago, J. G., Mohammadi, B. Design and optimization of on-chip capillary electrophoresis. Electrophoresis. 23 (16), 2729-2744 (2002).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Mikrokanal Fabrikasyonur nga PompasLaminer Akzleyici zeltiyon E le mesiDif zyon Katsay s

İlgili makaleler