نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي القص
Summary
ويرد على بروتوكول لدراسة نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي يحركها الضغط. هذا الإجراء ينطبق على مختلف الأنابيب الشعرية هندستها.
Abstract
يتم وصف أسلوب بسيط تجريبيا مراقبة وقياس تشتت الراسم الكامن في تدفق السوائل الصفحي. تتألف الطريقة الأولى حقن صبغة الفلورسنت مباشرة في أنبوب مملوء بالماء المقطر والسماح بنشرها عبر المقطع العرضي للأنبوب للحصول على شرط أولية موزعة بانتظام. وعقب هذه الفترة، يتم تنشيط الاندفاق الصفحي بمضخة حقنه القابلة لبرمجة لمراقبة منافسة التأفق ونشرها للتتبع من خلال الأنبوب. يتم دراسة التفاوت في توزيع التتبع ويتم عرض الارتباطات بين مختلف قطاعات الأنابيب وشكل التوزيع: رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) إنتاج مواد استشفاف القادمين مع الجبهات حادا ومستدق (ذيول ■ توزيعات)، في حين يقدم قنوات سميكة (نسبة الارتفاع ~ 1) السلوك المعاكس (توزيعات تحميلها مرة أخرى). الإجراء التجريبي الذي يتم تطبيقه على أنابيب شعرية من مختلف الهندسات وله أهمية خاصة للتطبيقات موائع جزيئية حسب تشابهها الديناميكية.
Introduction
في السنوات الأخيرة، تركزت جهود كبيرة على استحداث موائع جزيئية وأجهزة مختبر على رقاقة يمكن خفض التكاليف وزيادة الإنتاجية وإعداد المواد الكيميائية والتشخيص لمجموعة من التطبيقات. واحدة من السمات الرئيسية لأجهزة موائع جزيئية النقل يحركها ضغط السوائل وحلت الذوائب من خلال ميكروتشانيلس. وفي هذا السياق، أصبح متزايد الأهمية فهم أفضل للتسليم المراقب من الذوائب في عبارة. على وجه الخصوص، تتطلب التطبيقات مثل الفصل الكروماتوغرافي1،2 وموائع جزيئية تدفق حقن تحليل3،4 تحسين مراقبة وفهم لإيصال ذائبة. درس الباحثون في ميكروفلويديكس وتوثيق تأثير الشكل مستعرضة في القناة على المذاب نشر5،6،،من78، ودور القناة نسبة العرض إلى الارتفاع 9 , 10.
وقد تؤدي الدراسات التحليلية والعددية لنشر ذائبة على طول القنوات مؤخرا لتحديد علاقة بين هندسة أنابيب مستعرضة والشكل9،توزيع10. في فترات زمنية مبكرة، التوزيع يعتمد بشدة على الهندسة: أنابيب مستطيلة كسر التناظر على الفور تقريبا، بينما أنابيب البيضاوي الاحتفاظ بهم التناظر الأولية كثير أطول9. من ناحية أخرى، تتقدم إلى فترات زمنية أطول عدم التماثل في توزيع ذائبة لم يعد التفريق بين الحذف من المستطيلات، وتم تعيينها بواسطة λ مستعرضة نسبة العرض إلى الارتفاع (نسبة القصير إلى الطويل الجانب) فقط. إذ تضع في اعتبارها “أنابيب” المقاطع العرضية بيضاوي الشكل و “القنوات” المقاطع العرضية مستطيلة، تم قياسها التنبؤات من المحاكاة العددية وتحليل مقارب مع التجارب المعملية. رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) تنتج الذوائب القادمين مع الجبهات حادا ومستدق ذيول، بينما قنوات سميكة (نسبة العرض إلى الارتفاع ~ 1) هذا السلوك المعاكس10. هذا تأثير قوي نسبيا غير حساسة للظروف الأولية ويمكن استخدامها للمساعدة في تحديد الشخصية ذائبة التوزيع المطلوب لأي تطبيق.
يحدث السلوك المبينة أعلاه لفرز رقيقة مقابل المجالات سميكة قبل التوصل إلى نظام “تشتت تايلور” الكلاسيكية. تشتت تايلور يشير إلى تعزيز انتشار الذوائب السلبي في التدفق الصفحي (مستقرة في انخفاض عدد رينولدز، Re) مع عزز فعالية الانتشارية، تناسبا عكسيا مع κ الانتشارية الجزيئية للمذاب11. ويلاحظ هذا التعزيز إلا بعد فترات زمنية طويلة، وانتشارية، عندما المذاب قد تنتشر عبر القناة. يتم تعريف مثل هذا المقياس الوقتى انتشارية من حيث حجم طول مميزة هندسة، تيد =/κ2. وعدد Péclet هو معلمة نونديمينسيونال الذي يقيس الأهمية النسبية التأفق السوائل إلى آثار نشرها. علينا أن نحدد هذه المعلمة من حيث حجم طول أقصر ك Pe = Ua/κ، حيث U هو سرعة تدفق المميزة. (يمكن تعريف عدد رينولدز من حيث عدد Péclet = إعادة Pe κ/ν، حيث هو ν اللزوجة الحركية للسائل). قيم رقم Péclet نموذجية ل التطبيقات موائع جزيئية12 تتفاوت بين 10 و 105، مع ديفوسيفيتيس الجزيئية تتراوح من 10-7 لسم-5 102/s. وبالتالي، ونظرا لسرعة تدفق وطول جداول للفائدة، فإنه أمر بالغ الأهمية لفهم سلوك الذوائب لفترات زمنية متوسطة إلى طويلة (بالنسبة لمقياس الوقت انتشارية)، كذلك في الماضي الملاحظات الأولية للسلوك يحركها الهندسة وإلى نظم تحركها إلى section المشتركة الشاملة لفئة كبيرة لهندستها.
نظراً للاهتمام بتطبيقات موائع جزيئية، اختيار واسعة النطاق قد الإعداد التجريبية في الأولى يبدو غير طبيعي. التجارب التي ذكرت هنا مقياس ملليمتر، ليس في عبارة كما هو الحال في أجهزة موائع جزيئية صحيحاً. ومع ذلك، السلوكيات المادية ذاتها تميز كلا النظامين ولا يزال يمكن أن يتحقق دراسة كمية من الظواهر ذات الصلة بالقياس بشكل صحيح في معادلات الحكم، تماما كما يتم تقييم مقياس نماذج من طائرة في أنفاق الرياح أثناء تصميم المرحلة. مطابقة المحددات نونديمينسيونال ذات الصلة (مثل عدد Péclet لتجربتنا) يضمن على وجه الخصوص، قدرة على التكيف بنموذج تجريبي. تعمل على هذه المستويات الأكبر، مع الحفاظ على تدفق الصفحي يحركها الضغط، يوفر العديد من المزايا على مدى إعداد microscale تقليدية. على وجه الخصوص، المعدات اللازمة لتصنيع وأداء، وتصور هذه التجارب أسهل للعمل وأقل تكلفة. وعلاوة على ذلك، تخفف أخرى التحديات المشتركة للعمل مع ميكروتشانيلس، مثل انسداد المتكررة وتعزيز تأثير الصناعات التحويلية التحمل، مع الإعداد الكبيرة. آخر ممكن لاستخدام هذا الإعداد التجريبية للدراسات المتعلقة بتوزيع الوقت الإقامة (RTD) في التدفقات الصفحي13.
يمكن تحليل الاختلالات الناشئة عن توزيع ذائبة المصب عبر لحظات الإحصائية؛ تخالفها، الذي يعرف بأنه لحظة الثالثة متوسط، وتطبيع، على وجه الخصوص، هو الإحصاء لا يتجزأ النظام أدنى قياس اللاتماثل لتوزيع. علامة التخالف عادة ما يشير إلى الشكل للتوزيع، و أي. إذا كان حزما (الانحراف السلبي) أو تحميلها مرة أخرى (الانحراف الإيجابي). التركيز على نسب القنوات، يوجد ارتباط واضح الهندسات رقيقة مع توزيعات حزما، وهندستها سميكة مع توزيعات العودة-تحميل10. بالإضافة إلى ذلك، يمكن حساب نسبة العرض إلى الارتفاع الحرج الذي يفصل هذه السلوكيات المعاكس اثنين لأنابيب البيضاوي ومجاري مستطيلة. وتتماثل هذه نسب كروس للهندسات القياسية، على وجه الخصوص، λ * = 0.49031 للأنابيب و λ * = 0.49038 للقنوات، توحي بالطابع العالمي ل نظرية10.
يتم استخدام الإعداد التجريبية والطريقة الموضحة في هذه الورقة لدراسة انتشار المذاب السلبي يحركها الضغط في الصفحي تدفقات السوائل خلال الشعيرات الدموية الزجاج مختلف المقاطع العرضية. بالبساطة وإمكانية تكرار نتائج التجربة يعرف طريقة قوية للتحليل لفهم العلاقة بين هندسية المقطع العرضي ممر بيانات، والشكل الناتج من توزيع حقن ذائبة كما ينقل المصب. وقد وضعت الطريقة التي تمت مناقشتها في هذا العمل سهولة قياس النتائج الرياضية والعددية في إعداد مختبر مادية.
ووصف إجراء تجريبي بسيط هو الذي يسلط الضوء على دور قاطع قناة فلويديك مقطعية-نسبة الارتفاع في تحديد شكل توزيع ذائبة باتجاه مجرى النهر. يتطلب برنامج الإعداد التجريبية مضخة حقنه القابلة لبرمجة لإنتاج تدفق مستمر الصفحي، أنابيب زجاجية مختلف المقاطع العرضية على نحو سلس، وحقنه ثانية مضخة حقن المذاب نشرها (على سبيل المثال. صبغ fluorescein) إلى التدفق الصفحي المحيطة بها، ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية-أ وكاميرا لتسجيل تطور ذائبة. يتم توفير ملفات CAD لجميع أجزاء مخصصة للإعداد وهذه الملفات يمكن أن تستخدم لطباعة 3D التجريبية الأجزاء السابقة للجمعية العامة.
Protocol
Representative Results
Discussion
بعد حقن الصبغة في الأنابيب، ويتم نقل بولس بعيداً عن تدفق مستمر باستخدام إبرة حقن. ثم، من الضروري الانتظار طويلة بما يكفي للصبغ منتشر عبر المقطع العرضي للقناة. وبهذه الطريقة، يتم الحصول على توزيع غاوسي تشبه موحدة وسيكون بمثابة الشرط الأولى للتجربة. ومن ثم، يتم إنشاء تدفق الصفحي خلفية مع المضخة حقنه قابلة للبرمجة. تشغيل التجريبية وتستمر لمدة 5 دقائق مع الصور التي التقطت كل ثانية.
المشاكل الشائعة في الإعداد تأتي من الاتصال الأجزاء والأنابيب. مختلف أجزاء طباعة 3D بحاجة إلى أن تكون مختومة بشكل صحيح عند توصيله لتجنب تسرب. أنابيب زجاجية حساسة جداً ويجب التعامل معها وتثبيتها بعناية.
مشكلة واجهناها عند الانتقال من أنابيب مستطيلة رقيقة للأنابيب مربعة سميكة تتصل بحقيقة أن حجم الأنابيب قد خفض بمقدار 10. للحفاظ على نفس السرعة تدفق متوسط مستعرضة مع 12 مل المحملة المحاقن، سرعة المكبس في مضخة الحقن أ ستحتاج إلى أن تكون منخفضة للغاية. بهذه السرعة المبرمجة، سرعة المكبس ليست موحدة بعد الآن، ولا يمكن ضمان تدفق مستمر طوال الفترة التجريبية. ولذلك، نحن تحولت إلى حقنه 1 مل أصغر كثيرا عند العمل مع أنابيب مربعة سميكة في خطوة 2.5.1.
أحد ينبغي أن تحقق أيضا من أن كثافة متوسط طول البعد العمودي من الأنابيب في الحالة الأولى تقريبا موحدة. إذا لم يكن الأمر كذلك، قناع تصفية يجب أن تطبق عبر كافة الإطارات لحساب هذا التناقض.
الجزء الأقل تكرار التجربة هو حقن صبغة (وبالتالي عرض التوزيع الأولى). كما هو موضح سابقا، ليس مصدر قلق للمطابقة مع محاكاة مونتي كارلو، كما شرط الأولية التجريبية يمكن أن يعاد استخدام تحليل الصورة الأولى. الحقن بالصبغة وما يترتب عليه من سحب دليل قد لا دائماً تنتج صبغة المقابس من التحديد بنفس العرض. يحتاج عناية خاصة ليتم تطبيقها عند إعداد بلعه صبغ الأولية. التجربة يصبح قابل للتكرار أكثر الباحثين اكتساب الخبرة في هذا الجزء من البروتوكول، ولكن من الممكن التأكيد إدخال تحسينات في المستقبل.
عند مقارنة الإعداد مع أجهزة موائع جزيئية، المعلمة الوحيدة التي تظهر في معادلة الحكم في عندما يكون مناسب نونديمينسيوناليزيد Pe رقم Péclet إذا التتبع سلبي، أي تطور الراسم أونكوبليد من التدفق. التشابه الديناميكي ضمني في افتراض رينولدز منخفضة (Re << 1) الذي يضمن استقرارا الصفحي تدفقات u(y,z). يتم تعيين هذه معلمتين من المعلمات التشابه التام بين الأجهزة موائع جزيئية والجداول من تجربتنا. في الممارسة العملية، طول الأنابيب المادية فقط بتقييد الأوقات نونديمينسيونال يمكن أن نصل بأمان مع الإعداد لدينا. لأوقات متأخرة جداً ثلاثي الأبعاد، يمكن أن يصبح طول الأنابيب اللازمة باهظة طويلة لعدد Péclet ثابتة في هذا الإعداد على نطاق واسع.
حد واضح لهذا البروتوكول التجريبي أن البيانات التي جمعت تمثيل 2D المتوقعة للهندسة ثلاثية الأبعاد كما يتم التقاط الصور من أعلى إلى أسفل في الأنابيب. العملية الحالية يسمح فقط للحصول على تطور توزيع صبغ كروسسيكتيونالي متوسط. الحصول على توزيع المعرفة في كل موقع في الأنبوب بدلاً عن المتوسط مستعرضة ومقارنة مع توقعات النظرية والعددية تخضع للبحوث الجارية.
جميع أجزاء برنامج الإعداد التجريبية قد الرسومات الفنية متوفرة للتنزيل الذي يجعل الإعداد يسهل الوصول إليها وقابلة للتخصيص بأي باحث المهتمة. وبناء على النتائج الحالية، ستستخدم نفس الإعداد لدراسة الهندسات الأنابيب أكثر تعقيداً وغير مستكشفة، فضلا عن نظم تدفق مختلفة.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نعترف بتمويل من مكتب الأبحاث البحرية (منحة درب N00014-12-1-0749) والمؤسسة الوطنية للعلوم (المنح RTG DMS–0943851، CMG قوس-1025523، 1009750 نظام إدارة الوجهات السياحية، ونظام إدارة الوجهات السياحية-1517879). بالإضافة إلى ذلك، نحن نعترف بالعمل لسارة جيم بورنيت الذي ساعد في تطوير إصدار مبكر من الإعداد التجريبية والبروتوكول.
Materials
| Flourescein Dye | Flinn Scientific | LOT: 118362 CAS NO: 518-47-8 | |
| PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump | Harvard Apparatus | 703111 | programmable digital syringe pump |
| Compact Infusion Pump Model 975 | Harvard Apparatus | 55-1689 | |
| Form 2 SLA 3D Printer | Formlabs | 100-240 | |
| Glass pipes | VitroCom | 4410 and 8100 | |
| PTFE sealing tape | Teflon | 4934A12 | |
| PVC tubing (1/8" ID) | McMaster | 5231K144 | 5 Foot Length |
| Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016" ID, .028" OD, 1/8" NPT Thrd, 2" Lg | McMaster | 7590A45 | 1 Required |
| RTV silicone rubber sealant | McMaster | 74945A69 | |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10 | McMaster | 7510A653 | 1 required |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10 | McMaster | 7510A603 | 1 required |
| Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10 | McMaster | 7510A651 | 2 required |
| Plastic dispensing tip | McMaster | 6699A1 | 3 required |
| 6" C-Clamps | McMaster | 5133A18 | 2 required |
| Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156" ID, 0.312" OD, Packs of 100 | McMaster | 92141A008 | 8 required |
| 18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4" Length, Packs of 50 | McMaster | 91772A167 | 4 required |
| Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100 | McMaster | 9452K6 | 3 required |
| Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16" Wide, 7/64" High, Packs of 100 | McMaster | 91841A007 | 4 required |
| 18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2" Length, Packs of 100 | McMaster | 91772A148 | 4 required |
| 24" Black Light Fixture with bulb | American DJ | B0002F5544 | 2 required |
| DSLR camera | Nikon | D300 | |
| 24-120 mm lens | Nikon | 2193 | |
| Remote programmable trigger | Nikon | 4917 | remote programmable trigger |
| Memory Card | SanDisk | SDCFX-032G-E61 | |
| Metric ruler | McMaster | 20345A35 |
References
- Dutta, D., Leighton, D. T. Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography. Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).
- Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules. Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).
- Betteridge, D., Fields, B. Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus. Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).
- Trojanowicz, M., Kołacińska, K. Recent advances in flow injection analysis. Analyst. 141, 2085-2139 (2016).
- Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape. Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).
- Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems. Microfluid Nanofluid. 2 (4), 275-290 (2006).
- Bontoux, N., Pépin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels. Lab Chip. 6, 930-935 (2006).
- Vedel, S., Bruus, H. Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels. J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).
- Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes. Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).
- Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).
- Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).
- Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).
- Davis, M. E., Davis, R. J. . Fundamentals of chemical reaction engineering. , (2003).
- Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).
