La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear
Summary
Un protocollo per lo studio della diffusione dei rivelatori passivi a flusso laminare di pressione-driven è presentato. La procedura è applicabile per varie geometrie di tubo capillare.
Abstract
È descritto un metodo semplice sperimentalmente osservare e misurare la dispersione di un tracciante passiva in un flusso di fluido laminare. Il metodo consiste prima di iniettare la tintura fluorescente direttamente un tubo riempito con acqua distillata e permettendogli di diffuso attraverso la sezione trasversale del tubo per ottenere una condizione iniziale uniformemente distribuita. Dopo questo periodo, il flusso laminare è attivato con una pompa a siringa programmabile per osservare la concorrenza di avvezione e diffusione dell’elemento tracciante attraverso il tubo. Le asimmetrie nella distribuzione dell’elemento tracciante sono studiate ed è mostrato correlazioni tra la sezione del tubo e la forma della distribuzione: sottili canali (proporzioni << 1) produrre traccianti che arrivano con taglienti frontali e si assottiglia (code front-loaded distribuzioni), mentre canali spesse (proporzioni ~ 1) presentano il comportamento opposto (distribuzioni di carico). La procedura sperimentale viene applicata a tubi capillari di varie geometrie ed è particolarmente rilevante per applicazioni di microfluidica di somiglianza dinamica.
Introduction
Negli ultimi anni, notevoli sforzi si sono concentrati sullo sviluppo di microfluidica e dispositivi lab-on-chip che possono ridurre i costi e aumentare la produttività di preparazione chimica e diagnostica per una gamma di applicazioni. Una delle caratteristiche principali dei dispositivi microfluidici è il trasporto basati su pressione di fluidi e dissolto soluti attraverso microcanali. In questo contesto, è diventato sempre più importante comprendere meglio la consegna controllata di soluti in Microscala. In particolare, applicazioni come separazione cromatografica1,2 e microfluidica flusso iniezione analisi3,4 richiedono controllo migliorato e la comprensione della consegna soluto. Ricercatori in microfluidica hanno studiato e documentato l’influenza della forma della sezione trasversale del canale il soluto diffusione5,6,7,8e il ruolo del rapporto di aspetto del canale 9 , 10.
Studi analitici e numerici di soluto diffondendo lungo canali hanno recentemente portato all’individuazione di una correlazione tra la geometria della sezione trasversale del tubo e la forma della distribuzione9,10. Al primi tempi, la distribuzione dipende fortemente dalla geometria: tubi rettangolari rompono simmetria quasi immediatamente, mentre tubi ellittici mantengono il loro simmetria iniziale molto più9. D’altra parte, procedendo in tempi più lunghi, le asimmetrie nella distribuzione soluta non più distinguere ellissi da rettangoli e vengono impostate unicamente mediante il λ trasversale aspect ratio (rapporto tra breve e lato lungo). Considerando i “tubi” sezioni trasversali ellittiche e “condotti” di sezioni trasversali rettangolari, previsioni da simulazioni numeriche e analisi asintotica sono state analizzate con esperimenti di laboratorio. Sottile di canali (proporzioni << 1) produrre soluti che arrivano con taglienti frontali e si assottiglia code, mentre canali spesse (proporzioni ~ 1) presentare il comportamento opposto10. Questo effetto robusto è relativamente insensibile alle condizioni iniziali e può essere utilizzato per aiutare a selezionare il profilo di soluto distribuzione necessario per qualsiasi applicazione.
Il comportamento sopra indicato dell’ordinamento sottile contro domini spesse accade prima che venga raggiunto il regime di “Dispersione di Taylor” classica. Dispersione di Taylor si riferisce alla diffusione avanzata di soluti passivi a flusso laminare (stabile a basso numero di Reynolds, Re) con un potenziato diffusività efficace, inversamente proporzionale alla diffusività molecolare κ11 di soluto. Questo miglioramento si osserva solo dopo tempi lunghi, diffusivi, quando il soluto è diffusa attraverso il canale. Tale scala cronologica diffusiva è definita in termini della scala di lunghezza caratteristica della geometria, come td = un /κ di2. Il numero di Péclet è un parametro privi che misura l’importanza relativa di avvezione fluido agli effetti di diffusione. Definiamo questo parametro in termini di minor scala lunghezza Pe = Ua/κ, dove U è la velocità di flusso caratteristico. (Il numero di Reynolds può essere definito in termini di numero di Péclet come Re = Pe κ/ν, dove ν è la viscosità cinematica del fluido). Tipici valori di numero di Péclet per microfluidic applicazioni12 variare tra 10 e 105, con diffusività molecolari che vanno da 10-7 a 10-5 cm2/s. quindi, data la velocità di flusso e lunghezza scale di interesse, esso è fondamentale per capire il comportamento di soluti per intermedio-lungo scale cronologiche (riguardante la scala cronologica diffusiva), ben oltre le osservazioni iniziali di comportamento basato su geometria e nei regimi basati sulla sezione cross universali per una classe di grandi dimensioni di geometrie.
Dato l’interesse nelle applicazioni di microfluidica, la scelta di larga scala messa a punto sperimentale maggio alle prima sembra innaturale. Gli esperimenti riportati nel presente documento sono a scala di millimetro, non a Microscala come dispositivi microfluidici vero. Tuttavia, gli stessi comportamenti fisici caratterizzano entrambi i sistemi e uno studio quantitativo dei fenomeni rilevanti ancora può essere realizzato correttamente ridimensionando le equazioni che, proprio come modelli in scala di aerei sono valutati nelle gallerie del vento durante la progettazione fase. In particolare, rilevanti parametri privi (come il numero di Péclet per il nostro esperimento) di corrispondenza garantisce l’adattabilità del modello sperimentale. Lavorare a tali scale più grandi, pur mantenendo un flusso laminare di pressione-driven, offre parecchi vantaggi sopra un setup di Microscala tradizionale. In particolare, le attrezzature necessarie per la produzione, eseguire e visualizzare il presente esperimenti è meno costoso e più facile funzionare. Inoltre, altre sfide comuni di lavorare con microcanali, come frequente intasamento e l’influenza maggiore di tolleranze, di produzione vengono attenuate con l’installazione più grande. Un altro possibile utilizzo di questa messa a punto sperimentale è per gli studi di distribuzione del tempo di residenza (RTD) in flussi laminari13.
Le asimmetrie derivanti nella distribuzione soluta a valle possono essere analizzate tramite suoi momenti statistici; in particolare, l’asimmetria, che è definita come il terzo momento centrato, normalizzato, è la statistica di integrale ordine più bassa l’asimmetria di una distribuzione di misura. Il segno dell’asimmetria indica in genere la forma della distribuzione, vale a dire. Se è front-loaded (asimmetria negativa) o retro-caricato (asimmetria positiva). Concentrandosi sulle proporzioni dei canali, esiste una chiara correlazione di sottili geometrie con distribuzioni front-loaded e spesse geometrie con distribuzioni di carico10. Inoltre, un rapporto di aspetto critico che separa questi due comportamenti opposti può essere calcolato per entrambi i tubi ellittici e canale rettangolare. Tali proporzioni crossover sono notevolmente simili per geometrie standard, in particolare, λ * = 0.49031 per tubi e λ * = 0.49038 per condotti, suggestive dell’universalità della teoria10.
La messa a punto sperimentale e il metodo descritto in questo documento vengono utilizzati per studiare la diffusione di un soluto passivo pressione-driven in flussi laminari fluidi in tutto di tubi capillari in vetro di varie sezioni trasversali. La semplicità e la riproducibilità dell’esperimento definisce un metodo affidabile di analisi per comprendere il collegamento tra sezione geometrica di un tubo e la forma risultante della distribuzione soluta iniettata come è trasportato a valle. Il metodo illustrato in questo lavoro è stato sviluppato per prontamente benchmark risultati matematici e numerici in un ambiente di laboratorio di fisica.
Una semplice procedura sperimentale descritto che mette in risalto il ruolo definitivo di proporzioni a sezione trasversale di un canale fluidico nello stabilire la forma di una distribuzione di soluto a valle. La messa a punto sperimentale richiede una pompa a siringa programmabile per produrre un flusso costante di laminare, liscio tubi di vetro di varie sezioni trasversali, una seconda siringa pompa per iniettare il soluto diffondente (ad es. fluoresceina) nel flusso laminare circostante, luci UV-A e una videocamera per registrare l’evoluzione di soluto. File CAD sono disponibili per tutte le parti su ordinazione di tali file e il programma di installazione possono essere utilizzato per la stampa 3D che sperimentale parti prima dell’Assemblea.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dopo aver iniettato colorante nel tubo, il bolo viene trasportato via dall’ago per iniezione utilizzando un flusso costante. Quindi, è necessario aspettare abbastanza a lungo per la tintura di diffondere in tutta la sezione trasversale del canale. In questo modo, un’uniforme distribuzione gaussiana-come si ottiene e servirà come la condizione iniziale per l’esperimento. Quindi, si crea un flusso laminare sfondo con la pompa a siringa programmabile. La sperimentale eseguito dura per 5 min con foto scattate ogni secondo.
I problemi più comuni nel setup vengono dalla connessione delle parti e i tubi. Le varie parti di stampa 3D devono essere sigillate correttamente quando collegato per evitare perdite. I tubi di vetro sono molto delicati e deve essere maneggiato e installato con cura.
Un problema che abbiamo incontrato durante la transizione dal tubo rettangolare sottile a spesso tubo quadrato era legato al fatto che il volume del tubo è stata ridotta di un fattore 10. Per mantenere la stessa velocità di flusso media della sezione trasversale con il montato 12 mL siringa, la velocità del pistone nella pompa a siringa A sarebbe avere necessaria per essere estremamente basso. A questa velocità programmata, la velocità del pistone non era più uniforme e un flusso costante non può essere garantito nel corso della tiratura sperimentale. Pertanto, siamo passati a una molto più piccola siringa da 1 mL quando si lavora con il tubo quadrato spesso al punto 2.5.1.
Inoltre, uno dovrebbe verificare che l’intensità media lungo la dimensione verticale del tubo nella condizione iniziale è approssimativamente uniforme. In caso contrario, una maschera di filtro deve essere applicato in tutti i fotogrammi per tenere conto di questa discrepanza.
La parte meno ripetibile dell’esperimento è l’iniezione di colorante (e di conseguenza la larghezza della distribuzione iniziale). Come illustrato in precedenza, non è una preoccupazione per la corrispondenza con le simulazioni Monte Carlo, come condizione iniziale sperimentale può essere ricreata usando l’analisi della fotografia iniziale. L’iniezione della tintura e della conseguente revoca manuale non può sempre produrre tappi di tintura di precisamente la stessa larghezza. Particolare cura deve essere applicato durante l’impostazione del bolo iniziale della tintura. L’esperimento diventa più ripetibile come ricercatori acquisire esperienza in questa parte del protocollo, ma certamente si potrebbero apportare miglioramenti futuri.
Quando si confrontano l’installazione con dispositivi microfluidici, l’unico parametro che appaiono nell’equazione governa quando è adeguatamente nondimensionalized il Pe numero di Péclet se il tastatore è passivo, cioè l’evoluzione di tracciante è disgiunto dal flusso. Somiglianza dinamica è implicito nell’assunzione di basso Reynolds (Re << 1) che garantisce flussi laminari stabile u(y,z). Questi due parametri sono impostazione la completa somiglianza tra configurazioni di microfluidica e le scale del nostro esperimento. In pratica, la lunghezza fisica del tubo limita solo i tempi di stampa che possiamo tranquillamente raggiungere con il nostro programma di installazione. Per i periodi di non-dimensionale molto tardi, la lunghezza necessaria del tubo potrebbe diventare troppo lunga per un numero di Péclet fisso in questa configurazione su larga scala.
Un’evidente limitazione di questo protocollo sperimentale è che i dati raccolti sono una rappresentazione 2D proiettata della geometria 3D come le immagini sono prese dall’alto sul tubo. Il processo corrente solo consente di ottenere l’evoluzione della distribuzione sezione trasversale media tintura. Ottenere una distribuzione definita in ogni posizione nel tubo, piuttosto che sulla sua sezione trasversale media e confronto con le previsioni teoriche e numeriche sono oggetto di ricerca in corso.
Tutte le parti della messa a punto sperimentale hanno disegni tecnici disponibili per il download che rende l’installazione facilmente accessibile e personalizzabile da qualsiasi ricercatore interessato. Basandosi sui risultati attuali, la stessa impostazione serviranno per studiare le geometrie di tubo più complesse e inesplorato, nonché regimi di flusso diverse.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Riconosciamo che il finanziamento dall’Office of Naval Research (grant DURIP N00014-12-1-0749) e la National Science Foundation (concede RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 e DMS-1517879). Inoltre, riconosciamo il lavoro di Sarah C. Burnett che ha contribuito a sviluppare una prima versione del setup sperimentale e protocollo.
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
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