Name: the diffusion of passive tracers in laminar shear flow
Uploaded: 2018-05-01T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
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Wir anerkennen die Finanzierung durch das Office of Naval Research (Grant DURIP N00014-12-1-0749) und der National Science Foundation (Zuschüsse RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 und DMS-1517879). Außerdem erkennen wir die Arbeit der Sarah C. Burnett, die geholfen haben, eine frühe Version des experimentellen Aufbaus und Protokoll zu entwickeln.

1. Bereiten Sie die Teile der Versuchsaufbau zu bauen
<ol><li>Nutzen Sie den 3D CAD-Zeichnungen beigefügt (STL-Format) zu 3D-Druck, ein Injektor-Post, ein Reservoir, einen sechseckigen Stecker und zwei Platten als Reittiere für die Rohre (zwei für jede Geometrie) verwendet werden. Hinweis: Alternativ können bestimmte Teile des Setups Lasercut-sein. In diesem Bericht, das Quadrat dickes Rohr mit Lasercut-Platten montiert wurde, während die rechteckige dünne Rohr mit 3D-Druck Platten montiert wurde.</li>
	<li>Erhalten Sie glattes Glas Kapillarrohre der gewünschten Geometrie. Hinweis: In diesem Bericht werden zwei Rohr-Geometrien verwendet: 30 cm langes Rohr des quadratischen Querschnitts-internen Querschnitt 1 x 1 mm und Wandstärke 0,2 mm; 30 cm langes Rohr von rechteckigem Querschnitt-internen Querschnitt 1 mm x 10 mm und Wandstärke 0,7 mm. Das Quadratrohr fortan bezeichnet man als dickes Rohr, während das Vierkantrohr als das dünne Rohr bezeichnet wird.</li>
</ol>2. Montage des experimentellen Aufbaus
<ol><li>Antippen der 3D-Druck Teile<ol>
<li>Tippen Sie die Injektor Post auf beiden Seiten mit einem NPT Tipp 1/8"(0,32 cm) wo die Injektionsnadel und Farbstoff Eingang installiert werden soll. Tippen Sie auf das Reservoir in den Rücken mit einem 10-32 Tipp wo die Drainage Rohr installiert werden soll.</li>
		<li>Tippen Sie auf die vier Schraubenlöcher mit einem 6-32-Tipp auf der Vorderseite des Stausees. Tippen Sie auf die sechseckigen Anschlussstück auf der Ober- und Unterseite mit einem 6-32 tippen.</li>
	</ol></li>
	<li>Bereiten Sie die getappten 3D-gedruckten Teile<ol>
<li>Injektor-post<ol>
<li>Decken Sie die Fäden von einem Stacheldraht Schlauchanschluss mit PTFE Dichtband. Schrauben Sie das vorbereitete Fitting in das hintere Loch der Injektor Post. Schneiden Sie ein 30 cm langes Stück Kunststoffschlauch (Innendurchmesser 3,30 mm). Legen Sie das Rohr auf den Schlauchadapter.</li>
			<li>Die Fäden der Dosiernadel Edelstahl-Abdeckung (Außendurchmesser 0,71 mm) mit PTFE Dichtband. Schrauben Sie aus rostfreiem Stahl Dosiernadel auf das vordere (groß) Loch auf den Injektor-Pfosten.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Reservoir<ol>
<li>Decken Sie die Fäden der einen kleinen Widerhaken Schlauchanschluss mit PTFE Dichtband. Schrauben Sie das vorbereitete Fitting in das hintere Loch des Stausees (kleinere Bohrung).</li>
			<li>Schneiden Sie ein 30 cm langes Stück Kunststoffschlauch (Innendurchmesser 3,30 mm). Legen Sie das Rohr auf den Schlauchadapter. Schließen Sie das andere Ende des Schlauches mit einer kleinen Kappe. Hinweis: Dies wird das Entwässerungssystem für das Reservoir sein.</li>
			<li>Legen Sie ein Kautschuk o-Ring (ölbeständig Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) gebrochene Breite, Dash Nummer 016) in der kreisförmigen Rezession Rohr seitlich des Stausees.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Sechskant-Anschluss<ol>
<li>Decken Sie die Fäden der einen kleinen Widerhaken Schlauchanschluss mit PTFE Dichtband. Die vorbereitete Armatur auf das untere Loch des sechseckigen Steckers aufschrauben.</li>
			<li>Schneiden Sie ein 30 cm langes Stück Kunststoffschlauch (Innendurchmesser 3,30 mm). Legen Sie das Rohr auf den Schlauchadapter.</li>
			<li>Ein Schlauchadapter mit PTFE Dichtband zu decken. Achten Sie darauf, den Schlauchadapter gehen gegen die Fäden zu decken.</li>
			<li>Schneiden Sie ein 4 cm langes Stück Kunststoffschlauch (Innendurchmesser 3,30 mm). Legen Sie das Rohr auf den Schlauchadapter.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Bereiten Sie das Rohr<ol>
<li>Verteilen Sie eine dünne Schicht von RTV-Kautschuk-Dichtstoff 2 mm von jedem Ende des Rohres. Verteilt das Dichtmittel gleichmäßig um die Außenseite des Rohres und achten Sie darauf, nicht die Rohr-Zugang mit der Dichtmasse versperren.</li>
		<li>Montieren Sie das Rohr auf die 3D-gedruckten Teller durch die vorgestanzten Löcher auf den Adaptern 3D-gedruckten Rohr vorsichtig einschieben. Achten Sie darauf, das Rohr in mindestens 2 mm zu schieben, so dass das Dichtmittel auf jeder Seite mit den Platten Kontakte.</li>
		<li>Sorgfältig die Dichtmasse auf den Rand der Platte so verteilt, dass das Rohr in den Ausschnitt versiegelt wird. Warten Sie mindestens 12 h für den Dichtstoff vollständig Vulkanisieren so versiegeln das Rohr auf die Teller.</li>
	</ol></li>
	<li>Messen Sie 0,40 g Fluorescein-Pulver, die Farbstofflösung vorzubereiten. Verdünnen Sie Pulver in 0,50 L destilliertes Wasser auf die gewünschte Farbe (0,80 g/L Konzentration) zu erhalten. Hinweis: Das Diffusionsvermögen von Fluorescein in Wasser wird durch Ausführen geschätzt, dass eine kleinste-Quadrate der analytische Ausdruck für das zweite Moment der Schraubzwinge gemittelten tracerverteilung in der kreisförmigen Haltung Geometrie14 zu experimentellen Passform Messung der gleichen Menge. Die molekularen Diffusionskoeffizienten wird geschätzt, dass κ = 5,7 x 10-6 cm2/s, mit zuvor veröffentlichten Werten des Diffusionsvermögens von Fluorescein in reinem Wasser.</li>
	<li>Montage<ol>
<li>Spritzenpumpe ein setup<ol>
<li>Füllen Sie ein 12 mL kunststoffspritze mit einem Gummikolben mit destilliertem Wasser. Legen Sie eine Abgabe Kunststoffspitze auf die Spritze. Montieren Sie der Spritze auf Spritzenpumpe A. Connect die Spritze um die 30 cm lange Röhre am unteren Rand der sechseckigen Anschluss eingefügt.</li>
			<li>Füllen Sie eine 1 mL kunststoffspritze mit einem Gummikolben mit destilliertem Wasser. Montieren Sie die Spritze auf Spritzenpumpe A. Cut ein 30 cm langes Stück Kunststoffschlauch (Innendurchmesser 3,30 mm). Die 1 mL kunststoffspritze zuordnen. Hinweis: Beide Spritzen mit destilliertem Wasser gefüllt sind auf Spritzenpumpe A. montiert. Da die Pumpe aktiviert ist, wird Wasser aus beiden Spritzen ausgeworfen werden. Die erste zu verwendende ist die 12 mL Spritze, also 1 mL Spritze muss eine Drainage Rohr Wasser verschütten zu vermeiden angeschlossen werden. Dieser Schritt ist nicht erforderlich für dünnes rechteckiges Rohr.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Injektor-Setup<ol>
<li>Füllen Sie eine 3 mL kunststoffspritze mit einem Gummikolben mit Fluorescein-Lösung. Legen Sie eine Abgabe Kunststoffspitze auf die Spritze.</li>
			<li>Befestigen Sie den Schlauch an der Rückseite des Injektors an der Farbstoff Spritze angeschlossen.</li>
			<li>Füllen Sie die Injektor-Post mit die Farbstofflösung durch die Injektion von manuell Farbstoff durch die Spritze während der Tätigkeit als Injektor horizontal (zB. mit der Nadel nach oben und über die Spritze ausgerichtet). Druck auf die Spritze, bis der Injektor vollständig mit Farbstoff ist und keine Luft ist darin gefangen zu halten.</li>
			<li>Montieren Sie die Spritze auf Spritzenpumpe B. Clamp Injektor post an den Rand der laborbank in einer Weise, die es durch das Rohr mit der Spritzenpumpe verbunden erreichbar ist.</li>
			<li>Legen Sie kleine Unterlegscheiben auf vier langen Schrauben (Edelstahl Pan Head Phillips Maschinenschrauben 6-32 Thread, (5,76 cm) Länge 2-1/4"). Schrauben Sie die vier werden in die vier Löcher, die rund um die Nadel. Hinweis: Sicherstellen, dass der Kopf der Schraube ist auf der Rückseite der Injektor Post (auf der gleichen Seite wie das Rohr verbunden mit dem Farbstoff-Spritze).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Sechskant-Anschluss<ol>
<li>Legen Sie zwei O-Ringe (ölbeständig Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) gebrochene Breite Dash Nummer 016) in der kreisförmigen Ausschnitte auf jeder Seite des sechseckigen Connectors.</li>
			<li>Der Injektor-Post zuordnen Sie den sechseckigen Stecker durch Ausrichten der Löcher an den vier Schrauben und darauf einfügen. Achten Sie auf die Seite mit dem größeren Loch mit Blick auf die Injektor-Post. Überprüfen Sie und sicherstellen Sie, dass der o-Ring nicht fehl am Platz, wenn zwischen den beiden Teilen eingeklemmt bewegt.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Rohr<ol>
<li>Stecken Sie einen der Endplatten durch Ausrichten der Löcher an den vier Schrauben und auf sie einfügen das Rohr mit dem sechseckigen Anschluss verbunden. Achten Sie besonders auf die Nadel, die braucht, um das Rohr wie es montiert ist.</li>
			<li>Befestigen Sie die vier langen Schrauben um zusammen den Injektor, der sechseckigen Connector und die Rohr-Adapterplatte Komprimieren von vier 6-32 Edelstahl Muttern am Ende der langen Schrauben befestigen. Stellen Sie sicher, dass die O-Ringe nicht fehl am Platz, wenn zwischen den Teilen eingeklemmt bewegen.</li>
			<li>Legen Sie das entgegengesetzte Ende des Rohres zum Stausee mit vier kurzen Schrauben und Unterlegscheiben (Pan Head Phillips Maschine Edelstahlschrauben 6-32 Gewinde, 1/2"(1,27 cm) Länge). Überprüfen Sie, dass der o-Ring nicht fehl am Platz, wenn zwischen den beiden Teilen komprimiert bewegt.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Klemmen Sie das Reservoir an den Tisch. Stellen Sie sicher, dass das Reservoir mit dem Injektor-Beitrag nicht das Rohr zu biegen ausgerichtet ist.</li>
		<li>Absaugung der Luft: Insert Abgabe Kunststoffspitze in das Rohr an die Spitze des sechseckigen Steckers verbunden. Legen Sie eine 3 mL Spritze auf die Kunststoffspitze. Hinweis: Diese Spritze wird verwendet werden, um eventuelle Luftblasen im System gefangen zu extrahieren.</li>
		<li>Licht und Kamera<ol>
<li>Platz zwei 61 cm lange UV-A Röhre leuchtet auf jeder Seite des experimentellen Aufbaus. Hinweis: Es gibt ein speziell entwickelten Track auf jeder Seite der Injektor und Reservoir. Das Experiment sollte im Dunkeln mit dem UV-A-Schlauch-Licht eingeschaltet ausgeführt werden.</li>
			<li>Legen Sie eine Kamera mit Speicherkarte über den Versuchsaufbau nach unten. Hinweis: Die Kamera sollte mindestens 1 m über dem Rohr positioniert werden. Auf diese Weise wird der Rahmen die gesamte Rohrlänge enthalten. Eine DSLR-Kamera wurde mit einem einstellbaren Brennweite, 24-120 mm-Objektiv verwendet.</li>
			<li>Programmieren Sie die Kamera mit einem Fernauslöser um zu fotografieren alle 1 s mit 5.6f,und Blende, Verschlusszeit 5 und ISO 200.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. Experimental laufen
<ol><li>Setup<ol>
<li>Füllen Sie das Reservoir mit destilliertem Wasser auf ein Niveau leicht über dem Rohr. Füllen Sie durch Drücken auf die Spritzenpumpe Rohr mit destilliertem Wasser. Schalten Sie die UV-A-rohrleuchten und ziehen Sie die Vorhänge.</li>
		<li>Führen Sie die programmierbare Spritzenpumpe A bis das Rohr restliche Farbstoff zu spülen.</li>
		<li>Nehmen Sie ein einziges Referenzbild des Rohres mit reinem destilliertem Wasser gefüllt. Hinweis: Dies ist die Referenz Schuss, die in der Datenverarbeitung verwendet werden Schritte später. Dieses Bild muss in der Dunkelheit unter Bedingungen, die so ähnlich wie möglich um den experimentellen Lauf genommen werden.</li>
		<li>Schalten Sie das Rohr Anschluss an den Injektor Posten an der 1 mL Spritze montiert auf Spritzenpumpe A. Connect 12 mL Spritze zur Entwässerung Röhre (zuvor verbunden mit 1 mL Spritze). Hinweis: Dieser Schritt ist nicht erforderlich für dünnes rechteckiges Rohr.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ausgangszustand<ol>
<li>Einspritzen eines 1 mm dicken Klecks Farbstoff (3 mm Dicke für die dünn Rechteckrohr) in das Rohr durch Ausführen der analogen Spritzenpumpe B. Hinweis: Dieser Schritt schafft den Farbstoff Ausgangszustand. Der Farbstoff injiziert hängt von der Geometrie des Rohres verwendet. Die dünne Schlauch erfordert eine größere Menge des Farbstoffes, weil seine Querschnittsfläche größer ist. Bevor die experimentelle ausführen, wird der Farbstoff, über den Querschnitt zu verbreiten und Injektion einer größeren Menge des Farbstoffes wird sichergestellt, dass es hell genug, um in Fotografien erfasst werden, auch nachdem sie verbreitet hat.</li>
		<li>Programm-Spritzenpumpe A bis destilliertes Wasser auf die sehr langsame Fließgeschwindigkeit des 0,193 mL/h für die dicken Quadratrohr injizieren (die Durchflussmenge beträgt 1,93 mL/h für dünnes rechteckiges Rohr). Führen Sie die Spritzenpumpe für 5 min zu den Bolus des Farbstoffes Fallleitung die Nadel transportiert werden können. Hinweis: Nach 5 min sollte der Farbstoff ca. 1 cm entfernt von der Nadel. Die Zunahme der Durchfluss durch eine Größenordnung für das dünne Rohr ist, weil das Volumen der dünnen Leitung 10 mal das dickes Rohr ist.</li>
		<li>Ziehen Sie die Spritze Farbstoff nach hinten manuell, sicherstellen, dass des Farbstoffs erreicht nicht die Nadel. Hinweis: Dadurch wird sichergestellt, dass gibt es destilliertes Wasser am Ende der Nadel, so dass nicht mehr Farbstoff in das Rohr während des experimentellen Laufs verteilt wird.</li>
		<li>Warten Sie eine Zeit tw > t *d für den Farbstoff Bolus, über den Querschnitt des Rohres zu verbreiten. Hinweis: Die diffusive Zeit t *d = b2/κ hält die charakteristische Länge b halbe lange Cross-Sectional Seite zu sein. Diese Art der Datenverarbeitung der Wartezeit ist verallgemeinerbare an jedem Querschnitt mit einer entsprechenden Auswahl an b. Für unsere repräsentative Ergebnisse war die Wartezeit 15 min für die dicken Quadratrohr und 15 h für dünnes rechteckiges Rohr.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fließen<ol>
<li>Programm Spritzenpumpe A auf die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit von 1,93 mL/h für die dicken Quadratrohr und 19,3 mL/h für dünnes rechteckiges Rohr.</li>
		<li>Starten Sie die Spritzenpumpe und den Fernauslöser an der Kamera zur gleichen Zeit. Führen Sie das Experiment für 5 min, mit einem Abstand zwischen den Bildern von 1 s.</li>
		<li>Schalten Sie das Raumlicht ein und nehmen Sie ein Bild eines Herrschers auf gleicher Höhe wie das Rohr und Parallel dazu gelegt. Hinweis: Dadurch wird die skalenlänge (Pixel/mm) verwendet in der Datenverarbeitung zu bestimmen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Datenverarbeitung
<ol><li>Extrahieren Sie die Speicherkarte aus der Kamera und laden Sie die Daten an einen Computer, wo Bildverarbeitungs-Software verwendet wird, um es zu analysieren.</li>
	<li>MATLAB-Analyse<ol>
<li>Zuerst Subtrahieren der Referenz Bild Schuss (angedockten in Schritt 3.1.3) aus dem ersten experimentellen Bild.</li>
		<li>Beschneiden Sie das Bild an den oberen und unteren Rändern des Rohres. Achten Sie auf das Bild zu drehen, wenn das Rohr nicht mit dem Rahmen ausgerichtet ist.</li>
		<li>Summe der Intensität Lesung des grünen Kanals vertikal in das resultierende Bild. Hinweis: Dies ist proportional zur gesamten Querschnitt Farbstoff Intensität als Funktion der Länge entlang des Rohres.</li>
		<li>Konvertieren Sie die Längeneinheiten von Pixel in mm mithilfe der physikalischen Längenskala aus dem Bild Kalibrierung (siehe Schritt 3.3.3).</li>
		<li>Wiederholen Sie für alle übrigen Bilder. Dies führt zu einer zeitlichen Abfolge von Kurven, die Messung der Konzentration der gesamten Farbstoff entlang der Länge des Rohres.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Nach der Injektion von Farbstoff in das Rohr, wird der Bolus abseits der Injektionsnadel mit einer stetigen Fluss transportiert. Dann ist es notwendig, die lange genug warten, bis der Farbstoff, über den Querschnitt des Kanals zu verbreiten. Auf diese Weise eine gleichmäßige Verteilung der Gauß-wie erhält man und wird als die erste Bedingung für das Experiment dienen. Somit entsteht eine Strömung laminar Hintergrund mit der programmierbare Spritzenpumpe. Die experimentelle ausführen dauert 5 min mit Fotos pro Sekunde.
Die häufigsten Probleme bei der Einrichtung stammen aus der Verbindung der Teile und die Rohre. Die verschiedenen 3D-gedruckten Teile müssen richtig versiegelt werden, wenn verbunden, um auslaufen zu vermeiden. Die Glasröhren sind sehr empfindlich und müssen behandelt und mit Sorgfalt installiert.
Eine Frage, die wir beim Wechsel von der dünnen rechteckiges Rohr zu dick Quadratrohr aufgetreten bezog sich auf die Tatsache, dass das Rohr-Volumen um den Faktor 10 reduziert wurde. Weiterhin die gleichen Querschnitt durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit mit dem montierten 12 mL Spritze, die Kolben-Geschwindigkeit in Spritzenpumpe, die A notwendig haben würde, äußerst gering. Bei dieser programmierten Geschwindigkeit die Kolben-Geschwindigkeit war nicht mehr einheitlich und ein stetigen Strom nicht über die gesamte experimentelle Auflage garantiert werden. Deshalb wechselten wir in eine viel kleinere 1 mL Spritze bei der Arbeit mit den dicken Quadratrohr im Schritt 2.5.1.
Auch, sollte man überprüfen, ob die durchschnittliche Intensität entlang der vertikalen Dimension des Rohres in den Ausgangszustand etwa konstant ist. Wenn dies nicht der Fall ist, eine Filterung Maske muss über alle Frames, um diese Diskrepanz zu berücksichtigen angewendet werden.
Die wenigsten wiederholenden Teil des Experiments ist die Farbstoff-Injektion (und damit die Breite der ersten Verteilung). Wie bereits dargestellt, ist es kein Anliegen für den Abgleich mit der Monte-Carlo-Simulationen, wie der experimentellen Ausgangszustand mit der Analyse des ersten Fotos wiederhergestellt werden kann. Die Injektion von Farbstoff und konsequente manuelle zurückziehen können nicht immer Farbstoff Stecker genau die gleiche Breite erzeugen. Besonderer Sorgfalt muss angewendet werden, bei der Einrichtung des ersten Farbstoff Bolus. Das Experiment wird mehr wiederholbar, da Forscher Erfahrung in diesem Teil des Protokolls gewinnen, aber zukünftige Verbesserungen sicherlich gemacht werden könnte.
Vergleicht man das Setup mit mikrofluidischen Geräten, der einzige Parameter, der in die Gleichung erscheinen, wenn entsprechend nondimensionalized die Péclet Nummer Pe wenn die Tracer ist passiv, ist also die Tracer-Entwicklung abgekoppelt von der Strömung. Dynamische Ähnlichkeit ist implizit in der Übernahme von niedrigen Reynolds (Re << 1) gewährleistet stabile laminare Strömungen u(y,z). Diese beiden Parameter setzen die volle Ähnlichkeit zwischen mikrofluidischen Setups und die Skalen von unserem Experiment. In der Praxis beschränkt die physische Länge des Rohres nur die dimensionslose Zeiten, die wir mit unserem Setup sicher erreichen können. Sehr spät dimensionslose Zeiten könnte die notwendige Länge des Rohres zu lang für eine feste Péclet-Zahl in diesem großen Setup werden.
Eine offensichtliche Einschränkung dieses experimentellen Protokolls ist, dass die gesammelten Daten eine projizierte 2D-Darstellung von 3D-Geometrie wie die Bilder oben stammen auf dem Rohr. Der aktuelle Prozess erlaubt nur die Entwicklung der Schraubzwinge gemittelten Farbstoff Verteilung zu erhalten. Erlangung einer Verteilung definiert an jedem Standort die Röhre nicht auf seine Cross-Sectional Durchschnitt und Vergleich mit theoretischen und numerischen Vorhersagen sind Gegenstand aktueller Forschung.
Alle Teile der Versuchsaufbau haben technische Zeichnungen zum Download bereit, wodurch die Einrichtung leicht zugänglich und von jedem interessierten Forscher anpassbar. Ausgehend von den aktuellen Ergebnissen, wird das gleiche Setup verwendet werden, komplexe und unerforschten Rohr Geometrien sowie verschiedenen Strömungsformen zu studieren.

In den letzten Jahren haben erhebliche Anstrengungen konzentriert auf die Entwicklung von mikrofluidischen und Lab-on-Chip-Geräte, die können die Kosten zu senken und die Produktivität chemische Aufbereitung und Diagnostika für verschiedenste Anwendungen. Eines der wichtigsten Merkmale von mikrofluidischen Geräten ist der Druck-gesteuerte Transport von Flüssigkeiten und gelöste Stoffe durch Mikrokanäle aufgelöst. In diesem Zusammenhang ist es zunehmend wichtig, besser zu verstehen, die kontrollierte Lieferung von gelösten Stoffen an der Microscale geworden. Insbesondere verlangen Anwendungen wie chromatographische Trennung1,2 und mikrofluidischen Flow Injektion Analyse3,4 , verbesserte Steuerung und Verständnis der gelösten Lieferung. Forscher in Mikrofluidik haben untersucht und dokumentiert den Einfluss der Querschnittsform des Senders auf gelösten Verbreitung von5,6,7,8, und die Rolle des Seitenverhältnisses des Senders 9 , 10.
Analytische und numerische Untersuchungen der gelösten Ausbreitung entlang Kanäle haben vor kurzem führen zur Identifizierung der eine Korrelation zwischen der Querschnittsgeometrie Rohr und die Form der Verteilung9,10. Bei frühen Zeitskalen, die Verteilung hängt stark von der Geometrie: rechteckige Rohre Symmetrie fast sofort brechen während elliptische Rohre ihre ursprüngliche Symmetrie viel länger9 behalten. Auf der anderen Seite voran in längeren Zeitskalen, die Asymmetrien in der gelösten Verteilung nicht mehr differenzieren Ellipsen aus Rechtecken, und werden ausschließlich durch die Cross-Sectional Seitenverhältnis λ (Verhältnis von kurz-und Längsseite) festgelegt. In Anbetracht "Rohre" von elliptischen Querschnitten und "Kanäle" rechteckige Querschnitte waren Vorhersagen von numerischen Simulationen und asymptotische Analyse mit Laborexperimenten gebenchmarkt. Dünne Kanäle (Seitenverhältnis << 1) produzieren Solute ankommen mit scharfen Fronten und verjüngenden Schwänzen, während Dicke Kanäle (Seitenverhältnis ~ 1) präsentieren das entgegengesetzte Verhalten10. Dieser robuste Effekt ist relativ unempfindlich gegen die Anfangsbedingungen und kann verwendet werden, um die gelösten Verteilungsprofil benötigt für jede Anwendung auszuwählen.
Das Verhalten der Sortierung dünn gegen Dick Domänen skizzierten geschieht, bevor die klassischen "Taylor Zerstreuung" Regime erreicht ist. Taylor-Dispersion bezieht sich auf die verstärkte Verbreitung von passiven Solute in Laminar-Flow (stabil bei niedrigen Reynolds-Zahl Re) mit einer beworbenen effektive diffusivität, umgekehrt proportional zu der gelöste Stoff Molekulare diffusivität κ11. Diese Erweiterung wird erst nach langen, diffusiven Zeitskalen beobachtet, wenn der gelöste Stoff über den Kanal verbreitet hat. Solchen diffusiven Zeitskala wird durch die charakteristische Längenskala definiert eine der Geometrie als td = ein2/κ. Die Péclet-Zahl ist eine dimensionslose Parameter, der die relative Bedeutung der flüssigen Advektion Verbreitung Auswirkungen misst. Wir definieren diese Parameter in Bezug auf die kürzeste Längenskala als Pe = Ua/κ, wo U die charakteristische Strömungsgeschwindigkeit ist. (Die Reynolds-Zahl kann definiert werden, in Bezug auf die Péclet-Zahl Re Pe κ/ν = wo ν die kinematische Viskosität der Flüssigkeit ist.) Typische Péclet Zahlenwerte für mikrofluidische Anwendungen12 variieren zwischen 10 und 105, mit molekularen Diffusionsfähigkeit reichen von 10-7 bis 10-5 cm2/s. daher angesichts der Strömungsgeschwindigkeiten und Länge Skalen von Interesse, es ist entscheidend für das Verhalten von gelösten Stoffen für Mittelstufe-langen Zeitskalen (bezogen auf den diffusiven Zeitskala), weit über die ersten Beobachtungen von Geometrie-gesteuerte Verhalten und in der Langlauf-Absatz-driven Regime universal für eine große Klasse zu verstehen Geometrien.
Da das Interesse in mikrofluidischen Anwendungen, die Wahl einer großen Skala, den Versuchsaufbau kann zuerst scheinen unnatürlich. Die Experimente berichtete hierin sind die Millimeter-Skala nicht bei Microscale wie in wahre mikrofluidischen Geräten. Jedoch die gleichen physikalischen Verhalten charakterisieren beide Systeme und eine quantitative Untersuchung der relevanten Phänomene kann noch durch die regierenden Gleichungen richtig Skalieren erreicht werden, ebenso wie Modelle von Flugzeugen während des Entwurfs im Windkanal geprüft werden Phase. Insbesondere sorgt die passende relevanten dimensionslose Parameter (z. B. die Péclet-Zahl für unser Experiment) die Anpassungsfähigkeit der experimentellen Modell. Bei solchen größeren Maßstäben bietet und gleichzeitig eine laminare Druck angetrieben Strömung, mehrere Vorteile gegenüber einem traditionellen Microscale-Setup. Insbesondere die erforderlichen Ausrüstungen zur Herstellung, durchführen, und visualisieren die Gegenwart Experimente ist einfacher zu bedienen und kostengünstiger. Darüber hinaus sind weitere gemeinsame Herausforderungen mit Mikrokanälen, wie häufige Verstopfung und verstärkten Einfluss der Fertigungstoleranzen, arbeiten mit dem größeren Setup gemildert. Eine andere mögliche Verwendung für diesen Versuchsaufbau ist für Studien der Residenz Zeitverteilung (FTE) in laminare Strömungen13.
Die Asymmetrien entstehen in der gelösten Verteilung flussabwärts können über seine statistische Momente analysiert werden; insbesondere ist die Schiefe, definiert als das zentriert, normalisierte, dritte Moment der niedrigsten Ordnung integraler Statistik messen die Asymmetrie einer Verteilung. Die Zeichen für die Schiefe gibt in der Regel die Form der Verteilung, dh. Wenn es vorgezogene (negative schiefe) oder hinten geladen (positive Schiefe). Fokussierung auf die Seitenverhältnisse der Kanäle, gibt es eine deutliche Korrelation dünne Geometrien mit vorgezogene Ausschüttungen und dicken Geometrien mit Back-loaded-Distributionen10. Darüber hinaus kann ein kritische Seitenverhältnis trennt diese beiden entgegengesetzten Verhaltensweisen für elliptische Rohre und rechteckige Rohre berechnet werden. Diese Crossover-Seitenverhältnisse sind bemerkenswert ähnlich für Regelgeometrien, insbesondere λ * = 0.49031 für Rohre und λ * = 0.49038 für Rohre, suggestive der Universalität der Theorie10.
Der Versuchsaufbau und die Methode, die in diesem Dokument beschriebenen werden verwendet, um die Verbreitung von einem Druck angetrieben passive gelösten in laminare Strömungen in Glaskapillaren von verschiedenen Querschnitten zu studieren. Die Einfachheit und Reproduzierbarkeit des Experiments definiert eine robuste Methode zur Analyse für die Verbindung zwischen geometrischen Querschnitt des Rohres und die resultierende Form der injizierten gelösten Verteilung zu verstehen, wie es stromabwärts transportiert wird. In dieser Arbeit beschriebene Methode wurde entwickelt, um mathematisch-numerische Ergebnisse im physikalischen Labor leicht zu vergleichen.
Ein einfaches experimentelle Verfahren bezeichnet man die highlights der definitive Rolle einen fluidischen Kanal Querschnitt Seitenverhältnis bei der Festlegung der Form einer gelösten Distribution flussabwärts. Der experimentelle Aufbau erfordert eine programmierbare Spritzenpumpe zu produzieren einen laminaren stetigen Fluss, Glasröhren von verschiedenen Querschnitten zu glätten, eine zweite Spritze Pumpe diffundierende gelösten Stoffes zu injizieren (zB. Fluorescein Farbstoff) in den umliegenden Laminar-Flow und UV-A Licht und einer Kamera, die gelöste Entwicklung aufnehmen. CAD-Dateien sind, sofern für alle benutzerdefinierten Komponenten das Setup und solche Dateien zu 3D-Druck verwendet werden können die experimentellen Teile vor der Montage.

<table><tbody><tr><td>Flourescein Dye</td><td>Flinn Scientific&amp;nbsp;</td><td>LOT: 118362&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp; CAS NO: 518-47-8</td><td></td></tr><tr><td>PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump</td><td>Harvard Apparatus</td><td>703111</td><td>programmable digital syringe pump</td></tr><tr><td>Compact Infusion Pump Model 975</td><td>Harvard Apparatus</td><td>55-1689</td><td></td></tr><tr><td>Form 2 SLA 3D Printer</td><td>Formlabs</td><td>100-240</td><td></td></tr><tr><td>Glass pipes</td><td>VitroCom</td><td>4410 and 8100</td><td></td></tr><tr><td>PTFE sealing tape</td><td>Teflon</td><td>4934A12</td><td></td></tr><tr><td>PVC tubing (1/8&quot; ID)</td><td>McMaster</td><td>5231K144</td><td>5 Foot Length</td></tr><tr><td>Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016&quot; ID, .028&quot; OD, 1/8&quot; NPT Thrd, 2&quot; Lg&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7590A45&amp;nbsp;</td><td>1 Required</td></tr><tr><td>RTV silicone rubber sealant</td><td>McMaster</td><td>74945A69</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A653&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A603&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A651&amp;nbsp;</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Plastic dispensing tip</td><td>McMaster</td><td>6699A1&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>6&quot; C-Clamps</td><td>McMaster</td><td>5133A18</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156&quot; ID, 0.312&quot; OD, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>92141A008&amp;nbsp;</td><td>8 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4&quot; Length, Packs of 50&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A167&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>9452K6&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16&quot; Wide, 7/64&quot; High, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91841A007&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2&quot; Length, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A148&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>24&quot; Black Light Fixture with bulb</td><td>American DJ</td><td>B0002F5544</td><td>2 required</td></tr><tr><td>DSLR camera&amp;nbsp;</td><td>Nikon&amp;nbsp;</td><td>D300</td><td></td></tr><tr><td>24-120 mm lens</td><td>Nikon</td><td>2193</td><td></td></tr><tr><td>Remote programmable trigger</td><td>Nikon</td><td>4917</td><td>remote programmable trigger</td></tr><tr><td>Memory Card</td><td>SanDisk&amp;nbsp;</td><td>SDCFX-032G-E61</td><td></td></tr><tr><td>Metric ruler</td><td>McMaster</td><td>20345A35</td><td></td></tr></tbody></table>

the diffusion of passive tracers in laminar shear flow

Eine einfache Methode, um experimentell beobachten und messen die Dispersion eines passiven Tracers in eine laminare Strömung wird beschrieben. Die Methode besteht darin, erste Injektion Fluoreszenzfarbstoff direkt in ein Rohr mit destilliertem Wasser gefüllt und ermöglicht es, über den Querschnitt des Rohres eine gleichmäßig verteilte Ausgangszustand zu diffundieren. Nach Ablauf dieser Frist wird die laminare Strömung mit eine programmierbare Spritzenpumpe, die Konkurrenz der Advektion und Verbreitung des Tracers durch das Rohr zu beobachten aktiviert. Asymmetrien in der tracerverteilung studierte und Korrelationen zwischen den Rohrquerschnitt und die Form der Verteilung gezeigt: dünne Kanäle (Seitenverhältnis << 1) produzieren Tracer mit scharfen Fronten ankommen und spitz zulaufenden enden ( vorgezogene Ausschüttungen), während Dicke Kanäle (Seitenverhältnis ~ 1) das entgegengesetzte Verhalten (Ausschüttungen zurück geladen präsentieren). Das experimentelle Verfahren gilt für Kapillarrohre der verschiedenen Geometrien und ist besonders relevant für mikrofluidische Anwendungen durch dynamische Ähnlichkeit.

Der experimentelle Aufbau nach Montage in Abbildung 1dargestellt ist. In MATLAB produzierten Bilder zeigen die experimentellen Daten über die verarbeiteten Entwicklung der Konzentrationskurve (Abbildung 2) dimensionslose dreimal. Wir haben überprüft, dass gibt es eine lineare Beziehung zwischen der Tracers Intensität und Konzentration. Die Form der Verteilung ändert sich wie die Zeit vergeht und der Farbstoff-Bolus bewegt flussabwärts. Abbildung 2 zeigt diese Entwicklung bei den dünnen rechteckigen Luftkanal-Geometrie. Die erste Farbstoff-Verteilung ist schmal und symmetrisch (Gauß-wie in Bezug auf die Längsrichtung und fast einheitlich im Querschnitt, Bild 2 Links), aber die Symmetrie bricht fast sofort als Hintergrund Fluss beginnt. Die Verteilung bricht Symmetrie, indem er eine scharfe Front und verjüngt sich lange Endstücke (Abb. 2, Mitte und rechts).
Die experimentellen Ergebnisse werden durch Monte Carlo Simulationen durchgeführt passend die anfänglichen Verteilung und Flow Rate (Abbildung 3) bestätigt. Der angepasste Wert für Farbstoff diffusivität κ wurde in einem unabhängigen Experiment (Schritt 2.4 im Protokoll) bestimmt und verwendet in diesem Vergleich. Monte-Carlo-Methoden werden oft zur Simulation der Evolution von Advektion-Diffusion Probleme im Zusammenhang mit komplexen Geometrien, da die Randbedingungen (homogene Neumann in diesem Fall) einfach Eingabe als Billard wie Reflexion Regeln lassen. Der Ansatz ist zum Beispiel Realisierungen von der gleichwertigen stochastische Differentialgleichung zugrunde liegt die Advektion Diffusionsgleichung in dimensionslose Form:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57205/57205eq1v2.jpg">
wo T(x,y,z,t) ist der tracerverteilung, τ ist die dimensionslose Zeit normalisiert durch tdx ist die longitudinale räumliche Koordinate, y ist die kurze quer Koordinate und z ist die lange quer Koordinate, alles normalisierte von der kurzen Seite ein. Die Strömung u(y,z) ist die laminare stationäre Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit rutschfeste Randbedingungen (keine Strömung an der Wand), angetrieben von einem negativen Druckgradienten. Ein "glockenförmig" Ausgangsdaten in Längsrichtung Rohr mit einer gewünschten Abweichung erzielt werden, indem man nur Diffusion (Pe = 0) und entwickelt sich die Partikel für die gewünschte Zeit entsprechend die Breite des experimentellen Ausgangsdaten9,10 . Diese repräsentative Ergebnisse wurden mit die Flow-Rate-Werte in das Protokoll angegeben, aber wir erwarten, dass die Beladung Phänomene im Allgemeinen für die laminaren Regime10 (Abbildung 3) zu halten.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig1.jpg"> Abbildung 1 : Versuchsaufbau. (A) schematische Darstellung der Versuchsanordnung. Diese Zahl wurde von AminianEt al.modifiziert. 10. (B) Präsentation der tatsächlichen Installation. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig2.jpg"> Abbildung 2 : Schnappschüsse von verarbeiteten Daten zu verschiedenen Zeiten. Obere Reihe: Foto der Farbstoff Konzentration diffundiert entlang der Querschnitt des Rohres normalerweise lange Cross-Sectional Richtung zu erhöhen dimensionslose mal beobachtet. Die vertikale Achse wurde 5 Mal aus Gründen der Übersichtlichkeit skaliert. Unten: Intensität der Färbung Konzentration berechnet entlang der langen Querschnitt Richtung summieren. Der Spitzenwert wird normalisiert. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig3.jpg"> Abbildung 3 : Vergleich der Konzentrationsverteilung zwischen Monte-Carlo-Simulationen und Experimenten. Die Entwicklung der Schraubzwinge gemittelten Farbstoff Konzentration entlang der Längsachse Länge des Rohres wird in zwei Momenten rechtzeitig angezeigt: τ = 0,15 und τ = 0,30. Die gestrichelten Linien sind die Simulationsergebnisse während die durchgezogenen Linien die experimentellen Daten repräsentieren. Oben: Vergleich in der Dicke (Quadrat) Kanal; unten: Vergleich in den dünnen (rechteckig) Kanal. Die Fläche unter jeder Kurve wird normalisiert, um eins zu sein und X = 0 entspricht dem Mittelpunkt der ersten Stecker des Farbstoffes. Diese Zahl wurde von AminianEt al.modifiziert. 10. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ergänzende Datei 1 . Inklusive CAD-Zeichnungen von 3D-Sechskant-Anschluss (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/hex_connector_3D.STL" target="_blank">hex_connector_3D.STL</a>)
Ergänzende Datei 2 . Inklusive CAD-Zeichnungen von 3D Injektor Post (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/injector_post_3D.STL" target="_blank">injector_post_3D.STL</a>)
Ergänzende Datei 3 . Inklusive CAD-Zeichnungen von 3D Reservoir (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/reservoir_3D.STL" target="_blank">reservoir_3D.STL</a>)
Ergänzende Datei 4 . Inklusive CAD-Zeichnungen von 3D dickes Rohr Platten (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/plate_thick_3D.STL" target="_blank">plate_thick_3D.STL</a>)
Ergänzende Datei 5 . Inklusive CAD-Zeichnungen von 3D dünnen Rohr Platten (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/plate_thin_3D.STL" target="_blank">plate_thin_3D.STL</a>)

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The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Ein Protokoll für die Untersuchung der Verbreitung von passiven Tracer laminar Flow Druck angetrieben wird vorgestellt. Das Verfahren ist anwendbar auf verschiedenen Kapillar Rohr-Geometrien.

Die Diffusion von passiven Tracern in laminaren Schubfluss

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

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8.4K Aufrufe.  University of North Carolina at Chapel Hill. Ein Protokoll für die Untersuchung der Verbreitung von passiven Tracer laminar Flow Druck angetrieben wird vorgestellt. Das Verfahren ist anwendbar auf verschiedenen Kapillar Rohr-Geometrien.

Serie: The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

Die konfokale Bildgebung von Enge und Ruhe Fließende Kolloid-Polymer-Mischungen

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Forschung

Chemie

Parallel-plate Flow Chamber and Continuous Flow Circuit to Evaluate Endothelial Progenitor Cells under Laminar Flow Shear Stress

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well quantifiable fluid shear stresses1.
Our flow chamber design and flow circuit (Fig. 1) contains a transparent viewing region that enables testing of cell adhesion and imaging of cell morphology immediately before flow (Fig. 11A, B), at various time points during flow (Fig. 11C), and after flow (Fig. 11D). These experiments are illustrated with human umbilical cord blood-derived endothelial progenitor cells (EPCs) and porcine EPCs2,3.
This method is also applicable to other adherent cell types, e.g. smooth muscle cells (SMCs) or fibroblasts.
The chamber and all parts of the circuit are easily sterilized with steam autoclaving. In contrast to other chambers, e.g. microfluidic chambers, large numbers of cells (&gt; 1 million depending on cell size) can be recovered after the flow experiment under sterile conditions for cell culture or other experiments, e.g. DNA or RNA extraction, or immunohistochemistry (Fig. 11E), or scanning electron microscopy5. The shear stress can be adjusted by varying the flow rate of the perfusate, the fluid viscosity, or the channel height and width. The latter can reduce fluid volume or cell needs while ensuring that one-dimensional flow is maintained. It is not necessary to measure chamber height between experiments, since the chamber height does not depend on the use of gaskets, which greatly increases the ease of multiple experiments. Furthermore, the circuit design easily enables the collection of perfusate samples for analysis and/or quantification of metabolites secreted by cells under fluid shear stress exposure, e.g. nitric oxide (Fig. 12)6.

We are describing a method to subject adherent cells to laminar flow shear stress in a sterile continuous flow circuit. The cells' adhesion, morphology can be studied through the transparent chamber, samples obtained from the circuit for metabolite analysis and cells harvested after shear exposure for future experiments or culture.

Parallel-Platten-Flow-Kammer und Continuous Flow Circuit endothelialen Vorläuferzellen unter Laminar Flow Schubspannung Bewerten

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well ...

Biotechnik

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with nitroxide spin probe 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) as a guest inside the periodic mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL as a host and ethanol as a solvent is used as an example to describe the protocol. Data is shown from a previous publication, where the protocol has been applied to both IPSL and Tris(8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo[1,2-d:4,5-d&#8242;]bis(1,3)dithiole) methyl (Trityl) as guest molecules and UKON1-GEL and SILICA-GEL as host systems. 
A method is shown to prepare aerogel samples that cannot be synthesized directly in the sample tube for measurement due to a size change during synthesis. The aerogel is attached to sample tubes using heat shrink tubing and a pressure cooker to reach the necessary temperature without evaporating the solvent in the process. The method does not assume a clearly defined initial distribution of guest molecules at the start of the measurement. Instead, it requires a reservoir on top of the aerogel and experimentally determines the influx rate during data analysis.
The diffusion is monitored continually over a period of 20 hr by recording the 1d spin density profile within the sample. The spectrometer settings for the imaging experiment are described quantitatively. Data analysis software is provided to take the resonator sensitivity profile into account and to numerically solve the diffusion equation. The software determines the macroscopic translational diffusion coefficient by least square minimization of the difference between the experiment and the numerical solution of the diffusion equation.

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

In Situ Überwachung der Diffusion von Gastmolekülen in porösen Medien Mit Elektronenspintomographie

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Ingenieurwesen

A Permanent Window for Investigating Cancer Metastasis to the Lung

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as the bone, brain, and lung. Although extensively studied, the mechanistic details of this process remain poorly understood. While common imaging modalities, including computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), and magnetic resonance imaging (MRI), offer varying degrees of gross visualization, each lacks the temporal and spatial resolution necessary to detect the dynamics of individual tumor cells. To address this, numerous techniques have been described for intravital imaging of common metastatic sites. Of these sites, the lung has proven especially challenging to access for intravital imaging owing to its delicacy and critical role in sustaining life. Although several approaches have previously been described for single-cell intravital imaging of the intact lung, all involve highly invasive and terminal procedures, limiting the maximum possible imaging duration to 6-12 h. Described here is an improved technique for the permanent implantation of a minimally invasive thoracic optical Window for High-Resolution Imaging of the Lung (WHRIL). Combined with an adapted approach to microcartography, the innovative optical window facilitates serial intravital imaging of the intact lung at single-cell resolution across multiple imaging sessions and spanning multiple weeks. Given the unprecedented duration of time over which imaging data can be gathered, the WHRIL can facilitate the accelerated discovery of the dynamic mechanisms underlying metastatic progression and numerous additional biologic processes within the lung.

Here, we present a protocol for the surgical implantation of a permanently indwelling optical window for the murine thorax, which enables high-resolution, intravital imaging of the lung. The permanence of the window makes it well-suited to the study of dynamic cellular processes in the lung, especially those that are slowly evolving, such as metastatic progression of disseminated tumor cells.

Ein permanentes Fenster zur Untersuchung von Krebsmetastasen in der Lunge

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as ...

Krebsforschung

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analyse von Misch Inhomogenität in einer mikrofluidischen Vorrichtung von Microscale Schlieren Technik

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

Fluorescence Recovery nach der Zusammenführung ein Droplet, um die zweidimensionale Diffusion eines Phospholipidschicht Messen

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

Steuerung der Durchflussgeschwindigkeiten von Mikrotubuli-basierten 3D-Aktivflüssigkeiten mithilfe der Temperatur

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture. This work involves mixing two viscous liquid streams using an in-line static mixer. The mixer is a split-and-recombine design that employs shear and extensional flow to increase the interfacial contact between the components. A prototype split-and-recombine (SAR) mixer was constructed by aligning a series of thin laser-cut Poly (methyl methacrylate) (PMMA) plates held in place in a PVC pipe. Mixing in this device is illustrated in the photograph in Fig. 1. Red dye was added to a portion of the test fluid and used as the minor component being mixed into the major (undyed) component. At the inlet of the mixer, the injected layer of tracer fluid is split into two layers as it flows through the mixing section. On each subsequent mixing section, the number of horizontal layers is duplicated. Ultimately, the single stream of dye is uniformly dispersed throughout the cross section of the device.
 Using a non-Newtonian test fluid of 0.2% Carbopol and a doped tracer fluid of similar composition, mixing in the unit is visualized using magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a very powerful experimental probe of molecular chemical and physical environment as well as sample structure on the length scales from microns to centimeters. This sensitivity has resulted in broad application of these techniques to characterize physical, chemical and/or biological properties of materials ranging from humans to foods to porous media 1, 2. The equipment and conditions used here are suitable for imaging liquids containing substantial amounts of NMR mobile 1H such as ordinary water and organic liquids including oils. Traditionally MRI has utilized super conducting magnets which are not suitable for industrial environments and not portable within a laboratory (Fig. 2). Recent advances in magnet technology have permitted the construction of large volume industrially compatible magnets suitable for imaging process flows. Here, MRI provides spatially resolved component concentrations at different axial locations during the mixing process. This work documents real-time mixing of highly viscous fluids via distributive mixing with an application to personal care products.

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a powerful tool to evaluate the effectiveness of process equipment during operation. We discuss the use of MRI to visualize mixing in a static mixer. The application is relevant to personal care products, but can be applied to a broad range of food, chemical, biomass and biological fluids.

Quantifizierung Mixing mit Magnetic Resonance Imaging

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture.  This work involves mixing two viscous liquid streams using an ...

Biologie

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

Surface Dye Flow Visualisierung: Eine qualitative Methode zur Beobachtung von Stromlinien in Überschallströmungen

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...