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.

1. Preparare le parti per costruire la messa a punto sperimentale
<ol><li>Utilizzare i disegni CAD 3D allegati (formato. STL) 3D-stampa un post iniettore, un serbatoio, un connettore esagonale e due piastre per essere utilizzati come supporti per i tubi (due per ogni geometria). Nota: In alternativa, alcune parti del programma di installazione possono essere tagliato al laser. In questo rapporto, la piazza tubi spessi sono stato montato con piastre tagliate al laser, mentre il rettangolare sottile tubo è stato montato con piastre di stampa 3D.</li>
	<li>Ottenere tubi capillari di vetro liscio della geometria desiderata. Nota: In questo rapporto, vengono utilizzate due geometrie di tubo: 30 cm-lungo tubo di sezione trasversale quadrata-sezione trasversale interna 1 x 1 mm e spessore 0,2 mm; 30 cm di lunghezza tubo di sezione trasversale rettangolare-sezione trasversale interna 1 x 10 mm e spessore 0,7 mm. Il tubo quadrato è d'ora in poi denominato il tubo di spesso, mentre il tubo rettangolare è indicato come il tubo sottile.</li>
</ol>2. Assemblaggio dell'apparato sperimentale
<ol><li>Toccando le parti 3D-stampato<ol>
<li>Toccare il post iniettore su entrambi i lati con un colpetto del NPT 1/8"(0,32 cm) dove verrà installati l'ago per iniezione e tintura di input. Toccare il serbatoio nella parte posteriore con un tocco di 10-32 dove verrà installato il tubo.</li>
		<li>Tocca i quattro fori con un tocco di 6-32 sulla parte anteriore del serbatoio. Toccare il pezzo esagonale connettore sulla parte superiore e inferiore con un tap 6-32.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparare le parti 3D-stampato filettate<ol>
<li>Post di iniettore<ol>
<li>Coprire i thread di un pungente del tubo flessibile raccordo con nastro di tenuta in PTFE. Avvitare il raccordo preparato sul foro posteriore del post iniettore. Tagliare un pezzo di 30 cm di lunghezza della tubazione di plastica (diametro interno 3,30 mm). Inserire il tubo dell'adattatore per tubo flessibile.</li>
			<li>Coprire i filetti dell'ago di erogazione in acciaio inox (diametro esterno 0.71 mm) con nastro di tenuta in PTFE. Avvitare l'ago di erogazione in acciaio inox il foro anteriore (grande) sull'alberino dell'iniettore.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Serbatoio<ol>
<li>Coprire i thread di un piccolo raccordo spinato con nastro di tenuta in PTFE. Avvitare il raccordo preparato sul foro posteriore del serbatoio (foro più piccolo).</li>
			<li>Tagliare un pezzo di 30 cm di lunghezza della tubazione di plastica (diametro interno 3,30 mm). Inserire il tubo al raccordo del tubo flessibile. Chiudere l'altra estremità del tubo con un piccolo berretto. Nota: Questo sarà il sistema di scarico per il serbatoio.</li>
			<li>Posizionare una gomma o-ring (antiolio Buna-N o-ring, 1/16"(0,16 cm) larghezza frazionale, Dash numero 016) nella recessione circolare sul lato tubo del serbatoio.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Connettore esagonale<ol>
<li>Coprire i thread di un piccolo raccordo spinato con nastro di tenuta in PTFE. Avvitare il raccordo preparato sul foro di fondo del connettore esagonale.</li>
			<li>Tagliare un pezzo di 30 cm di lunghezza della tubazione di plastica (diametro interno 3,30 mm). Inserire il tubo dell'adattatore per tubo flessibile.</li>
			<li>Coprire un portagomma con nastro di sigillamento di PTFE. Assicurarsi di coprire il raccordo per andare contro i thread.</li>
			<li>Tagliare un pezzo di 4 cm di lunghezza della tubazione di plastica (diametro interno 3,30 mm). Inserire il tubo dell'adattatore per tubo flessibile.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Preparare il tubo<ol>
<li>Distribuire un sottile strato di sigillante RTV gomma 2mm lontano da ogni estremità del tubo. Stendere il sigillante in modo uniforme intorno alla parte esterna del tubo e assicurarsi di non ostacolare l'accesso di tubo con il sigillante.</li>
		<li>Montare il tubo sulle piastre 3D-stampato inserendo attentamente nei fori pre-tagliati sugli adattatori tubo 3D-stampato. Assicurarsi di spingere il tubo di almeno 2 mm in modo che il sigillante lungo ogni lato a contatto con le piastre.</li>
		<li>Con cura di stendere il sigillante sul bordo del piatto affinché il tubo ottiene sigillato nel foro. Attendere almeno 12 ore per il sigillante a vulcanizzare completamente sigillando il tubo sulle piastre.</li>
	</ol></li>
	<li>Misura 0,40 g di polvere di fluorescina per preparare la soluzione colorante. Diluire la polvere in 0,50 L di acqua distillata per ottenere la concentrazione desiderata di tintura (0,80 g/L di concentrazione). Nota: La diffusività della fluorescina in acqua è stimata eseguendo che un discostamento in forma dell'espressione analitica per il momento d'inerzia della distribuzione media sezione trasversale dell'elemento tracciante nella geometria circolare tubo14 allo sperimentale misurazione della stessa quantità. Il coefficiente di diffusione molecolare è stimato per essere κ = 5.7 x 10-6 cm2/s, coerente con i valori precedentemente pubblicati di diffusività della fluorescina in acqua pura.</li>
	<li>Assemblea<ol>
<li>Pompa a siringa un setup<ol>
<li>Riempire una siringa di plastica 12 mL con uno stantuffo di gomma con acqua distillata. Inserire un puntale di plastica sulla siringa. Montare la siringa nella pompa a siringa A. Collegare la siringa al 30 cm di lunghezza tubo inserito nella parte inferiore del connettore esagonale.</li>
			<li>Riempire una siringa di plastica da 1 mL con uno stantuffo di gomma con acqua distillata. Montare la siringa nella pompa a siringa r. Cut un pezzo di 30 cm di lunghezza della tubazione di plastica (diametro interno 3,30 mm). Allegare alla siringa di plastica da 1 mL. Nota: Entrambi siringhe riempite con acqua distillata sono montati sulla pompa a siringa A. Come la pompa viene attivata, verrà espulso acqua da entrambi siringhe. Il primo da utilizzare è la siringa di 12 mL, così la siringa da 1 mL deve essere collegato a un tubo di drenaggio per evitare fuoriuscite di acqua. Questo passaggio non è necessario per il tubo rettangolare sottile.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Installazione di iniettore<ol>
<li>Riempire una siringa di plastica da 3 mL con uno stantuffo di gomma con la soluzione di fluorescina. Inserire un puntale di plastica sulla siringa.</li>
			<li>Fissare il tubo collegato alla parte posteriore dell'iniettore alla siringa di tintura.</li>
			<li>Occupare il posto di iniettore con la soluzione colorante manualmente iniettando colorante tramite la siringa mentre si tiene il post iniettore orizzontale (cioè. con l'ago orientato verso l'alto e sopra la siringa). Continuare a spingere sulla siringa fino a quando l'iniettore è completamente pieno di colorante e aria condizionata non è intrappolato all'interno.</li>
			<li>Montare la siringa nella pompa a siringa B. Clamp l'iniettore posto al bordo del banco di laboratorio in un modo che è raggiungibile con il tubo collegato alla pompa a siringa.</li>
			<li>Inserire le rondelle più piccole su quattro viti lunghe (Pan testa Phillips macchina viti inox 6-32 Thread, 2-1/4"(5,76 cm) di lunghezza). Inserire le quattro viti nei quattro fori che circondano l'ago. Nota: Assicurarsi che la testa della vite si trova sul retro del post iniettore (sullo stesso lato come il tubo collegato alla siringa di tintura).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Connettore esagonale<ol>
<li>Posizionare due O-ring (antiolio Buna-N o-ring, 1/16"(0,16 cm) larghezza frazionale, Dash numero 016) nei ritagli circolari su ciascun lato del connettore esagonale.</li>
			<li>Collegare il connettore esagonale al post iniettore allineando i fori per le quattro viti e inserendola su di loro. Assicurarsi di avere il lato con il foro più grande rivolto il post di iniettore. Controllare e assicurarsi che l'o-ring non si muove fuori luogo quando bloccato tra le due parti.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Tubo<ol>
<li>Collegare una delle estremità-piastre collegate al tubo al connettore esagonale allineando i fori per le quattro viti e infilarlo nei loro. Prestare particolare attenzione all'ago che deve entrare nel tubo, come esso è stato montato.</li>
			<li>Serrare le quattro viti lunghe per comprimere insieme l'iniettore, il connettore esagonale e la piastra adattatore tubo collegando quattro dadi in acciaio inox di 6-32 fino alla fine dei bulloni lunghi. Assicurarsi che le guarnizioni non si muovono fuori luogo quando bloccato tra le parti.</li>
			<li>Collegare l'altra estremità del tubo al serbatoio mediante quattro viti corte e le rondelle (filo inox viti macchina Phillips testa piatta 6-32, 1/2"(1,27 cm) lunghezza). Controllare che l'o-ring non si muova fuori luogo quando compressa tra le due parti.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Fissare il serbatoio al tavolo. Assicurarsi che il serbatoio sia allineato con il post di iniettore a non piegare il tubo.</li>
		<li>Sistema di estrazione dell'aria: Inserisci una punta applicatrice plastica nel tubo collegata alla parte superiore del connettore esagonale. Collegare una siringa da 3 mL per la punta di plastica. Nota: Questa siringa verrà essere utilizzata per estrarre eventuali bolle d'aria intrappolate nel sistema.</li>
		<li>Luci e fotocamera<ol>
<li>Posto due 61 cm-lungo UV-A tubo luci su ogni lato del setup sperimentale. Nota: C'è una pista appositamente su ogni lato del serbatoio sia iniettore. L'esperimento deve essere eseguito nel buio con accendere le luci del tubo UV-A.</li>
			<li>Inserire una fotocamera con scheda di memoria sopra la messa a punto sperimentale rivolto verso il basso. Nota: La fotocamera dovrebbe essere posizionata ad almeno 1 m sopra il tubo. In questo modo, la struttura comprenderà l'intera lunghezza del tubo. Una fotocamera DSLR è stata utilizzata con una lente di lunghezza focale regolabile, 24-120 mm.</li>
			<li>Programmare la videocamera utilizzando un innesco a distanza per scattare foto ogni 1 s con diaframma 5.6, velocità dell'otturatore 5 e ISO 200.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. Sperimentale di eseguire
<ol><li>Programma di installazione<ol>
<li>Riempire il serbatoio con acqua distillata ad un livello leggermente di sopra del tubo. Riempire il tubo con acqua distillata premendo sulla pompa a siringa. Accendere le luci UV-A tubo e tirare le tende oscuranti.</li>
		<li>Eseguire la pompa a siringa programmabile A per spurgare la tubazione di qualsiasi colorante residuo.</li>
		<li>Prendere una sola immagine di riferimento del tubo riempito con acqua distillata pura. Nota: Questo è il riferimento colpo che verrà utilizzato nell'elaborazione dei dati fa un passo più avanti. Questa immagine deve essere presa al buio in condizioni quanto più possibile simile all'esecuzione sperimentale.</li>
		<li>Passare il tubo di collegamento al post iniettore per la siringa da 1 mL montata su pompa a siringa A. Collegare la siringa 12 mL per il tubo (precedentemente collegato alla siringa da 1 mL). Nota: Questo passaggio non è necessario per il tubo rettangolare sottile.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Condizione iniziale<ol>
<li>Iniettare una cucchiaiata di spessore mm 1 di tintura (3 mm di spessore per il sottile tubo rettangolare) nel tubo eseguendo la pompa a siringa analogico B. Nota: Questo passaggio crea la condizione iniziale di colorante. La quantità di colorante iniettato dipende dalla geometria del tubo utilizzato. Il tubo sottile richiede una maggiore quantità di colorante, poiché l'area della sezione trasversale è maggiore. Prima di eseguire la sperimentale, la tintura dovrà diffuso attraverso la sezione trasversale e iniettare una maggiore quantità di colorante assicura che sarà abbastanza brillante da essere catturato nelle fotografie, anche dopo che è diffusa.</li>
		<li>Pompa a siringa programma A per iniettare acqua distillata al tasso molto lento flusso di 0,193 mL/h per lo spesso tubo quadrato (la portata è 1,93 mL/h per il tubo rettangolare sottile). Eseguire la pompa a siringa per 5 min consentire il bolo di colorante per essere trasportati giù il tubo dall'ago. Nota: Dopo 5 min, il colorante dovrebbe essere circa 1 cm di distanza l'ago. L'aumento della portata di un ordine di grandezza per il tubo sottile è perché il volume del tubo sottile è 10 volte quella del tubo spesso.</li>
		<li>Tirare all'indietro manualmente la siringa di tintura, assicurandosi che il colorante non raggiunge l'ago. Nota: Questo garantisce che non vi è distillato acqua all'estremità dell'ago, in modo che non più colorante sarà dispersa nel tubo durante l'esecuzione sperimentale.</li>
		<li>Attendere per un tempo tw > t *d per il bolo di tintura diffondere in tutta la sezione trasversale del tubo. Nota: Il tempo diffusivo t *d = b2/κ considera la lunghezza caratteristica b a metà il lato lungo della sezione trasversale. Questo modo di calcolo il tempo di attesa è generalizzabile a qualsiasi sezione trasversale con una scelta appropriata di b. Per i nostri risultati rappresentativi, il tempo di attesa era 15 min per il tubo quadrato spesso e 15 h per il tubo rettangolare sottile.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Flusso<ol>
<li>Pompa di siringa programma alla portata desiderata di 1,93 mL/h per il tubo quadrato spessa e 19,3 mL/h per il tubo rettangolare sottile.</li>
		<li>Allo stesso tempo, avviare la pompa a siringa e l'innesco a distanza sulla fotocamera. Eseguire l'esperimento per 5 min, con un intervallo tra le immagini di 1 s.</li>
		<li>Accendere le luci della camera e prendere un'immagine di un righello posizionato alla stessa altezza come il tubo e parallelo ad esso. Nota: Questo vi aiuterà a determinare la scala di lunghezza (pixel/mm) utilizzata nel trattamento dei dati.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. elaborazione dei dati
<ol><li>Estrarre la scheda di memoria dalla fotocamera e scaricare i dati a un computer in cui verrà utilizzato software di elaborazione immagine di analizzarlo.</li>
	<li>Analisi MATLAB<ol>
<li>In primo luogo sottrarre il colpo di immagine di riferimento (ancorata nel punto 3.1.3) dalla prima immagine sperimentale.</li>
		<li>Ritagliare l'immagine lungo i bordi superiori e inferiori del tubo. Assicurati di ruotare l'immagine se il tubo non è allineato con il telaio.</li>
		<li>Somma la lettura di intensità del canale verde verticale nell'immagine risultante. Nota: Questa è proporzionale all'intensità di tintura a sezione trasversale totale in funzione della lunghezza lungo il tubo.</li>
		<li>Convertire le unità di lunghezza da pixel in mm utilizzando la scala di lunghezza fisica dall'immagine di calibrazione (Vedi punto 3.3.3).</li>
		<li>Ripetere per tutte le restanti immagini. Ciò provoca una sequenza temporale delle curve misura la concentrazione di colorante totale lungo la lunghezza del tubo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Dutta, D., Leighton, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+in+Large+Aspect+Ratio+Microchannels+for+Open-Channel+Liquid+Chromatography.">Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography.</a> Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).</li><li>Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Hydrodynamic+Chromatography+Separation+and+Detection+on+Nanoparticles+and+Biomolecules.">On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules.</a> Anal. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

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.

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.

<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

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.

La messa a punto sperimentale dopo l'assemblaggio è illustrato nella Figura 1. Immagini prodotte in MATLAB Visualizza i dati sperimentali sopra l'evoluzione trasformato della curva concentrazione (Figura 2) per tre volte non-dimensionale. Abbiamo verificato che esiste una relazione lineare tra il tracer intensità e concentrazione. La forma delle modifiche distribuzione come passa il tempo e il bolo di tintura si muove a valle. La figura 2 Mostra tale evoluzione nel caso la geometria sottile canale rettangolare. La distribuzione iniziale della tintura è stretta e simmetrica (Gaussian-come rispetto alla direzione longitudinale e quasi uniforme in sezione trasversale, Figura 2 a sinistra), ma la simmetria è rotta quasi subito come l'avvio del flusso di sfondo. La distribuzione si rompe la simmetria presentando un fronte forte e affusolate lunghe code (Figura 2, centrale e destro).
I risultati sperimentali sono confermati dalle simulazioni Monte Carlo eseguite in corrispondenza il tasso iniziale di distribuzione e il flusso (Figura 3). Il valore componibile per il colorante diffusività κ è stato determinato in un esperimento indipendente (passaggio 2.4 nel protocollo) e utilizzato in questo confronto. Metodi Monte Carlo sono spesso utilizzati per simulare l'evoluzione dei problemi di avvezione-diffusione che coinvolgono geometrie complesse come le condizioni al contorno (omogeneo Neumann in questo caso) può essere semplicemente l'input come biliardo come regole di riflessione. L'approccio è quello di realizzazioni di campione dell'equazione differenziale stocastica equivalente l'equazione di avvezione-diffusione in forma privi di fondo:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57205/57205eq1v2.jpg">
dove T(x,y,z,t) è la distribuzione dell'elemento tracciante, τ è il tempo di stampa normalizzato di td, x è la coordinata spaziale longitudinale, y è la coordinata trasversa corta e z è la coordinata lungo trasversa, tutto normalizzata dal lato corto una. Il u(y,z) di flusso del fluido è la soluzione di stazionario laminare per le equazioni di Navier-Stokes con condizioni al contorno antiscivolo (nessun flusso alla parete), guidato da un gradiente di pressione negativa. Un gaussiani dati iniziali in direzione longitudinale del tubo con una varianza desiderata possono essere ottenuti prendendo in considerazione solo diffusione (Pe = 0) e in continua evoluzione le particelle per il tempo desiderato in base alla larghezza dei dati sperimentali iniziali9,10 . Questi risultati rappresentativi sono stati ottenuti utilizzando i valori di portata indicati nel protocollo, tuttavia ci aspettiamo che i caricamento fenomeni osservati per tenere in generale per il regime laminare10 (Figura 3).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig1.jpg"> Figura 1 : Messa a punto sperimentale. (A) diagramma del setup sperimentale. Questa figura è stata modificata da Aminianet al. 10. (B) presentazione dell'installazione effettiva. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig2.jpg"> Figura 2 : Istantanee dei dati trattati in diversi momenti. Riga superiore: foto della concentrazione della tintura diffuso lungo la sezione trasversale del tubo osservata normalmente alla direzione lungo trasversale ad aumentare non-dimensionale volte. L'asse verticale è stata ridotta di 5 volte per motivi di chiarezza. Fondo: intensità della concentrazione della tintura calcolato sommando lungo la direzione trasversale lungo. Il valore di picco è normalizzato. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig3.jpg"> Figura 3 : Confronto tra la distribuzione della concentrazione tra esperimenti e simulazioni Monte Carlo. L'evoluzione della concentrazione tintura sezione trasversale media lungo la lunghezza longitudinale del tubo è mostrato alle due istanti nel tempo: τ = 0,15 e τ = 0.30. Le linee tratteggiate sono i risultati della simulazione, mentre le linee continue rappresentano i dati sperimentali. Top: confronto nel canale di spessore (quadrato); fondo: confronto nel sottile canale (rettangolare). L'area sotto ogni curva è normalizzato per essere uno e x = 0 corrisponde al centro della spina iniziale della tintura. Questa figura è stata modificata da Aminianet al. 10. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig3large.jpg" target="_blank">per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
File supplementari 1 . Inclusi i disegni CAD dei 3Connettore esagonale D (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/hex_connector_3D.STL" target="_blank">hex_connector_3D.STL</a>)
File supplementari 2 . Inclusi i disegni CAD dei 3D iniettore Post (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/injector_post_3D.STL" target="_blank">injector_post_3D.STL</a>)
File supplementari 3 . Inclusi i disegni CAD dei serbatoio 3D (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/reservoir_3D.STL" target="_blank">reservoir_3D.STL</a>)
File supplementari 4 . Inclusi i disegni CAD dei Piastre di tubo spessore 3D (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/plate_thick_3D.STL" target="_blank">plate_thick_3D.STL</a>)
File supplementari 5 . Inclusi i disegni CAD dei Tubo lamelle 3D (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/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

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.

La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear

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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Cell Membrane Structure and Functions

Shearing Stresses in Beams and Thin-Walled Members

Open Channel Flow

SCIENTISTS IN ACTION

8.4K Views.  University of North Carolina at Chapel Hill. 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.

Video: 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.

Imaging confocale di confinati riposo e fluenti miscele colloidali e polimeri

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

Ricerca

Chimica

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.

Piatti paralleli Camera Flow e circuito a flusso continuo per valutare le cellule progenitrici endoteliali sotto sforzo di taglio a flusso laminare

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 ...

Bioingegneria

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 Monitoraggio della diffusione di Guest Molecole in mezzi porosi Utilizzando paramagnetica elettronica Risonanza

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.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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

Ingegneria

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.

Una finestra permanente per indagare sulle metastasi del cancro al polmone

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

Ricerca sul cancro

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.

Analizzando disomogeneità Mescolando in un dispositivo a microfluidi da Tecnica microscala Schlieren

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.

Recupero della fluorescenza dopo Fusione di una Droplet misurare la diffusione bidimensionale di un fosfolipide monostrato

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.

Controllo delle velocità di flusso dei fluidi attivi 3D basati su microtubuli utilizzando la temperatura

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.

Quantificare miscelazione con risonanza magnetica

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 ...

Biologia

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

Visualizzazione del flusso di colorante superficiale: un metodo qualitativo per osservare le linee di flusso nel flusso supersonico

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