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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Reconhecemos que o financiamento do escritório de pesquisa Naval (grant DURIP N00014-12-1-0749) e o National Science Foundation (subvenções RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 e DMS-1517879). Além disso, reconhecemos o trabalho de Sarah C. Burnett que ajudou a desenvolver uma versão inicial da instalação experimental e protocolo.

1. Preparar as peças para construir a instalação experimental
<ol><li>Utilizam os desenhos CAD 3D anexados (formato. STL) para impressão 3D, um post do injector, um reservatório, um conector hexagonal e duas placas para ser usado como montagens para os tubos (dois para cada geometria). Nota: Como alternativa, determinadas partes da instalação podem ser cortado a laser. Neste relatório, a Praça tubo grosso tem sido montado com placas de corte a laser, enquanto o Retangular fino tubo tem sido montado com placas 3D-impresso.</li>
	<li>Obter tubos capilares de vidro liso da geometria desejada. Nota: Neste relatório, duas geometrias de tubulação são usadas: 30 cm de comprimento tubo de secção quadrada-secção transversal interna 1 x 1 mm e espessura de parede 0,2 mm; 30 cm de comprimento tubo de secção rectangular-secção transversal interna 1 x 10 mm e espessura de parede 0,7 mm. A tubulação quadrada é daqui em diante referida como o tubo grosso, Considerando que o tubo retangular é referido como o fino tubo.</li>
</ol>2. Montagem da instalação experimental
<ol><li>Tocando as partes 3D-impresso<ol>
<li>Toque o post do injector em ambos os lados com um toque NPT 1/8"(0,32 cm) onde a agulha de injeção e tintura de entrada serão instalados. Bata o reservatório na parte de trás com uma torneira de 10-32, onde será instalado o tubo de drenagem.</li>
		<li>Bata os quatro furos com uma torneira 6-32 na frente do reservatório. Toque a peça de ligação hexagonal na parte superior e inferior com uma torneira 6-32.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparar as partes 3D-impresso viradas<ol>
<li>Post do injector<ol>
<li>Cobrir os threads de um encaixe com PTFE, fita de vedação de mangueira arame farpado. Aparafuse o encaixe preparado o orifício traseiro do post do injector. Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.</li>
			<li>Cobrir os segmentos da agulha aplicadora aço inoxidável (diâmetro externo 0,71 mm) com fita de vedação de PTFE. Dane-se a agulha aplicadora de aço inoxidável no furo dianteiro (grande) na trave do injector.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Reservatório<ol>
<li>Cobrir os fios de uma pequena mangueira farpado montagem com fita de vedação de PTFE. Aparafuse o encaixe preparado o orifício traseiro do reservatório (orifício menor).</li>
			<li>Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Inserir o tubo sobre o adaptador de mangueira. Feche a outra extremidade do tubo com uma pequena tampa. Nota: Este será o sistema de drenagem para o reservatório.</li>
			<li>Coloque uma borracha o-Ring (óleo-resistente Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) largura fracionária, Dash número 016) na recessão circular do lado da tubulação do reservatório.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Conector sextavado<ol>
<li>Cobrir os fios de uma pequena mangueira farpado montagem com fita de vedação de PTFE. Aparafuse o encaixe preparado o furo inferior do conector hexagonal.</li>
			<li>Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.</li>
			<li>Cobrir um adaptador de mangueira com fita de vedação de PTFE. Certifique-se de cobrir o adaptador de mangueira, indo contra os fios.</li>
			<li>Corte um pedaço de cm de comprimento 4 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Preparar o tubo<ol>
<li>Distribua uma camada fina de vedante de borracha RTV 2 mm de cada extremidade do tubo. Espalhe o vedador uniformemente ao redor do exterior do tubo e certifique-se de não obstruir o acesso do tubo com o selante.</li>
		<li>Monte o tubo nas chapas de impressão 3D, inserindo-o cuidadosamente nos orifícios pré-cortados os adaptadores de tubulação 3D-impresso. Certifique-se de empurrar o tubo pelo menos 2 mm, para que o vedador ao longo de cada lado em contacto com as placas.</li>
		<li>Cuidadosamente espalhe o vedador para a borda da placa para que o tubo fica selado para o recorte. Espere pelo menos 12 h para o selante vulcanizar totalmente assim selando a tubulação nas chapas de.</li>
	</ol></li>
	<li>Medida 0,40 g de pó de fluoresceína para preparar a solução de corante. Dilua o pó em 0,50 L de água destilada para obter a concentração desejada de tintura (concentração de 0,80 g/L). Nota: A difusividade de fluoresceína na água é estimada através da realização de que um mínimos quadrados cabem da expressão analítica para o segundo momento da distribuição do traçador transversalmente em média no tubo circular geometria14 para o experimental medição da mesma quantidade. O coeficiente de difusão molecular é estimado em κ = 5,7 x 10-6 cm2/s, consistente com os valores publicados anteriormente de difusividade de fluoresceína em água pura.</li>
	<li>Montagem<ol>
<li>Uma instalação de bomba de seringa<ol>
<li>Encha uma seringa de plástico de 12 mL com um êmbolo de borracha com água destilada. Inserir uma ponta aplicadora plástica para a seringa. Monte a seringa para bomba seringa r. Connect a seringa ao tubo de 30 cm de comprimento, inserido na parte inferior do conector hexagonal.</li>
			<li>Encha uma seringa de 1 mL plástico com um êmbolo de borracha com água destilada. Montar a seringa para bomba seringa r. corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubo plástico (diâmetro interno 3,30 mm). Anexá-lo para a seringa de plástico de 1 mL. Nota: As duas seringas cheias com água destilada são montadas em bomba de seringa A. Como a bomba é activada, água será ejetada de ambas as seringas. O primeiro a ser usado é a seringa de 12 mL, para a seringa de 1 mL precisa ser conectado a um tubo de drenagem para evitar derramamentos de água. Este passo não é necessário para o fino tubo retangular.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Instalação do injector<ol>
<li>Encha uma seringa de plástico de 3 mL com um êmbolo de borracha com a solução de fluoresceína. Inserir uma ponta aplicadora plástica para a seringa.</li>
			<li>Fixe o tubo conectado à parte traseira do injector para a seringa de tintura.</li>
			<li>Preencher o cargo de injector com a solução de corante por manualmente injetando contraste através da seringa, mantendo o post do injector horizontalmente (i. e. com a agulha orientada para cima e acima da seringa). Continua a abusar na seringa até que o injetor está completamente cheio de tintura e sem ar está preso lá dentro.</li>
			<li>Monte a seringa sobre a bomba de seringa B. Clamp o injector postar à borda da mesa de laboratório de uma forma que é acessível pelo tubo conectado à bomba de seringa.</li>
			<li>Inserir pequenas arruelas em quatro parafusos longos (fio de aço inoxidável Pan cabeça máquina parafusos Phillips 6-32, 2-1/4"(5,76 cm) de comprimento). Insira os quatro parafusos nos quatro buracos ao redor da agulha. Nota: Certifique-se que a cabeça do parafuso é na parte de trás do post do injector (do mesmo lado como o tubo conectado à seringa de tintura).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Conector sextavado<ol>
<li>Coloque dois O-Rings (óleo-resistente Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) largura fracionária, Dash número 016) nos recortes circulares em cada lado do conector do hexagonal.</li>
			<li>Encaixe o conector do hexagonal para o posto de injector alinhando os orifícios para os quatro parafusos e inseri-lo nelas. Certifique-se de ter o lado com o furo maior, enfrentando o post do injector. Verifique e certifique-se de que o-ring não se move fora do lugar quando pinçada entre as duas partes.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Tubulação de<ol>
<li>Anexe uma das placas-final conectadas à tubulação ao conector sextavado alinhando os orifícios para os quatro parafusos e inseri-lo em direção a eles. Preste muita atenção para a agulha que precisa inserir o tubo como ela está sendo montada.</li>
			<li>Fixe os quatro parafusos longos para comprimir juntos o injector, o hexagonal conector e a placa de adaptador de tubo, anexando quatro porcas de aço inoxidável de 6-32 até o fim dos parafusos longos. Certifique-se de que os anéis não se move fora do lugar quando pinçada entre as partes.</li>
			<li>Conecte a extremidade oposta do tubo ao reservatório usando quatro parafusos curtos e arruelas (fio de aço inoxidável Pan cabeça máquina parafusos Phillips 6-32, 1/2"(1,27 cm) comprimento). Verifica que o-ring não se move fora do lugar quando comprimido entre as duas partes.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Fixe o reservatório para a mesa. Certifique-se que o reservatório está alinhado com o post do injector para não dobrar o tubo.</li>
		<li>Sistema de extração de ar: inserir uma ponta aplicadora plástica no tubo conectada à parte superior do conector hexagonal. Anexe uma seringa de 3 mL para a ponta de plástico. Nota: Esta seringa será usada para extrair quaisquer bolhas de ar aprisionadas no sistema.</li>
		<li>Luzes e câmera<ol>
<li>Coloque dois 61 cm de comprimento o tubo de raios UV-A luzes em cada lado da instalação experimental. Nota: Há uma faixa projetada especificamente em cada lado do injector e do reservatório. O experimento deve ser executado no escuro com as luzes do tubo de UV-A ligada.</li>
			<li>Coloque uma câmera com cartão de memória acima da instalação experimental voltada para baixo. Nota: A câmera deve ser posicionada a pelo menos 1m acima do tubo. Desta forma, o quadro irá incluir o comprimento do tubo inteiro. Uma câmera DSLR foi usada com uma lente de distância focal ajustável, 24-120mm.</li>
			<li>Programar a câmera usando um disparador remoto para tirar fotos a cada 1 s com abertura 5.6f, velocidade do obturador 5 e ISO 200.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. Experimental de executar
<ol><li>Instalação<ol>
<li>Encha o reservatório com água destilada para um nível um pouco acima do tubo. Encha o cachimbo com água destilada, empurrando a bomba de seringa. Acende a luz do tubo de UV-A e puxe as cortinas blackout.</li>
		<li>Funcionar a bomba de seringa programável A para liberar o tubo de qualquer corante residual.</li>
		<li>Pegue uma imagem de referência do tubo preenchido com água destilada pura. Nota: Esta é a referência de tiro que será usado no processamento dados passos mais tarde. Esta foto deve ser tomado na obscuridade em condições mais semelhantes possível para a executar experimental.</li>
		<li>Trocar o tubo que liga o post do injector na seringa de 1 mL, montado na bomba de seringa r. Connect a seringa de 12 mL para o tubo de drenagem (anteriormente ligado a seringa de 1 mL). Nota: Este passo não é necessário para o fino tubo retangular.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Condição inicial<ol>
<li>Injetar um montão de mm-espessura 1 de corante (3 mm de espessura para o tubo retangular fino) na tubulação, executando a bomba de seringa analógico B. Nota: Este passo cria a condição inicial do corante. A quantidade de corante injetado depende da geometria do tubo utilizado. O tubo fino requer uma quantidade maior de corante porque sua área de seção transversal é maior. Antes de executa o experimental, o corante terá que difundir em toda a seção transversal e injetar uma quantidade maior de corante garante que vai ser brilhante o suficiente para ser capturado em fotografias, mesmo depois que foi difundida.</li>
		<li>Bomba de seringa do programa A injetar água destilada para a taxa de fluxo muito lento de 0,193 mL/h para a tubulação quadrada grossa (a taxa de fluxo é 1,93 mL/h para o fino tubo retangular). Funcionar a bomba de seringa por 5 min permitir que o bólus de corante a ser transportados para baixo a tubulação longe a agulha. Nota: Após 5 min, o corante deve ser aproximadamente 1 cm de distância da agulha. O aumento da taxa de fluxo por uma ordem de magnitude para o tubo fino é porque o volume do tubo fino é 10 vezes maior que do tubo grosso.</li>
		<li>Puxe a seringa de tintura para trás manualmente, certificando-se que o corante não alcança a agulha. Nota: Isto irá garantir que haja água destilada água na extremidade da agulha para que não mais tintura será dispersa na tubulação durante a execução experimental.</li>
		<li>Esperar por um tempo tw > t *d para o bólus de corante difunda em toda a seção transversal do tubo. Nota: O tempo difusiva t *d = b2/κ considera o comprimento característico b metade o lado longo transversal. Esta forma de computação o tempo de espera é generalizável a qualquer secção transversal com uma escolha apropriada de b. Para nossos resultados representativos, o tempo de espera foi 15 min para a tubulação quadrada grossa e 15h para o fino tubo retangular.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fluxo<ol>
<li>Bomba de seringa de programa A para a taxa de fluxo desejada de 1,93 mL/h para a tubulação quadrada grossa e 19,3 mL/h para o fino tubo retangular.</li>
		<li>Começa a bomba de seringa e o controle remoto da câmera ao mesmo tempo. Executar o experimento por 5 min, com um intervalo entre fotos de 1 s.</li>
		<li>Ligar as luzes da sala e pegue uma imagem de uma régua colocada à mesma altura como a tubulação e a paralela a ela. Nota: Isto ajudará a determinar a escala de comprimento (pixels/mm) usada no processamento de dados.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. processamento de dados
<ol><li>Extrato do cartão de memória da câmera e baixar os dados para um computador onde será usada software de processamento de imagem para analisá-lo.</li>
	<li>Análise MATLAB<ol>
<li>Primeiro subtrai o tiro de imagem de referência (bati no passo 3.1.3) da primeira imagem experimental.</li>
		<li>Recorte a imagem ao longo das bordas superiores e inferiores do tubo. Certifique-se de girar a imagem, se o tubo não está alinhado com a moldura.</li>
		<li>A leitura de intensidade do canal verde verticalmente na imagem resultante de soma. Nota: Este é proporcional à intensidade do corante transversal total em função do comprimento ao longo do tubo.</li>
		<li>Converter as unidades de comprimento de pixels mm, usando a escala de comprimento físico da imagem de calibração (ver passo 3.3.3).</li>
		<li>Repita para todas as restantes imagens. Isso resulta em uma sequência de tempo das curvas de medição da concentração de corante total ao longo do comprimento do 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. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).</li><li>Betteridge, D., Fields, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+of+pH+Gradients+in+Flow-Injection+Analysis+and+Their+Potential+Use+for+Multielement+Analysis+in+a+Single+Sample+Bolus.">Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus.</a> Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).</li><li>Trojanowicz, M., Ko&#322;acin&#769;ska, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+flow+injection+analysis.">Recent advances in flow injection analysis.</a> Analyst. 141, 2085-2139 (2016).</li><li>Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. 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Os autores não têm nada para divulgar.

Após injetar corante na tubulação, o bolo é transportado longe a agulha de injeção, usando um fluxo constante. Em seguida, é necessário esperar o tempo suficiente para o corante difunda em toda a seção transversal do canal. Desta forma, uma distribuição gaussiana, como uniforme é obtida e servirá como a condição inicial para o experimento. Portanto, um fluxo laminar fundo é criado com a bomba de seringa programável. O experimental executado tem a duração de 5 min com fotos tiradas a cada segundo.
Os problemas mais comuns na instalação vêm a conexão das partes e dos canos. As várias partes de 3D-impresso precisam ser selada corretamente quando ligado para evitar vazamento. Os tubos de vidro são muito delicados e devem ser manuseados e instalados com cuidado.
Um problema que encontramos ao fazer a transição do tubo retangular fino ao grosso tubo quadrado foi relacionado ao fato de que o volume do tubo foi reduzido por um fator de 10. Para manter a mesma velocidade de vazão média transversal com a montada 12 mL seringa, a velocidade do êmbolo em bomba de seringa A precisaria ser extremamente baixa. A esta velocidade programada, a velocidade do êmbolo não era mais uniforme e um fluxo constante não pode ser garantido por todo o experimental. Portanto, nós mudamos para uma seringa de 1 mL muito menor quando se trabalha com a tubulação quadrada grossa na etapa 2.5.1.
Além disso, um deve verificar se a intensidade média ao longo da dimensão vertical do tubo na condição inicial é aproximadamente uniforme. Se não, precisa de uma máscara de filtragem para ser aplicado em todos os quadros para explicar esta discrepância.
A parte menos repetitivo do experimento é a injeção de corante (e consequentemente a largura da distribuição inicial). Conforme ilustrado anteriormente, não é uma preocupação para combinar com as simulações de Monte Carlo, como a condição inicial experimental pode ser recriada usando a análise da fotografia inicial. A injeção de corante e consequente retirada manual não podem produzir sempre tintura plugues de precisamente a mesma largura. Especial cuidado deve ser aplicado ao configurar o bólus inicial de tintura. A experiência torna-se mais reproduzível como pesquisadores ganham experiência nesta parte do protocolo, mas certamente poderiam ser introduzidas melhorias futuras.
Ao comparar a configuração com dispositivos microfluídicos, o único parâmetro que aparecem na equação governante quando apropriadamente adimensional é no número de Péclet Pe se o apalpador é passivo, ou seja, a evolução do marcador é desacoplado do fluxo. Similaridade dinâmica está implícita na assunção de Reynolds baixos (Re << 1) que garante estável fluxos laminar u(y,z). Estes dois parâmetros são definindo a semelhança completa entre microfluidic configurações e as escalas de nosso experimento. Na prática, o comprimento físico do tubo somente restringe os tempos plota que chegaremos em segurança com nossa configuração. Por vezes não-dimensional muito tarde, o comprimento necessário do tubo poderia se tornar proibitivamente longo para um número fixo de Péclet nesta configuração em grande escala.
Uma limitação óbvia deste protocolo experimental é que os dados coletados são uma representação 2D projetada de geometria 3D, como as fotos são tiradas de cima para baixo no tubo. O processo atual só permite para obter a evolução da distribuição do corante transversalmente em média. Obtendo uma distribuição definida em cada local no tubo, em vez de sua seção transversal média e comparação com as previsões teóricas e numéricas são objecto de investigação em curso.
Todas as partes da instalação experimental tem desenhos técnicos disponíveis para download, o que torna a configuração personalizável por qualquer pesquisador interessado e facilmente acessível. Baseando-se os resultados atuais, a mesma configuração será usada para estudar geometrias mais complexo e inexplorado do tubo, bem como regimes de fluxo diferentes.

Nos últimos anos, esforços substanciais tem sido focados no desenvolvimento de microfluidic e dispositivos lab-on-chip que podem reduzir os custos e aumentar a produtividade de preparação química e diagnóstico para uma variedade de aplicações. Uma das características principais dos dispositivos microfluídicos é o transporte controlado por pressão de fluidos e dissolvido solutos através de microcanais. Neste contexto, tornou-se cada vez mais importante compreender melhor a entrega controlada de solutos na microescala. Em particular, aplicações, tais como a separação cromatográfica1,2 e microfluidic fluxo injeção análise3,4 exigem maior controle e compreensão do soluto entrega. Investigadores em microfluídica estudou e documentou a influência de forma transversal do canal em soluto espalhando5,6,7,8e o papel da relação de aspecto do canal 9 , 10.
Recentemente, estudos analíticos e numéricos de propagação de soluto ao longo de canais tem levar à identificação de uma correlação entre a geometria transversal da tubulação e a forma da distribuição9,10. Em escalas de tempo iniciais, a distribuição depende fortemente da geometria: tubulações retangulares quebrar a simetria quase imediatamente, enquanto tubos elípticos retêm sua simetria inicial muito mais9. Por outro lado, progredindo em prazos mais longos, as assimetrias na distribuição do soluto já não diferenciarem elipses de retângulos e são definidas exclusivamente por λ a relação de aspecto transversal (relação do curta ao lado comprido). Considerando "tubos" de seções transversais elípticas e "condutas" de seções transversais retangulares, as previsões de simulações numéricas e análise assintótica foram aferidas com experimentos de laboratório. Finos canais (proporção << 1) produzir solutos chegando com frentes afiadas e afilando-se caudas, enquanto canais grossas (proporção ~ 1) apresentar o comportamento oposto10. Este efeito robusto é relativamente insensível às condições iniciais e pode ser usado para ajudar a selecionar o perfil de distribuição de soluto necessário para qualquer aplicação.
O comportamento descrito acima de classificação fina contra grossos domínios acontece antes que seja atingido o regime clássico de "Dispersão de Taylor". Dispersão de Taylor refere-se a difusão reforçada de solutos passivos em fluxo laminar (estável no baixo número de Reynolds, Re) com uma difusividade efetiva impulsionou, inversamente proporcional à difusividade molecular κ11 do soluto. Este acessório é observado somente após difusiva, longas escalas de tempo, quando o soluto tem difundido através do canal. Tal escala de tempo difusiva é definida em termos de escala de comprimento característica uma de geometria, como td = um /κ2. O número de Péclet é um parâmetro plota que mede a importância relativa do fluido adveção para efeitos de difusão. Podemos definir este parâmetro em termos de escala de comprimento mais curto como Pe = Ua/κ, onde U é a velocidade do fluxo característico. (O número de Reynolds pode ser definido em termos de número de Péclet como Re = Pe κ/ν, onde ν é a viscosidade cinemática do fluido). Valores de número de Péclet típicos para microfluidic aplicações12 variam entre 10 e 105, com difusividades moleculares variando de 10-7 a 10-5 cm2/s., portanto, dadas as velocidades de fluxo e comprimento escalas de interesse, é fundamental para compreender o comportamento de solutos para médio e longo prazos (em relação ao calendário difusiva), ultrapassou as observações iniciais de comportamento orientado em geometria e no universal para uma grande classe de regimes de cross-section-driven de geometrias.
Dado o interesse em aplicações microfluídicos, a escolha da instalação experimental de maio em grande escala primeiro parecer natural. Os experimentos aqui indicados estão em escala de milímetros, não na microescala como dispositivos microfluídicos verdadeiro. No entanto, os mesmos comportamentos físicos caracterizam ambos os sistemas e um estudo quantitativo dos fenômenos relevantes ainda pode ser conseguido dimensionando corretamente as equações que regem, assim como maquetes de aviões são avaliados em túneis de vento durante o projeto fase. Em particular, combinar parâmetros plota relevantes (por exemplo, o número de Péclet para nosso experimento) garante a capacidade de adaptação do modelo experimental. Trabalhando em tais escalas maiores, mantendo um fluxo laminar e controlado por pressão, oferece diversas vantagens sobre uma instalação tradicional microescala. Em particular, o equipamento necessário para fabricar, executar e visualizar o presente experiências é mais fácil de operar e menos onerosa. Além disso, outros desafios comuns de trabalhar com microcanais, tais como entupimentos frequentes e a influência reforçada de tolerâncias, de fabricação são atenuados com a configuração maior. Outro uso possível para esta configuração experimental é para estudos de distribuição do tempo de residência (IDT) em fluxos laminar13.
As assimetrias decorrentes da distribuição de soluto a jusante podem ser analisadas através de seus momentos estatísticos; em particular, a distorção, que é definida como o terceiro momento centrado, normalizado, é a estatística integral de ordem mais baixa medir a assimetria da distribuição. O sinal da distorção geralmente indica a forma de distribuição, ou seja. Se é concentrada na fase inicial (distorção negativa) ou concentrado (distorção positiva). Enfocando as proporções dos canais, existe uma clara correlação de geometrias finas com distribuições de delimitação e geometrias grossas com distribuições concentrada10. Além disso, uma relação de aspecto crítica separando esses dois comportamentos opostos pode ser calculada para ambos os tubos elípticos e dutos retangulares. Tais proporções de cruzamento são notavelmente semelhantes para geometrias padrão, em particular, λ * = 0.49031 para canos e λ * = 0.49038 para dutos, sugestivos da universalidade da teoria10.
A instalação experimental e o método descrito neste trabalho são utilizados para estudar a difusão de um soluto passivo controlado por pressão em fluxos de fluido laminares ao longo de capilares de vidro de várias seções transversais. A simplicidade e a reprodutibilidade do experimento define um método robusto de análise para a compreensão da conexão entre a secção transversal geométrica de um pipe e a forma resultante da distribuição do soluto injetada como ele é transportado a jusante. O método abordado neste trabalho foi desenvolvido para prontamente benchmark de resultados matemáticos e numéricos em uma configuração de laboratório de física.
Um simples procedimento experimental é descrito que destaca o papel definitivo transversal proporção do canal um fluídico em definir a forma de uma distribuição de soluto a jusante. A instalação experimental requer uma bomba de seringa programável para produzir um fluxo laminar e constante, liso de tubos de vidro de várias secções transversais, bomba de uma segunda seringa para injetar o soluto difunde (ex. corante de fluoresceína) no fluxo laminar circundante, luzes de UV-A e uma câmera para gravar a evolução de soluto. Arquivos CAD são fornecidos para todas as peças personalizadas de tais arquivos e a configuração podem ser usada para impressão 3D que experimental de peças antes da montagem.

<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

É descrito um método simples para experimentalmente observar e medir a dispersão de um traçador passivo em um fluxo laminar do fluido. O método consiste em injetar tintura fluorescente diretamente em um tubo preenchido com água destilada primeiro e permitindo-lhe difusa em toda a seção transversal do tubo para obter uma condição inicial uniformemente distribuída. Após este período, o fluxo laminar é ativado com uma bomba de seringa programável para observar a competição de adveção e difusão do traçador através da tubulação. Assimetrias na distribuição do traçador são estudadas e correlações entre a secção transversal de tubo e a forma da distribuição é mostrado: finos canais (proporção << 1) produzir marcadores chegando com frentes afiadas e afinando (caudas antecipados de distribuições), enquanto os canais grossas (proporção ~ 1) apresentam o comportamento oposto (concentrada distribuições). O procedimento experimental é aplicado a tubos capilares de diversas geometrias e é particularmente relevante para aplicações microfluidic por similaridade dinâmica.

A instalação experimental após montagem é mostrada na Figura 1. Imagens produzidas em MATLAB mostram os dados experimentais acima a evolução processada da curva de concentração (Figura 2), por três vezes não-dimensional. Já verificamos que existe uma relação linear entre a intensidade e a concentração do traçador. A forma das mudanças de distribuição como o tempo passa e o bólus de tintura move a jusante. A Figura 2 mostra essa evolução no caso a geometria do duto retangular fina. A distribuição inicial de tintura é estreito e simétrica (Gaussian, como no que diz respeito a direção longitudinal e quase uniforme na seção transversal, Figura 2 deixada), mas a simetria é quebrada quase imediatamente, pois o fluxo começa a fundo. A distribuição quebra de simetria apresentando uma fachada afiada e longa afinando caudas (Figura 2, meio e direita).
Os resultados experimentais são confirmados por simulações de Monte Carlo realizadas combinando a taxa inicial de distribuição e fluxo (Figura 3). O valor cabido para a tintura difusividade κ foi determinado em um experimento independente (passo 2.4 no protocolo) e usado nesta comparação. Métodos de Monte Carlo são frequentemente utilizados para simular a evolução de problemas de adveção-difusão envolvendo geometrias complexas, como as condições de contorno (Neumann homogênea neste caso) pode ser simplesmente de entrada como de bilhar como reflexão regras. A abordagem é realizações de amostra da equivalente equação diferencial estocástica subjacentes a equação de adveção-difusão na forma plota:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57205/57205eq1v2.jpg">
onde T(x,y,z,t) é a distribuição do traçador, τ é o tempo plota normalizado por td, x é a coordenada espacial longitudinal, y é a coordenada transversal curta e z é a coordenada tempo transversal, tudo normalizada pelo lado curto um. O fluxo de fluido u(y,z) é a solução de estado estacionário laminar para as equações de Navier-Stokes com condições de contorno anti-derrapante (sem fluxo na parede), impulsionado por um gradiente de pressão negativa. Um Gaussian dados iniciais na direcção longitudinal de tubo com uma variação desejada podem ser obtidos por considerar apenas a difusão (Pe = 0) e evoluindo as partículas para o tempo desejado corresponder à largura dos dados experimentais inicial9,10 . Estes resultados representativos foram obtidos usando os valores de taxa de fluxo especificados no protocolo, no entanto, esperamos que o carregamento fenômenos observados para manter-se em geral para o regime laminar10 (Figura 3).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig1.jpg"> Figura 1 : Instalação experimental. (A) diagrama da instalação experimental. Esta figura foi modificada de Aminianet al. 10. apresentação (B) da instalação do real. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig2.jpg"> Figura 2 : Instantâneos de dados processados em vários momentos. Linha superior: foto da concentração de corante difundido ao longo da seção transversal do tubo normalmente observado para a direção transversal longa treinopara vezes non-dimensional. O eixo vertical escalou 5 vezes por motivos de clareza. Fundo: intensidade da concentração de corante calculado somando-se ao longo da direção transversal há muito tempo. O valor de pico é normalizado. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig3.jpg"> Figura 3 : Comparação entre a distribuição de concentração entre experiências e simulações de Monte Carlo. A evolução da concentração de corante transversalmente em média ao longo do comprimento longitudinal do tubo é apresentada em dois instantes no tempo: τ = 0.15 e τ = 0,30. As linhas tracejadas são os resultados de simulação, enquanto as linhas sólidas representam os dados experimentais. Top: comparação no canal (quadrado) de espessura; fundo: comparação no canal fina (Retangular). A área sob cada curva é normalizada para ser um e x = 0 corresponde ao centro do plugue inicial de corante. Esta figura foi modificada de Aminianet al. 10. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig3large.jpg" target="_blank">clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Arquivo complementar 1 . Incluídos os desenhos do CAD de 3Hexagonal conector 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>)
Arquivo complementar 2 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D Injector 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>)
Arquivo complementar 3 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D reservatório (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/reservoir_3D.STL" target="_blank">reservoir_3D.STL</a>)
Arquivo complementar 4 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D placas de tubo grosso (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/plate_thick_3D.STL" target="_blank">plate_thick_3D.STL</a>)
Arquivo complementar 5 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D placas finas de tubulação (<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

É apresentado um protocolo para o estudo de difusão de marcadores passivos em fluxo laminar controlado por pressão. O procedimento é aplicável a várias geometrias de tubo capilar.

A difusão dos marcadores passivos em fluxo Laminar da tesoura

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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Universidad San Sebastian

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JoVE Journal

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Anatomy and Physiology

Civil Engineering

Unit 1

Cell Membrane Structure and Functions

Shearing Stresses in Beams and Thin-Walled Members

Open Channel Flow

SCIENTISTS IN ACTION

8.4K visualizações.  University of North Carolina at Chapel Hill. É apresentado um protocolo para o estudo de difusão de marcadores passivos em fluxo laminar controlado por pressão. O procedimento é aplicável a várias geometrias de tubo capilar.

Vídeo: 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.

Imagem confocal de Confinado repouso e fluindo Misturas colóide-polímero

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

Química

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.

Câmara de placas paralelas de fluxo e Circuito de fluxo contínuo para avaliar células progenitoras endoteliais sob estresse de cisalhamento Fluxo Laminar

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 ...

Bioengenharia

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 Monitoramento da Difusão de Guest Molecules in Porous Media Usando ressonância paramagnética eletrônica de imagem

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.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

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

Engenharia

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.

Uma janela permanente para investigar metástase do câncer no pulmão

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

Pesquisa do câncer

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.

Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale 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.

Recuperação de fluorescência após a fusão uma gota de medir a difusão bidimensional de um 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 ...

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.

Controlando as velocidades de fluxo de fluidos ativos 3D baseados em microtúbulos usando 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.

Quantificar mistura usando Ressonância Magnética

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

Visualização de fluxo com corante de superfície: um método qualitativo para observar padrões de estrias em fluxo supersônico

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