Bayessche Quantifizierung von Unsicherheiten für Mikrofluidik: Bewertung und Verbesserung der Zuverlässigkeit von Modellen reduzierter Ordnung und Probendetektionsschemata
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir experimentelle Daten gesammelt, Modelle zur Beschreibung der Daten entwickelt, die Daten mit Bayesschen Methoden verarbeitet und ein neues Software-Toolkit für Bayessche Inferenz entwickelt. Die neue Software ist frei verfügbar und kann verwendet werden, um Bayessche Inferenz und stochastische Ersatzmodelle basierend auf monotone triangular transport maps zu konstruieren. Mikrofluidische Systeme mit sehr kleinen Längenmaßen oder starkem Einfluss von Oberflächenspannungseffekten wurden eingehend erforscht. Dies umfasste Löcher in Flüssigkeitsfilmen auf einer vibrierenden Oberfläche, die Kapillarwellen zeigten, sowie die Konzentration und den Transport von Proben in Mikrokanälen unter Verwendung von Isotachophorese. Experimentelle Daten wurden unter Verwendung von Kameras, Laser-Profilometrie und laserinduzierter Fluoreszenzmikroskopie gesammelt. Für die Löcher in Flüssigkeitsfilmen wurden Bayessche Modellierung einschließlich a-priori-Informationen und Messfehlermodelle sowie Modellvergleiche verwendet, um die Entwicklung einer rein physikbasierten Theorie und eines Modells zu ermöglichen, die die Verkleinerung von Löchern mit Vibrationsparametern beschreibt. Das endgültige Modell ohne Anpassungsparameter basiert auf der Young-Laplace-Gleichung und einer effektiven Kapillarlänge und wird mittels zwei unabhängiger Messungen (Lochdurchmesser und Wellenenergie) validiert. Für die Konzentration und den Transport von Proben in Mikrokanälen wurden Bayessche Modellierung und Inferenz verwendet, um die versteckten Probensignale aus dem Messrauschen zu extrahieren. Darüber hinaus basierte die Detektionsentscheidung auf Bayesscher Statistik, einschließlich der vollen Unsicherheit der Probenintensitätsschätzung. Der endgültige Algorithmus zeigt ein Signal-Rausch-Verhältnis in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der Anzahl von Bildern. Die Verwendung von nur 200 Bildern der wandernden Probe im Mikrokanal führte zu einer Reduktion der nachweisbaren Konzentration um zwei Größenordnungen. Basierend auf den Ergebnissen dieses Projektes hoffen wir, dass in Zukunft Bayessche Methoden, insbesondere solche, die auf transport maps basieren, häufiger zur Analyse verrauschter experimenteller Daten, zur Entwicklung und Validierung von Modellen sowie zur Entscheidungsfindung in der mikrofluidischen Grundlagenforschung und in Anwendungen angewendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Microfluidic isotachophoresis in constant-current mode with Alexa Fluor 647 carboxylic acid. July 2022
Henning Bonart, Florian Gebhard, Lukas Hecht, Tamal Roy, Benno Liebchen & Steffen Hardt
-
MParT: Monotone Parameterization Toolkit. Journal of Open Source Software, 7(80), 4843.
Parno, Matthew; Rubio, Paul-Baptiste; Sharp, Daniel; Brennan, Michael; Baptista, Ricardo; Bonart, Henning & Marzouk, Youssef
-
Detecting Isotachophoresis Zones Hidden in Noise Using Signal Processing. Analytical Chemistry, 95(19), 7575-7583.
Bonart, Henning; Gebhard, Florian; Hecht, Lukas; Roy, Tamal; Liebchen, Benno & Hardt, Steffen
-
Detecting Isotachophoresis Zones Hidden in Noise Using Signal Processing. Analytical Chemistry, 95(19), 7575-7583.
Henning Bonart, Lukas Hecht & Florian Gebhard
-
Disorder-to-order transition of long fibers contained in evaporating sessile drops. Soft Matter, 20(14), 3107-3117.
Sannyamath, S.; Vetter, R.; Bonart, H.; Hartmann, M.; Ganguly, R. & Hardt, S.
-
Isotachophoresis with Oscillating Sample Zones to Control the Spatial Overlap of Co-focused Species. Analytical Chemistry, 96(11), 4446-4454.
Gebhard, Florian; Bonart, Henning; Roy, Tamal; Meckel, Tobias & Hardt, Steffen
-
Liquid Surfaces with Chaotic Capillary Waves Exhibit an Effective Surface Tension. Physical Review Letters, 133(3).
Bisswanger, Steffen; Bonart, Henning; Khaing, Pyi Thein & Hardt, Steffen
