由微型条纹分析技术在微流控设备混合不均匀
2015年6月12日
在本文中，我们描述了一种采用微尺度纹影技术来测量微流体装置中混合不均匀性的程序。通过校准，可以从微纹影图像中得出浓度梯度的分布。
该程序的总体目标是通过使用微尺度 sch larin 技术无创地测量微流体装置中的浓度梯度。这是通过首先从 Hoffman 调制对比显微镜构建微尺度 sch larin 系统来实现的。拆下聚光镜的狭缝板，将物镜后焦位置的调制器更换为刀口。
第二步是安装 T 微通道并开始校准混合程序。对 T 通道进行成像以获得灰度微 schlein 图像。接下来，将 micros larin 图像与计算流体动力学仿真进行比较。
为了找到灰度和浓度梯度之间的关系，最后的步骤是加载目标微流体设备。拍摄混合的微观 schlein 图像，并使用校准曲线将灰度值转换为浓度梯度。最终，微尺度 schlein 技术用于实时定量显示微流体装置中的均匀性混合。
与荧光成像或阴影等现有技术相比，这种方法的主要优点是，它能够非稳态地完成浓度梯度的测量，从而揭示微流体设备中的三维均匀性。演示此程序的将是 Dr.A 应届博士毕业生。第一步是准备用于实验的微流体装置。
这种 t 微通道器件是通过模塑聚二甲基 Sloane 制成的。该设备的示意图显示了其馈源通道和汇合通道。每个通道都连接到一个圆形区域，该区域将成为流体连接的部位。
对于实验，将微流体装置安装在载玻片上并插入特氟龙管。要进行流体连接，请将设备放在一边。准备实验时，从 Hoffman 调制对比显微镜构建微量 schlein 系统。
准备好刀口以放入光路。该刀口是为该系统定制的，并经过黑色处理以减少反射率。将刀口放在手边，开始修改显微镜爆裂。
拆下聚光镜焦平面前面的狭缝板。接下来，从 5 倍物镜的后焦平面上取下调制器。获取刀口并将其插入调制器的位置。
要捕获视频，请使用安装在显微镜三目管上并连接到计算机的高速相机。打开光源并开始将灰度视频发送到计算机。接下来，捕获并处理图像。
从视频流中录制图像，并使用图像处理软件获取其灰度值。返回显微镜并取下计算机上的刀口。在调整照明和光圈的同时监控平均灰度读数。
当图像的平均灰度读数比最大值小约 10% 时停止。这是 0% 截止的背景强度。现在插入刀口以完全阻挡入射光。
在电脑上。记录图像的平均灰度读数。这是 100% 截止的背景强度。
接下来，迭代调整刀口的位置，同时监控捕获图像的平均灰度读数。停。当图像的平均灰度读数位于 0 和 100% 值的中间时，这会将截止度设置为 50%现在返回显微镜以安装 T 微通道设备。将其放在标本载物台上，使汇合通道与刀口平行。
设备就位后，大致调整焦距。修复实验用液体。选择两种没有折射率的透明流体，它们彼此之间完全可以错过。
在本视频中，水用作参比流体，乙醇水溶液是另一种，示差折光率的 s 加与浓度的关系。并选择乙醇水溶液的质量分数，使其落在线性区域。本实验使用 0.05 的质量分数来分配液体修复。
两个相同的注射器将一个注射器装满水，另一个注射器将稀释将注射器连接到 T 微通道的乙醇水溶液。使用 Teflon 管将 T 微通道的两个入口中的每一个连接到其中一个注射器。放置两个注射泵，将液体输送到微通道入口。
用参比液体注射器加载一个泵。将稀释乙醇注射器装入另一个泵，但将流出管的末端装入容器中，并将其固定在容器壁上。通过设置注射泵的流速开始校准，为它们提供雷诺数。
启动注射泵，以相同的体积流速同时输送工作流体。使用相机仔细观察微通道。调整焦点并等待稳定流量稳定下来，由固定的 SL 和模式发出信号。
使用每秒 30 帧的帧速率可录制 20 帧的流体混合。这些帧是获取的图像。完成后，准备泵以获得另一组框架。
停止稀释乙醇的注射泵，并继续通过一个入口泵送水。观察流动并等待稳定流动出现 nole 和 pattern。以每秒 30 帧的速度录制 20 帧图像。
这些帧是参考图像。继续捕获乙醇和水，然后仅捕获每个感兴趣的雷诺数图像。收集完所有数据后，转到计算机继续校准。
使用图像处理软件将采集的图像除以每个雷诺数误差的参考图像。当乙醇水溶液从图像顶部的通道进入时，通过参考图像划分底部的通道时采集的样本图像给出了沿流给定距离的灰度比数据。选择交叉流方向上的点，并提取每个点的灰度比率。
对流中的几个点执行此作，并绘制数据以进行比较。对实验进行计算流体动力学仿真。使用此选项可计算质量分数相对于交叉流导数的导数。
接下来，使用线性回归来利用灰度比和导数之间的预期线性关系。要在校准后找到回归线，请使用 micro schlein 技术研究目标器件。首先，断开并从样品台上移除 T 微通道器件。
用大致相同深度的目标微流体装置替换它。将设备连接到水和乙醇水溶液，相机在计算机中以等体积流速记录输入水和稀释乙醇。等待流程稳定，并为采集的图像记录 20 帧。
接下来，停止乙醇水的注射泵，仅将水输入目标微流体装置。返回计算机以获取参考图像。对于正和负质量分数梯度，不同雷诺数下的灰度比在低雷诺数的 T 微通道中间出现一条带。
由于混合界面上的色散，Schlein 带的尾部会扩展和模糊。随着雷诺数的增加，扩散长度缩短，从而导致带更窄。在本视频中，使用灰度比和质量分数导数之间的线性关系来捕获雷诺数为 250 的微流体振荡器中流动的振荡性质。
观看此视频后，您应该对如何在微流体设备中实现微尺度分层技术来定量浓度梯度有很好的了解。
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概览
本文介绍了一种利用微尺度色差技术测量微流控装置中混合不均匀性的程序。该方法通过校准和成像技术实现了对浓度梯度的非侵入性评估。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 光学成像技术
- 流体动力学
背景
- 微流控装置对于各种生物和化学应用至关重要。
- 理解混合动力学对于优化这些装置至关重要。
- 微尺度色差技术提供了一种可视化浓度梯度的新方法。
- 校准对于准确解释获得的图像是必要的。
研究目的
- 开发一种测量微流控系统中浓度梯度的非侵入性方法。
- 利用微尺度色差技术增强混合过程的成像。
- 将实验结果与计算流体动力学模拟进行比较。
所用方法
- 使用Hoffman调制对比显微镜构建微尺度色差系统。
- 用刀刃代替狭缝板进行调制。
- 安装T形微通道以进行校准混合程序。
- 对T形通道进行成像以获得灰度微色差图像。
主要结果
- 成功成像了微流控装置中的浓度梯度。
- 校准使得色差图像的准确解释成为可能。
- 与计算流体动力学模拟的比较验证了结果。
- 该技术展示了在流体动力学研究中更广泛应用的潜力。
结论
- 微尺度色差技术对于测量混合不均匀性是有效的。
- 该方法提供了一种研究微流控系统的非侵入性方法。
- 未来的应用可能扩展到需要精确流体动力学分析的各个领域。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of mixing inhomogeneity in microfluidic devices is critical for early-stage biopharma workflows where precise reagent distribution impacts assay fidelity and target validation. The microscale schlieren technique enables non-invasive, real-time measurement of concentration gradients, supporting predictive confidence in microfluidic-based discovery platforms. This capability strengthens portfolio decision-making by reducing ambiguity in microenvironmental control and assay reproducibility.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization and quantification of concentration gradients for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of microfluidic mixing relevant to biological assay performance.
- Improves predictive confidence in microfluidic system suitability for target interrogation.
Screening & Assay Development
- Facilitates calibration and standardization of microfluidic devices for reproducible compound screening.
- Provides quantitative grayscale outputs for robust assay development and optimization.
- Enables rapid assessment of mixing uniformity, supporting scalable assay workflows.
Translational & Preclinical Research
- Supports continuity from microfluidic discovery assays to preclinical model systems by ensuring mixing fidelity.
- Reduces risk of translational failure due to undetected microenvironmental inhomogeneity.
- Enhances alignment of microfluidic outputs with downstream biomarker or efficacy studies.
Pipeline & Workflow Integration
The microscale schlieren technique integrates at the interface of early discovery and assay development, providing a diagnostic tool for microfluidic device validation prior to lead identification or preclinical studies.
- Discovery Biology: Quantifies spatial concentration gradients to clarify mixing-dependent biological hypotheses.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for assay readiness and platform standardization.
- Analytics: Enables direct comparison of experimental and simulated mixing profiles for robust device evaluation.
- Translational Research: Ensures microfluidic assay outputs are predictive of preclinical system performance.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable calibration and validation workflow for diverse microfluidic platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microfluidic-based assays.
- Operational Value: Standardizes device validation and supports scalable, reproducible workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing quantitative mixing metrics early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of microfluidic platforms for downstream development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical imaging and microfluidic device handling.
- Needs access to a Hoffman modulation contrast microscope and image processing infrastructure.
- Demands cross-team calibration standardization for consistent grayscale-to-gradient mapping.
- Adaptable to various transparent fluid systems with linear refractive index-concentration relationships.
- Limited to optically transparent fluids and devices compatible with the imaging setup.
