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

Summary

Hierin beschreiben wir ein Verfahren, das die mikroskalige Schlierentechnik verwendet, um die Mischinhomogenität in einem mikrofluidischen Gerät zu messen. Durch die Kalibrierung kann die Verteilung des Konzentrationsgradienten aus dem Mikroschlierenbild abgeleitet werden.

Abstract

In diesem Papier präsentieren wir die Verwendung von Mikroschlierentechnik zu messen Mischen Inhomogenität in einer mikrofluidischen Vorrichtung. Die Mikroschlierensystem wird aus einer Hoffman Modulationskontrast-Mikroskop, die einen einfachen Zugang zu der hinteren Brennebene der Objektivlinse ermöglicht, durch Entfernen der Schlitzplatte und Ersetzen der Modulator mit einer Schneide ausgebildet ist. Das Arbeitsprinzip der Mikroschlierentechnik beruht auf dem Nachweis Lichtablenkung durch eine Variation des Brechungsindex hervorgerufen ^1-3. Der abgelenkte Licht entweder entweicht oder durch die Messerschneide behindert, um eine helle oder eine dunkle Band zu produzieren sind. Wenn der Brechungsindex der Mischung variiert linear mit der Zusammensetzung, ist die lokale Änderung der Lichtintensität in der Bildebene proportional zum Konzentrationsgradienten senkrecht zu der optischen Achse. Der Mikroschlierenbild ergibt eine zweidimensionale Projektion des gestörten Licht durch dreidimensionale Inhomogenitäten erzeugt.

Eine quantitative Analyse zu bewerkstelligen, beschreiben wir ein Kalibrierungsverfahren, das zwei Fluide in einem T-Mikrokanal mischt. Wir führen eine numerische Simulation, um den Konzentrationsgradienten in der T-Mikrokanal, der eng mit dem entsprechenden Bildmikroschlieren korreliert zu erhalten. Im Vergleich dazu wird eine Beziehung zwischen den Graustufen-Auslesungen der Mikroschlierenbild und den Konzentrationsgradienten in einer mikrofluidischen Vorrichtung dargestellt aufgebaut. Unter Verwendung dieser Beziehung ist es uns möglich, die Misch Inhomogenität von assoziierten Bildmikroschlieren mit Messungen in einem mikrofluidischen Oszillator ⁴ analysiert und zeigen die Fähigkeit des Mikroschlierentechnik. Für optisch transparente Flüssigkeiten ist im Mikroschlierentechnik ein attraktives Diagnosewerkzeug, zum momentanen Vollfeld-Information, die die dreidimensionalen Merkmale des Mischprozesses beibehält.

Introduction

Fluidmisch ist ein wichtiges Problem, das bei vielen industriellen Prozessen und biologischen Systemen zu finden ist. Mit dem Aufkommen der Mikrofluidik, Mischen in Mikro hat viel Aufmerksamkeit durch seine Herausforderung in Diffusions Herrschaft unter den Massentransportmechanismen gebracht. Seit Gestaltung einer effektiven Mikromischer erforderlich quantitative Validierung wurden verschiedene Messmethoden entwickelt, ^5-7. Dennoch ist die dreidimensionale Struktur, die üblicherweise in effiziente Mikromischer ⁵ gefunden wird, fordert eine genauere Darstellung der Konzentration Feld, das die gemeinsamen Messtechniken nicht zu liefern. Durch die Begrenzung des Betrachtungswinkels ⁸ oder Reaktionskinetik ⁶ können die vorgenannten Verfahren irreführenden Ergebnissen, die nicht richtig weiß für die Homogenität der Mischung Konto herzustellen.

Für optisch transparente Flüssigkeiten Mischen in optisch transparenten Mikrostrukturen, Mikroschlierentechnik ^3,9-14 bietet eine attraktive Alternative zu analysieren Misch Inhomogenität. In der Vergangenheit hat die Mikroschlierentechnik wurden meist verwendet, um kompressible Strömung ^{9-13, 15} oder Phasengradient ¹⁶ sichtbar zu machen. Microscale Schlierentechnik profitiert von einer einfachen optischen Aufbau und eine hohe Empfindlichkeit und ermöglicht nicht nur die nicht-invasive Untersuchung der spezifischen Strömungs Funktion, die optische Störung verursacht, sondern ist für die Verwendung bei der Beurteilung der Misch gut geeignet. In diesem Papier, konstruieren wir die Mikroschlierensystem durch Einführen eines Messers Schneide in der hinteren Brennebene des Objektivs eines Mikroskops, beschreiben ein Kalibrierungsverfahren zur quantitativen Analyse zu realisieren, und berichten über einen Validierungsmessung in einem mikrofluidischen Oszillator ^4. Messungen zu implementieren, werden die Arbeitsfluide geeignet ausgewählt, so dass der Brechungsindex der gemischten Fluide variiert linear mit der Zusammensetzung und der Dicke des Targets mikrofluidische Vorrichtung mit der auf iste in der Kalibrierung verwendet. Neben Spezieskonzentration können Mikroschlierentechnik ausgedehnt werden, um die Steigung der anderen skalare Größe, die linear auf den Brechungsindex, wie die Temperatur oder Salzgehalt korreliert ist, zu messen.

Protocol

1. Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung

1. Verwenden Sie einen grafischen Layout-Software (zB AutoCAD), um den Umriss eines T-Mikrokanal zu ziehen. Für das T-Mikrokanal, sind die beiden Zuführungskanäle 90 um breit und 2500 & mgr; m lang, und der Einmündung Kanal 180 um breit und 3,000 & mgr; m lang. Das Ende jedes Kanals auf einen einzelnen Kreis mit einem Durchmesser von 1.100 & mgr; m.
2. Mark "klar" und "dunkel" für die Belichtung und verdeckten Gebiete auf. Für eine negative Photolack (zB SU-8), die Form des T-Mikrokanal ist "klar" und die Umgebung ist "dunkel".
3. Verwenden einen Laser-Mustergenerator mit einer Wellenlänge von 442 nm und einer minimalen Strukturgröße von 2 um, um das Muster der T-Mikrokanal auf einer Chrom-auf-Glas-Fotomaske zu übertragen.
4. Verwenden der Photomaske, die ein Substrat (beispielsweise einseitig polierten Siliziumwafer) und einen Permanent Epoxy Photoresist (zB., SU-8), um eine Form durch eine Standard-Lithographieprozesses zu machen. Die Fotolackschicht ist 55,2 & mgr; m dick. Im allgemeinen sollte das Photoresistdicke dünner ist als die Tiefe der Korrelation der Objektivlinse ^17-19 sein.
5. Verwenden der Form und ein transparentes Material wie Polydimethylsiloxan (PDMS), den T-Mikrokanal ²⁰ herzustellen.
6. Zur fluidischen Verbindung mit einem Rohr aus rostfreiem Stahl von 2 mm Außendurchmesser, um Durchgangslöcher zu stanzen, um den kreisförmigen Muster auf den PDMS ausgerichtet sind.
7. Behandlung der Oberflächen der PDMS und einem Glasträger mit Sauerstoffplasma bei 60 W für 30 sec. Bringen Sie die PDMS auf den Objektträger. Bei den oxidierten Oberflächen der beiden Materialien schaffen eine starke Bindung. Platzieren der verbundenen PDMS Struktur auf einer heißen Platte für 5 Minuten bei 120 ° C.
8. Legen Teflon Rohre in die gestanzten Löcher für fluidische Verbindung.

2. Versuchsaufbau

1. Konstruieren Sie die Mikroschlierensystem von einer Hoffman Modulationskontrastmikroskop durch Entfernen der Schlitzplatte in der vorderen Brennebene des Kondensators und Ersetzen der Modulator mit einer Messerkante in der hinteren Brennebene des 5X Objektiv ^3. Die Tiefe der Korrelation, die von der numerischen Apertur der Objektiv ^17-19 abhängt, dass es ausreicht, um die gesamte Tiefe der mikrofluidischen Vorrichtung zu bedecken. Die Oberfläche des Messerkante durch anodische Aluminiumoxid geschwärzt, um sein Reflexionsvermögen zu verringern.
2. Montieren Sie den High-Speed-Kamera an den Trinokulartubus des Mikroskops über einen C-Mount-Adapter. Haben Sie die Kamera vor der Strahlengang des Mikroskops durch einen Strahlteiler. Schließen Sie die Kamera an einen Desktop-Computer über ein Ethernet-Kabel. Einen Gamma-Korrektur auf 1 für die Kamera, so dass ihre Graustufenanzeige ist proportional zum Eingangsleuchtdichte.
3. Schalten Sie die Lichtquelle. Um übermäßige Hitze zu vermeiden, verwenden LED (Licht emittierende Diode) Beleuchtung.
4. Verwenden Sie eine Bildverarbeitungssoftware (zB </ Em> Funktion imread in MATLAB), um die Grauwerte eines erfassten Bildes zu erhalten. Entfernen Sie die Messerschneide, passen Sie die Beleuchtung, die Blende und die Belichtungszeit, so dass die durchschnittliche Graustufen Auslesen des Bildes ist etwa 10% geringer ist als der Maximalwert. Dies bezeichnet die Hintergrundintensität für einen 0% Cutoff und wir verwenden einen Wert von 230 für ein 8-Bit-Bild.
5. Setzen Sie die Schneide auf das einfallende Licht vollständig zu blockieren. Erfassen den mittleren Graustufen-Anzeige des Bildes. Dies bezeichnet die Hintergrundintensität für eine 100% Cutoff und der Wert ist etwa 15 für ein 8-Bit-Bild.
6. Einstellen der Position der Messerkante, so dass der durchschnittliche Grau Auslesen des aufgenommenen Bildes liegt in der Mitte der Werte für 0% und 100% Cutoff. Jetzt ist der Grad der Cutoff auf 50% festgelegt ist.
7. Vorbereitung zwei transparenten Medien mit bekannten Brechungsindizes ^21, die miteinander als Bestandteile vollständig mischbar sind. Um die Abhängigkeit der Brechungs ind evaluierenex auf die Konzentration des Gemisches, überprüfen Sie die Literatur ²¹ oder verwenden Sie die Gladstone-Dale Gleichung ^22. Wenn die Kurve nicht linear über den gesamten Bereich, holen andere Fluidkomponenten. Dann wählt eine bestimmte Zusammensetzung unter dem der Brechungsindex der Lösung variiert linear mit der Konzentration. B. verdünnte wässrige Ethanol mit einem Massenanteil von 0,05 und Wasser als Arbeitsflüssigkeiten.
8. Setzen Sie den T-Mikrokanal auf dem Probentisch. Ordnen Sie die T-Mikrokanal so mit der Zusammenflusskanal parallel zur Messerkante (Abbildung 1).
9. Vorbereitung zwei identische Spritzen: Spritze A mit dem Arbeitsfluid, das als Referenzflüssigkeit (Wasser) dient gefüllt, und die Spritze B ist mit dem anderen Arbeitsfluid (verdünnte wässrige Ethanol) gefüllt. Die Größe der Spritze hängt von der gewünschten Durchflussrate Q und der Spezifikation des Spritzenpumpe: Q = & pgr; d ² V / 4, wobei d der Innendurchmesser des SYRinge und V die Geschwindigkeit des Kolbens. Strömungspulsationsausgleichsvorrichtung können in der Regel, indem Sie eine kleine Spritze mit ²³ V zu erhöhen, verhindert werden.
10. Sammle den Auslaß von Fluid aus dem T-Mikrokanal in einem Becherglas. Sicherstellen, dass das Teflon Auslassrohr an die Wand des Becherglases fixiert, und sein Ende ist unterhalb des Flüssigkeitsniveaus in dem Becher, um Vibrationen, die durch Tröpfchen breakoff verursacht würde, zu vermeiden.

3. Kalibrierung

1. Erfassen die Bilder der zwei Flüssigkeiten gemischt und der Referenzbilder.
   1. Bei einer gegebenen Reynoldszahl Re, Die Durchflussrate der Spritzenpumpen wird Q. Q von Q = μ (W + D) Re / 4ρ, wobei μ und ρ sind die Viskosität und die Dichte des Arbeitsfluids und W berechnet und D die Breite und Tiefe des Kanals der Mündung T-Mikrokanal verbunden.
   2. Legen Sie eine Pumpe mit Spritze A und die andere Pumpe mit syringe B. Schließen Sie die beiden Eingänge des T-Mikrokanal über Teflonschlauch Spritze A und Spritze B. Starten Sie die Spritzenpumpen, die Arbeitsfluide in die T-Mikrokanal in gleichen Volumenströme zu liefern.
   3. Warten Sie, bis stetigen Strom herstellt. Die stetigen Zustand wird durch die Entstehung einer stationären Schlierenmuster definiert.
   4. Verwenden Sie die Kamera gesteuert Software zu zwanzig Bilder von fluidischen Mischen bei einer Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde aufzeichnen.
   5. Stoppen Sie die Pumpe, die mit Spritze B. geladen Nur Pumpe den Referenzflüssigkeit (Wasser) durch einen Einlass in den Zusammenfluß-Kanal des T-Mikrokanal mit konstanter Geschwindigkeit.
   6. Warten Sie, bis stetigen Zustand erreicht ist und keine Schlierenmuster beobachtet.
   7. Verwenden Sie die Kamera gesteuert Software, um das Referenzbild, zu nehmen, wenn kein optischer Inhomogenität in der T-Mikrokanal vorhanden ist. Nehmen zwanzig Rahmen mit einer Bildrate von 30 fps.
   8. Wiederholen 3.1.1 bis 3.1.7 bei verschiedenen Reynolds-Zahl: Re = 1, 5, 10, 20 und 50, so daß keine komplexe Strömungsstruktur entsteht im Bereich der Einmündung des T-Mikrokanal ^24.
2. Verwenden einer Bildverarbeitungssoftware, das erworbene Bild I (i, j) von der Bezugsbild I ₀ (i, j) ^25, wobei i und j Pixelindizes teilen.
3. Verwenden ein CFD (Computational Fluid Dynamics) Paket zur Simulation Mischen der bezeichneten Flüssigkeiten im T-Mikrokanal.
   1. Konstrukt das dreidimensionale Modell für die Geometrie des T-Mikrokanal. Diskretisieren den Strömungsbereich in strukturierten Gittern. Um die Genauigkeit zu erhöhen, verwenden feineres Netz in der Mündung und dem Zentralbereich des T-Mikrokanal.
   2. Zuordnen, die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und legt die Randbedingungen zur Fließdomäne. Während der Lösungsprozess, bestimmen die konzentrationsabhängigen Diffusionskoeffizienten von dem in der letzten erhaltenen KonzentrationsIteration ^26, um die lokale Konzentration zu aktualisieren.
   3. Untersuchen Sie die Empfindlichkeiten der berechneten Ergebnisse durch Ausführen der Netzstudie ^27.
4. Für jeden Knoten (x _i, y _i) auf der xy-Ebene, verwenden die CFD Nachbearbeitungswerkzeug auf die Mittelwerte der Konzentration Feld über die Kanaltiefe der Trapezregel annehmen: w (x _i, y _j) = {Σ _k [w (x _i, y _j, z _k) + w (x _i, y _j, z _{k + 1)]} ∙ (z _{k + 1} - z _k) / 2} / D ^28, wobei D die Kanaltiefe. Verwenden Sie das zentrale Differenzierungsschema, um die deriva berechnentive der Konzentration in Bezug auf die Richtung quer zur Strömung (∂ w / ∂ y) _{i, j} = [w (x _i, y _{j + 1)} - w (x _i, y _{j -1)]} / (y _{j +1} - y _{j -1).}
5. Für positive und negative Steigungen, extrahieren das Verhältnis der Grauwerte I / I ₀ (in 3.2 erhalten) und die Steigung der Massenanteil ∂ w / ∂ y (in 3.4 erhalten) an bestimmten Stellen, wie beispielsweise y = 0 (Mittellinie, in Strömungs Richtung) oder verschiedene gegebene x (Richtung quer zur Strömung).
6. Zeichnen Sie die Ergebnisse und bestimmen die Beziehung zwischen I / I ₀ und ∂ w / ∂ y, I / I ₀ = C ₁ ∂ w / ∂ y + C ₂ (C ₁ und C ₂ Konstanten sind), mit linearen Regression.

4. Quantifizierung

1. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 und 3.2 für das Mischen in der Ziel Mikrofluidikvorrichtung. Die Tiefe des Ziel Mikrofluidikvorrichtung sollte gleich oder nahe dem von der T-Mikrokanal ist. Wenn unsicher Phänomen zu erwarten ist, erwerben Sie einen Videoclip (Bildfolge) im Schritt 3.1.4 statt. Die Framerate sollte hoch genug sein, um die Dynamik der Übergangsstrom eindeutig zu lösen, während die Belichtungszeit mit dem in 2.4, 2.5, 3.1.4 und 3.1.7 als Wert benutzt.
2. Verwenden der Beziehung in Schritt 3.6 erhalten werden, um das Verhältnis der Grauwerte der Steigung der Massenanteil in der Zielmikrofluidvorrichtung zu konvertieren.

Results

Die Graustufenverhältnis I / I ₀ unter verschiedenen Reynolds-Zahl für die positiven und negativen Steigungen Massenanteil wird mit einem symmetrischen Band in der Mitte des T-Mikrokanal auftretenden dargestellt (Abbildung 2). Bei niedrigen Reynolds-Zahl ist der Schwanz des Schlieren Band erweitert und verschwommen aufgrund der Streuung durch die Misch Schnittstelle. Wie die Reynolds-Zahl erhöht, verkürzt die Diffusionslänge auf einen engeren Band führt. An verschiedenen Ort...

Discussion

Für fluidische Mischen in einer mikrofluidischen Vorrichtung, die Mikroschlierentechnik in der Lage, das Ausmaß der Konzentrationsgradient durch Quantifizieren Änderung der Lichtintensität zu messen. Weil das Prinzip dieser Methode beruht auf der Erfassung der Wechsel der Lichtausbreitung, die Arbeitsfluide und die Mikrofluidik-Vorrichtung haben den einfallenden Lichts zu sein. Zusätzlich kann das Protokoll eine lineare Beziehung zwischen dem Brechungsindex der Lösung und ihre Zusammensetzung so dass vorläufige Beurteil...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Permanenter Epoxid-Negativ-Fotolack	MicroChem	SU-8 2150
einseitig polierter Siliziumwafer	Light Technology	S4W1PP5SABUP1	p-Typ, Durchmesser: 100± 0,5 mm, Dicke: 525± 25 mm, Orientierung: (1 0 0)
Spritzenpumpe	kdScientific	kds210
Spritze, d.h. 10 ml	Terumo	SS-10L2138
Hoffman Modulationskontrastmikroskop	Leica Microsystems	DM IL LED
5X Objektiv	Leica Microsystems	N PLAN	NA = 0,12
Messerkante			kundenspezifisch Kamera
, d.h. Hochgeschwindigkeit	Integrated Design	Tools NX7-S1
C-Mount Adapter HC 0,63x	Leica Microsystems	541537
Kamera Bediensoftware	Integrated Design Tools MotionPro	X Studio 2.02.01
Polydimethylsiloxan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard-184 Silikonelastomer-Kit
Teflonschlauch, d.h. Außendurchmesser x Innendurchmesser 1/16 Zoll x 0,031 Zoll	Supelco	58700-U
Mikroglas-Objektträger	Matsunami Glass	S2215
Heizplatte	Yeong-Shin	HP-303DN
destilliertes Wasser, i.e. HPLC-Qualität	Alps Chemicals
Ethylalkohol, d.h. Reagenzqualität	Nihon Shiyaku Reagenz	EA448652
Bildverarbeitung Software	Mathworks	MATLAB R2009a
Computational Fluid Dynamics Paket	ESI-Gruppe	CFD-ACE+ 2008