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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, den Konzentrationsgradienten in einem mikrofluidischen Gerät nicht-invasiv mit Hilfe der mikroskaligen Schlackentechnik zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst das mikroskalige Schemasystem aus einem Hoffman-Modulationskontrastmikroskop konstruiert wird. Entfernen Sie die Spaltplatte des Kondensors und setzen Sie den Modulator an der hinteren Brennstelle des Objektivs durch eine Messerkante ein.

Der zweite Schritt besteht darin, einen T-Mikrokanal zu montieren und einen Kalibrierungsmischvorgang zu starten. Bilde den T-Kanal ab, um Graustufen-Mikroschleinbilder zu erhalten. Vergleichen Sie als Nächstes die Mikrobilder mit einer numerischen Strömungssimulation.

Um die Beziehung zwischen Graustufen und Konzentrationsgradienten zu finden, besteht der letzte Schritt darin, ein mikrofluidisches Zielgerät zu laden. Nehmen Sie ein Mikroschlein-Bild des Mischens auf und verwenden Sie die Kalibrierungskurve, um die Graustufenwerte in Konzentrationsgradienten umzuwandeln. Letztendlich wird die mikroskalige Schlein-Technik verwendet, um das Mischen in Homogenität quantitativ in einem mikrofluidischen Gerät in Echtzeit darzustellen.

Der Hauptvorteil dieser Methode gegenüber den bestehenden Techniken wie Fluoreszenzbildgebung oder Schatten besteht darin, dass sie instationäre Messungen des Konzentrationsgradienten ermöglicht, die die dreidimensionale Homogenität in einem mikrofluidischen Gerät offenbaren. Dieses Verfahren wird von Dr. A. demonstriert, der kürzlich in einem Labor promoviert hat. Der erste Schritt besteht darin, das mikrofluidische Gerät für das Experiment vorzubereiten.

Dieses t-Mikrokanal-Gerät wurde durch Formen von Polydimethyl-Sloane hergestellt. Der Schaltplan des Geräts zeigt seine Zuführkanäle und seinen Konfluenzkanal. Jeder Kanal ist mit einem kreisförmigen Bereich verbunden, der der Ort der Fluidverbindung ist.

Montieren Sie für das Experiment ein mikrofluidisches Gerät auf einem Objektträger und setzen Sie Teflonschläuche ein. Um flüssige Verbindungen herzustellen, legen Sie das Gerät beiseite. Während das Experiment vorbereitet ist, konstruieren Sie das mikroskalige Schlein-System aus einem Hoffman-Modulationskontrastmikroskop.

Halten Sie eine Messerschneide bereit, die Sie in den Strahlengang einsetzen können. Diese Messerkante wurde speziell für die Verwendung in diesem System angefertigt und ist geschwärzt, um das Reflexionsvermögen zu reduzieren. Halten Sie die Messerschneide griffbereit und beginnen Sie, den Mikroskopstoß zu modifizieren.

Entfernen Sie die Spaltplatte vor der Brennebene des Kondensors. Entfernen Sie als Nächstes den Modulator aus der hinteren Brennebene des Fünffachobjektivs. Nehmen Sie die Messerschneide und setzen Sie sie anstelle des Modulators ein.

Verwenden Sie zum Aufnehmen von Videos eine Hochgeschwindigkeitskamera, die am Tri-Inokulartubus des Mikroskops montiert und an einen Computer angeschlossen ist. Schalten Sie die Lichtquelle ein und beginnen Sie mit dem Senden von Graustufenvideos an den Computer. Erfassen und verarbeiten Sie als Nächstes ein Bild.

Nehmen Sie ein Bild aus dem Videostream auf und verwenden Sie eine Bildverarbeitungssoftware, um den Graustufenwert zu erhalten. Kehren Sie zum Mikroskop zurück und entfernen Sie die Messerschneide am Computer. Überwachen Sie die Anzeige der durchschnittlichen Graustufen, während Sie die Beleuchtung und die Blende anpassen.

Stoppen, wenn die durchschnittliche Graustufenanzeige des Bildes etwa 10 % unter dem Maximalwert liegt. Dies ist die Hintergrundintensität für einen Cutoff von 0 %. Führen Sie nun die Messerschneide ein, um das einfallende Licht vollständig zu blockieren.

Am Computer. Zeichnen Sie die durchschnittliche Graustufenanzeige des Bildes auf. Dies ist die Hintergrundintensität für einen Cutoff von 100 %.

Passen Sie anschließend die Position der Messerkante iterativ an, während Sie die durchschnittliche Graustufenanzeige der aufgenommenen Bilder überwachen. Aufhören. Wenn die durchschnittliche Graustufenanzeige des Bildes in der Mitte der Null- und 100 %-Werte liegt, wird der Cutoff-Grad auf 50 % festgelegtKehren Sie nun zum Mikroskop zurück, um das T-Mikrokanalgerät zu montieren. Platzieren Sie es so auf dem Probentisch, dass der konfluente Kanal parallel zur Messerkante verläuft.

Stellen Sie den Fokus grob ein, sobald das Gerät an Ort und Stelle ist. Reparieren Sie die Flüssigkeiten für das Experiment. Wählen Sie zwei transparente Flüssigkeiten ohne Brechungsindizes aus, die miteinander völlig zu übersehen sind.

Für dieses Video wird Wasser als Referenzflüssigkeit verwendet, und eine wässrige Ethanollösung ist die andere und s plus des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Konzentration. Und wählen Sie den Massenanteil des wässrigen Ethanols so, dass er in den linearen Bereich fällt. Dieses Experiment verwendet einen Massenanteil von 0,05, um die Reparatur der Flüssigkeiten abzugeben.

Zwei identische Spritzen, die eine Spritze mit Wasser füllen, und die andere würde wässriges Ethanol verdünnen, das die Spritzen mit dem T-Mikrokanal verbindet. Verwenden Sie einen Teflonschlauch, um jeden der beiden Einlässe des T-Mikrokanals mit einer der Spritzen zu verbinden. Halten Sie zwei Spritzenpumpen bereit, um Flüssigkeiten zu den Mikrokanaleinlässen zu befördern.

Beladen Sie eine Pumpe mit der Referenzflüssigkeitsspritze. Laden Sie die andere Pumpe mit der Spritze für verdünntes Ethanol, aber das Ende des Abflussrohrs in einen Behälter und befestigen Sie ihn an der Wand des Behälters. Beginnen Sie mit der Kalibrierung, um die Reynolds-Zahl zu erhalten, indem Sie die Durchflussrate der Spritzenpumpen einstellen.

Starten Sie die Spritzenpumpen, um die Arbeitsflüssigkeiten gleichzeitig mit identischem Volumenstrom zu fördern. Verwenden Sie die Kamera, um den Mikrokanal fein zu beobachten. Stimmen Sie den Fokus ein und warten Sie, bis sich der stetige Fluss stabilisiert hat, was durch ein stationäres SL und Muster signalisiert wird.

Verwenden Sie eine Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde, um 20 Bilder mit flüssiger Mischung aufzunehmen. Diese Frames sind das erfasste Bild. Wenn Sie fertig sind, bereiten Sie die Pumpen vor, um einen weiteren Satz Rahmen zu erhalten.

Stoppen Sie die Spritzenpumpe für das verdünnte Ethanol und pumpen Sie weiterhin Wasser durch einen Einlass. Beobachten Sie die Strömung und warten Sie, bis eine stetige Strömung mit Nole und Muster auftritt. Nehmen Sie 20 Bilder mit 30 Bildern pro Sekunde auf.

Diese Rahmen sind das Referenzbild. Fahren Sie fort, indem Sie Ethanol und Wasser und dann Nur-Wasser-Bilder für jede Reynolds-Zahl von Interesse aufnehmen. Wenn alle Daten gesammelt sind, wenden Sie sich an den Computer, um mit der Kalibrierung fortzufahren.

Verwenden Sie die Bildverarbeitungssoftware, um die erfassten Bilder durch das Referenzbild für jeden Reynolds-Zahlenfehler zu dividieren. Die aufgenommenen Beispielbilder für den Fall, dass das wässrige Ethanol aus dem Kanal am oberen Rand des Bildes eintritt und der Kanal am unteren Rand durch das Referenzbild die Daten zum Graustufenverhältnis in einer bestimmten Entfernung entlang des Stroms liefert. Wählen Sie Punkte in Richtung des Querstroms aus, und extrahieren Sie das Graustufenverhältnis für jeden Punkt.

Führen Sie dies für mehrere Punkte entlang des Wasserlaufs aus, und stellen Sie die Daten zum Vergleich grafisch dar. Führen Sie eine numerische Strömungssimulation des Experiments durch. Verwenden Sie diese Option, um die Ableitung des Massenanteils in Bezug auf die Querstromableitung zu berechnen.

Nutzen Sie als Nächstes die erwartete lineare Beziehung zwischen dem Graustufenverhältnis und der Ableitung mithilfe der linearen Regression aus. Um die Regressionslinie nach der Kalibrierung zu finden, verwenden Sie die Mikro-Schlein-Technik, um ein Zielgerät zu untersuchen. Trennen Sie zunächst das T-Mikrokanal-Gerät vom Probentisch und entfernen Sie es.

Ersetzen Sie es durch ein mikrofluidisches Zielgerät mit ungefähr gleicher Tiefe. Verbinden Sie das Gerät mit Wasser und der wässrigen Ethanollösung, wobei die Kamera das Eingangswasser und das verdünnte Ethanol bei gleichen Volumenströmen am Computer aufzeichnet. Warten Sie, bis der Fluss stabilisiert ist, und nehmen Sie 20 Bilder für das aufgenommene Bild auf.

Stoppen Sie anschließend die Spritzenpumpe für das wässrige Ethanol und geben Sie nur Wasser in das mikrofluidische Zielgerät ein. Kehren Sie zum Computer zurück, um das Referenzbild zu erhalten. Das Graustufenverhältnis unter verschiedenen Reynolds-Zahlen für positive und negative Massenanteilsgradienten weist ein Band auf, das in der Mitte des T-Mikrokanals bei einer niedrigen Reynolds-Zahl erscheint.

Der Schwanz des Schlein-Bandes wird durch die Dispersion über die Mischfläche ausgedehnt und verschwommen. Mit zunehmender Reynoldszahl verkürzt sich die Diffusionslänge, was zu einer schmaleren Bande führt. In diesem Video wurde die lineare Beziehung zwischen dem Graustufenverhältnis und der Massenanteilsableitung verwendet, um die oszillierende Natur der Strömung in einem mikrofluidischen Oszillator bei einer Reynolds-Zahl von 250 zu erfassen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die mikroskalige Schichtungstechnik zur Quantifizierung von Konzentrationsgradienten in einem mikrofluidischen Gerät implementieren.