Analizando Mezcla falta de homogeneidad en un dispositivo de microfluidos por Microscale Schlieren Técnica

El objetivo general de este procedimiento es medir de forma no invasiva el gradiente de concentración en un dispositivo microfluídico mediante el uso de la técnica de sch larin a microescala. Esto se logra construyendo primero el sistema de sch larin a microescala a partir de un microscopio de contraste de modulación Hoffman. Retire la placa cortada del condensador y reemplace el modulador en el lugar focal trasero del objetivo con un filo de cuchillo.

El segundo paso es montar un microcanal T e iniciar un procedimiento de mezcla de calibración. Visualice el canal T para obtener imágenes micro schlein en escala de grises. A continuación, compare las imágenes de micros larin con una simulación de dinámica de fluidos computacional.

Para encontrar la relación entre la escala de grises y los gradientes de concentración, los pasos finales son cargar un dispositivo microfluídico objetivo. Tome una imagen de micro schlein de la mezcla y use la curva de calibración para convertir los valores de la escala de grises en gradientes de concentración. En última instancia, la técnica de Schlein a microescala se utiliza para mostrar cuantitativamente la mezcla en homogeneidad en un dispositivo microfluídico en tiempo real.

La principal ventaja de este método sobre las técnicas existentes como la imagen de fluorescencia o sombra, es que permite realizar mediciones de gradiente de concentración no estable que revelan la homogeneidad tridimensional en un dispositivo de microfluidos. El Dr. A recién graduado de un laboratorio demostrará este procedimiento. El primer paso es preparar el dispositivo microfluídico que se utilizará en el experimento.

Este dispositivo de microcanal t se fabricó moldeando poli dimetilSloane. El esquema del dispositivo muestra sus canales de alimentación y su canal de confluencia. Cada canal está conectado a una región circular que será el sitio de conexión del fluido.

Para el experimento, monte un dispositivo microfluídico en un portaobjetos de vidrio e inserte tubos de teflón. Para realizar conexiones fluidas, deje el dispositivo a un lado. A medida que se prepara el experimento, construya el sistema de Schlein a microescala a partir de un microscopio de contraste de modulación Hoffman.

Tenga un filo de cuchillo listo para colocar en la trayectoria óptica. Este filo de cuchilla está hecho a medida para su uso en este sistema y está ennegrecido para reducir la reflectividad. Mantenga el filo de la cuchilla a mano y comience a modificar la ráfaga del microscopio.

Retire la placa de hendidura frente al plano focal del condensador. A continuación, retire el modulador del plano focal trasero del objetivo cinco x. Tome el filo de la cuchilla e insértelo en lugar del modulador.

Para capturar video, use una cámara de alta velocidad montada en el tubo triinocular del microscopio y conectada a una computadora. Encienda la fuente de luz y comience a enviar video en escala de grises a la computadora. A continuación, capture y procese una imagen.

Grabe una imagen de la transmisión de vídeo y utilice un software de procesamiento de imágenes para obtener su valor de escala de grises. Regrese al microscopio y retire el filo de la cuchilla de la computadora. Controle la lectura promedio de la escala de grises mientras ajusta la iluminación y la apertura.

Deténgase cuando la lectura promedio de la escala de grises de la imagen sea aproximadamente un 10% menor que el valor máximo. Esta es la intensidad de fondo para un corte del 0%. Ahora inserte el filo de la cuchilla para bloquear completamente la luz incidente.

En la computadora. Registre la lectura media de la escala de grises de la imagen. Esta es la intensidad de fondo para un corte del 100%.

A continuación, ajuste iterativamente la posición del filo de la cuchilla mientras supervisa la lectura media de la escala de grises de las imágenes capturadas. Parar. Cuando la lectura promedio de la escala de grises de la imagen está en el medio de los valores cero y 100%, esto establece el grado de corte en 50%Ahora regrese al microscopio para montar el dispositivo de microcanal T. Colóquelo en la etapa de muestra de modo que el canal confluente sea paralelo al borde de la cuchilla.

Ajuste aproximadamente el enfoque una vez que el dispositivo esté en su lugar. Repare los fluidos para el experimento. Seleccione dos fluidos transparentes sin índices de refracción que puedan pasar completamente desapercibidos entre sí.

Para este video, se utiliza agua como fluido de referencia y una solución acuosa de etanol es el otro y s plus del índice de refracción en función de la concentración. Y elija la fracción de masa del etanol acuoso para que caiga en la región lineal. Este experimento utiliza una fracción de masa de 0,05 para dispensar la reparación de fluidos.

Dos jeringas idénticas llenando una jeringa con agua, y la otra diluiría el etanol acuoso conectando las jeringas al microcanal T. Utilice un tubo de teflón para conectar cada una de las dos entradas del microcanal T a una de las jeringas. Tenga dos bombas de jeringa en su lugar para administrar fluidos a las entradas de microcanales.

Cargue una bomba con la jeringa de fluido de referencia. Cargue la otra bomba con la jeringa de etanol diluido, pero el extremo del tubo de salida en un recipiente y fíjelo en la pared del recipiente. Comience la calibración para darles el número de Reynolds ajustando el caudal de las bombas de jeringa.

Ponga en marcha las bombas de jeringa para suministrar los fluidos de trabajo simultáneamente a un caudal volumétrico idéntico. Utilice la cámara para observar el microcanal fino. Ajuste el enfoque y espere hasta que el flujo constante se estabilice y esté señalizado por un SL y un patrón estacionarios.

Utilice una velocidad de fotogramas de 30 fotogramas por segundo para grabar 20 fotogramas de mezcla fluida. Estos fotogramas son la imagen adquirida. Cuando termine, prepare las bombas para obtener otro juego de marcos.

Detenga la bomba de jeringa para el etanol diluido y continúe bombeando agua a través de una entrada. Observe el flujo y espere hasta que se produzca un flujo constante con nole y patrón. Graba 20 fotogramas de imágenes a 30 fotogramas por segundo.

Estos fotogramas son la imagen de referencia. Continúe capturando etanol y agua y, a continuación, imágenes de solo agua para cada número de Reynolds de interés. Cuando se hayan recopilado todos los datos, diríjase a la computadora para continuar con la calibración.

Utilice el software de procesamiento de imágenes para dividir las imágenes adquiridas por la imagen de referencia para cada error de número de Reynolds. Muestras de imágenes adquiridas para cuando el etanol acuoso ingresa desde el canal en la parte superior de la imagen y el canal en la parte inferior, dividido por la imagen de referencia, proporciona los datos de la relación de la escala de grises a una distancia dada a lo largo de la corriente. Seleccione puntos en la dirección del flujo transversal y extraiga la proporción de la escala de grises en cada uno.

Haga esto para varios puntos a lo largo de la corriente y trace los datos para comparar. Realizar una simulación computacional de dinámica de fluidos del experimento. Utilícelo para calcular la derivada de la fracción de masa con respecto a la derivada de flujo cruzado.

A continuación, aproveche la relación lineal esperada entre la relación de la escala de grises y la derivada mediante la regresión lineal. Para encontrar la línea de regresión después de la calibración, utilice la técnica de micro schlein para estudiar un dispositivo objetivo. En primer lugar, desconecte y retire el dispositivo de microcanal T de la etapa de muestreo.

Reemplácelo con un dispositivo microfluídico objetivo de aproximadamente la misma profundidad. Conecte el dispositivo al agua y a la solución acuosa de etanol con el agua de entrada de grabación de la cámara y diluya el etanol a caudales volumétricos iguales en la computadora. Espere hasta que el flujo se estabilice y grabe 20 fotogramas para la imagen adquirida.

A continuación, detenga la bomba de jeringa para el etanol acuoso e introduzca solo agua en el dispositivo microfluídico objetivo. Regrese a la computadora para obtener la imagen de referencia. La relación de escala de grises bajo diferentes números de Reynolds para gradientes de fracción de masa positivos y negativos tiene una banda que aparece en el medio del microcanal T con un número de Reynolds bajo.

La cola de la banda de Schlein se expande y se difumina debido a la dispersión a través de la interfaz de mezcla. A medida que aumenta el número de Reynolds, la longitud de difusión se acorta, lo que conduce a una banda más estrecha. En este video, se utilizó la relación lineal encontrada entre la relación de escala de grises y la derivada de la fracción de masa para capturar la naturaleza oscilante del flujo en un oscilador microfluídico a un número de Reynolds de 250.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo implementar la técnica de capas a microescala para la cuantificación de gradientes de concentración en un dispositivo microfluídico.