Analyse Inhomogénéité mélange dans un dispositif microfluidique par Microscale Schlieren Technique

L’objectif global de cette procédure est de mesurer de manière non invasive le gradient de concentration dans un dispositif microfluidique en utilisant la technique de sch larin à l’échelle microscopique. Ceci est accompli en construisant d’abord le système sch larin à l’échelle microscopique à partir d’un microscope à contraste à modulation Hoffman. Retirez la plaque fendue du condenseur et replacez le modulateur à l’endroit focal arrière de l’objectif par un tranchant de couteau.

La deuxième étape consiste à monter un microcanal en T et à lancer une procédure de mélange d’étalonnage. Imagez le canal T afin d’obtenir des images micro schlein en niveaux de gris. Ensuite, comparez les images micros larin avec une simulation numérique de dynamique des fluides.

Pour trouver la relation entre l’échelle de gris et les gradients de concentration, les dernières étapes consistent à charger un dispositif microfluidique cible. Prenez une image micro-schlein du mélange et utilisez la courbe d’étalonnage pour convertir les valeurs de l’échelle de gris en gradients de concentration. En fin de compte, la technique de Schlein à l’échelle microscopique est utilisée pour montrer quantitativement l’homogénéité du mélange dans un dispositif microfluidique en temps réel.

Le principal avantage de cette méthode par rapport aux techniques existantes telles que l’imagerie par fluorescence ou l’ombre, est qu’elle permet des mesures de remplissage instationnaire du gradient de concentration qui révèlent l’homogénéité tridimensionnelle dans un dispositif à microfluides. La démonstration de cette procédure sera faite par le Dr Récemment diplômé d’un doctorat d’un laboratoire. La première étape consiste à préparer le dispositif microfluidique à utiliser dans l’expérience.

Ce dispositif à microcanaux en T a été fabriqué par moulage de poly diméthyl Sloane. Le schéma de l’appareil montre ses canaux d’alimentation et son canal de confluence. Chaque canal est relié à une région circulaire qui sera le site de connexion du fluide.

Pour l’expérience, montez un dispositif microfluidique sur une lame de verre et insérez des tubes en téflon. Pour effectuer des connexions fluides, mettez l’appareil de côté. Au fur et à mesure que l’expérience est préparée, construisez le système de Schlein à l’échelle microscopique à partir d’un microscope à contraste à modulation Hoffman.

Ayez un tranchant de couteau prêt à être mis dans le chemin optique. Ce tranchant de couteau est fabriqué sur mesure pour être utilisé dans ce système et est noirci pour réduire la réflectivité. Gardez le tranchant du couteau à portée de main et commencez à modifier la rafale du microscope.

Retirez la plaque fendue devant le plan focal du condenseur. Ensuite, retirez le modulateur du plan focal arrière de l’objectif cinq x. Prenez le tranchant du couteau et insérez-le à la place du modulateur.

Pour capturer une vidéo, utilisez une caméra à haute vitesse montée sur le tube tri-inoculaire du microscope et connectée à un ordinateur. Allumez la source lumineuse et commencez à envoyer des vidéos en niveaux de gris à l’ordinateur. Ensuite, capturez et traitez une image.

Enregistrez une image à partir du flux vidéo et utilisez un logiciel de traitement d’image pour obtenir sa valeur en niveaux de gris. Retournez au microscope et retirez le tranchant du couteau sur l’ordinateur. Surveillez l’affichage moyen de l’échelle de gris tout en ajustant l’éclairage et l’ouverture.

Arrêtez-vous lorsque la lecture moyenne de l’échelle de gris de l’image est inférieure d’environ 10 % à la valeur maximale. Il s’agit de l’intensité de fond pour une coupure de 0 %. Insérez maintenant le bord du couteau pour bloquer complètement la lumière incidente.

Sur l’ordinateur. Enregistrez la lecture moyenne de l’image en niveaux de gris. Il s’agit de l’intensité de fond pour une coupure de 100 %.

Ensuite, ajustez de manière itérative la position du tranchant du couteau tout en surveillant la lecture moyenne en niveaux de gris des images capturées. Arrêter. Lorsque la lecture moyenne de l’échelle de gris de l’image se situe au milieu des valeurs zéro et 100 %, cela définit le degré de coupure à 50 %. Revenez maintenant au microscope pour monter le dispositif à microcanaux T. Placez-le sur la platine de l’échantillon de manière à ce que le canal confluent soit parallèle au bord du couteau.

Ajustez grossièrement la mise au point une fois l’appareil en place. Réparer les fluides pour l’expérience. Sélectionnez deux fluides transparents sans indices de réfraction qui peuvent être complètement manqués l’un par l’autre.

Pour cette vidéo, l’eau est utilisée comme fluide de référence et une solution aqueuse d’éthanol est l’autre et s plus de l’indice de réfraction en fonction de la concentration. Et choisissez la fraction massique de l’éthanol aqueux de manière à ce qu’il tombe dans la région linéaire. Cette expérience utilise une fraction massique de 0,05 pour dispenser la réparation des fluides.

Deux seringues identiques remplissant l’une d’eau et l’autre diluant l’éthanol aqueux reliant les seringues au microcanal T. Utilisez un tube en téflon pour connecter chacune des deux entrées du microcanal T à l’une des seringues. Ayez deux pousse-seringues en place pour fournir des fluides aux entrées des microcanaux.

Chargez une pompe avec la seringue de liquide de référence. Chargez l’autre pompe avec la seringue d’éthanol dilué, mais l’extrémité du tube de sortie dans un récipient et fixez-la sur la paroi du récipient. Commencez l’étalonnage pour leur donner le numéro de Reynolds en réglant le débit des pousse-seringues.

Démarrez les pousse-seringues pour délivrer simultanément les fluides de travail à un débit volumique identique. Utilisez l’appareil photo pour observer finement le micro-canal. Réglez la mise au point et attendez que le flux régulier stabilise un signal signalé par un SL et un modèle stationnaires.

Utilisez une fréquence d’images de 30 images par seconde pour enregistrer 20 images de mixage fluidique. Ces cadres sont l’image acquise. Une fois terminé, préparez les pompes pour obtenir un autre ensemble de cadres.

Arrêtez le pousse-seringue pour l’éthanol dilué et continuez à pomper l’eau par une entrée. Observez l’écoulement et attendez qu’un écoulement régulier se produise avec le nole et le motif. Enregistrez 20 images à 30 images par seconde.

Ces cadres sont l’image de référence. Continuez en capturant de l’éthanol et de l’eau, puis des images d’eau uniquement pour chaque nombre de Reynolds d’intérêt. Lorsque toutes les données sont collectées, tournez-vous vers l’ordinateur pour poursuivre l’étalonnage.

Utilisez le logiciel de traitement d’image pour diviser les images acquises par l’image de référence pour chaque erreur de nombre de Reynolds. L’échantillon d’images acquises pour le moment où l’éthanol aqueux pénètre par le canal en haut de l’image et le canal en bas, la division par l’image de référence donne les données de rapport d’échelle de gris à une distance donnée le long du flux. Sélectionnez des points dans la direction du flux transversal et extrayez le rapport de l’échelle de gris à chacun d’eux.

Faites-le pour plusieurs points le long du cours d’eau et tracez les données à des fins de comparaison. Effectuez une simulation numérique de la dynamique des fluides de l’expérience. Utilisez cette méthode pour calculer la dérivée de la fraction massique par rapport à la dérivée transversale.

Ensuite, exploitez la relation linéaire attendue entre le rapport d’échelle de gris et la dérivée à l’aide de la régression linéaire. Pour trouver la droite de régression après l’étalonnage, utilisez la technique du micro-schlein pour étudier un appareil cible. Tout d’abord, déconnectez et retirez le dispositif à microcanaux T de l’étage d’échantillonnage.

Remplacez-le par un dispositif microfluidique cible de profondeur à peu près égale. Connectez l’appareil à l’eau et à la solution aqueuse d’éthanol avec l’eau d’entrée d’enregistrement de la caméra et diluez l’éthanol à des débits volumiques égaux sur l’ordinateur. Attendez que le flux soit stabilisé et enregistrez 20 images pour l’image acquise.

Ensuite, arrêtez la pompe à seringue pour l’éthanol aqueux et n’entrez que de l’eau dans le dispositif microfluidique cible. Retournez à l’ordinateur pour obtenir l’image de référence. Le rapport d’échelle de gris sous différents nombres de Reynolds pour les gradients de fraction de masse positifs et négatifs a une bande apparaissant au milieu du microcanal T à un faible nombre de Reynolds.

La queue de la bande de Schlein est élargie et floue en raison de la dispersion à travers l’interface de mixage. Au fur et à mesure que le nombre de Reynolds augmente, la longueur de diffusion se raccourcit, ce qui conduit à une bande plus étroite. Dans cette vidéo, la relation linéaire trouvée entre le rapport en niveaux de gris et la dérivée de fraction massique a été utilisée pour capturer la nature oscillante de l’écoulement dans un oscillateur microfluidique à un nombre de Reynolds de 250.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la mise en œuvre de la technique de stratification à l’échelle microscopique pour la quantification des gradients de concentration dans un dispositif microfluidique.