Analyse Inhomogénéité mélange dans un dispositif microfluidique par Microscale Schlieren Technique

L'objectif général de cette procédure est de mesurer de manière non invasive le gradient de concentration dans un dispositif microfluidique en utilisant la technique microéchelle de sch larin. Cela est réalisé en premier lieu en montant le système microéchelle de sch larin à partir d'un microscope à contraste de modulation Hoffman. Retirez la plaque à fente du condenseur et remplacez le modulateur situé au plan focal arrière de l'objectif par un bord de lame.

La deuxième étape consiste à monter un microcanal en T et à démarrer une procédure de mélange de calibration. Imager le canal en T afin d'obtenir des images microscopiques en niveaux de gris. Ensuite, comparer les images microscopiques avec une simulation de dynamique des fluides computationnelle.

Pour déterminer la relation entre les nuances de gris et les gradients de concentration, les étapes finales consistent à charger un dispositif microfluidique cible. Prendre une image micro schlein du mélange et utiliser la courbe d'étalonnage pour convertir les valeurs de nuances de gris en gradients de concentration. En définitive, la technique microscale schlein permet de quantifier l'inhomogénéité du mélange dans un dispositif microfluidique en temps réel.

L'avantage principal de cette méthode par rapport aux techniques existantes telles que l'imagerie par fluorescence ou l'ombre est qu'elle permet des mesures instationnaires du gradient de concentration, révélant ainsi l'hétérogénéité tridimensionnelle dans un dispositif microfluidique. La démonstration de cette procédure sera assurée par Dr. Un récent docteur d'un laboratoire. La première étape consiste à préparer le dispositif microfluidique qui sera utilisé dans l'expérience.

Cet appareil à microcanaux a été fabriqué par moulage de polydiméthylsiloxane. Le schéma de l'appareil montre ses canaux d'alimentation et son canal de convergence. Chaque canal est relié à une région circulaire qui servira de site de connexion des fluides.

Pour l'expérience, fixez un dispositif microfluidique sur une lame de verre et insérez des tubes en téflon. Pour établir les connexions fluidiques, mettez le dispositif de côté. Pendant la préparation de l'expérience, montez le système microscopique schlein à partir d'un microscope à contraste de phase Hoffman.

Ayez un bord de lame prêt à être placé dans le trajet optique. Ce bord de lame est fabriqué sur mesure pour être utilisé dans ce système et est noirci afin de réduire la réflectivité. Gardez le bord de lame à portée de main et commencez à modifier l'impulsion du microscope.

Retirez la plaque fendue située devant le plan focal du condenseur. Ensuite, retirez le modulateur du plan focal arrière de l'objectif 5 x. Prenez le bord de lame et insérez-le à la place du modulateur.

Pour capturer la vidéo, utilisez une caméra haute vitesse fixée sur le tube trinoculaire du microscope et connectée à un ordinateur. Allumez la source lumineuse et commencez à transmettre une vidéo en niveaux de gris vers l'ordinateur. Ensuite, capturez et traitez une image.

Enregistrez une image du flux vidéo et utilisez un logiciel de traitement d'image pour obtenir sa valeur de niveaux de gris. Revenez au microscope et retirez le bord coupant sur l'ordinateur. Surveillez la valeur moyenne affichée pour les niveaux de gris tout en ajustant l'illumination et l'ouverture.

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

Au niveau de l'ordinateur. Enregistrez la valeur moyenne de l'échelle de gris de l'image. Il s'agit de l'intensité du fond pour une coupure à 100 %.

Ajustez ensuite itérativement la position du bord de lame tout en surveillant la valeur moyenne de la lecture de la nuance de gris des images capturées. Arrêtez lorsque la valeur moyenne de la lecture de la nuance de gris de l'image se situe au milieu des valeurs 0 et 100 % ; cela règle le degré de coupure à 50 %. Revenez maintenant au microscope pour monter le dispositif du microcanal en T. Placez-le sur la platine porte-objet de sorte que le canal confluent soit parallèle au bord de lame.

Réglez grossièrement la mise au point une fois l'appareil en place. Préparez les fluides nécessaires à l'expérience. Sélectionnez deux fluides transparents dont les indices de réfraction ne soient pas du tout négligeables l'un par rapport à l'autre.

Pour cette vidéo, l'eau est utilisée comme fluide de référence et une solution aqueuse d'éthanol constitue l'autre fluide, afin d'obtenir la dépendance linéaire de l'indice de réfraction en fonction de la concentration. Choisissez la fraction massique de l'éthanol aqueux de manière à ce qu'elle se situe dans la région linéaire. Cette expérience utilise une fraction massique de 0,05 pour distribuer les fluides correctement.

Deux seringues identiques permettent de remplir une seringue avec de l'eau, tandis que l'autre contiendra de l'éthanol aqueux dilué, en reliant les seringues au microcanal en T. Utilisez un tube en téflon pour relier chacune des deux entrées du microcanal en T à l'une des seringues. Disposez deux pompes à seringue afin d'acheminer les fluides vers les entrées du microcanal.

Chargeez une pompe avec la seringue contenant le fluide de référence. Chargez l'autre pompe avec la seringue contenant l'éthanol dilué, mais placez l'extrémité du tube de sortie dans un récipient et fixez-la sur la paroi de ce récipient. Commencez l'étalonnage pour leur attribuer un nombre de Reynolds en réglant le débit des pompes à seringue.

Démarrez les pompes à seringue pour délivrer simultanément les fluides de travail à un débit volumétrique identique. Utilisez la caméra pour observer finement le microcanal. Réglez la mise au point et attendez que l'écoulement stabilisé soit signalé par une ligne SL et un motif stationnaires.

Utilisez une fréquence d'images de 30 images par seconde pour enregistrer 20 images du mélange fluidique. Ces images constituent l'acquisition d'images. Une fois terminé, préparez les pompes pour obtenir un autre ensemble d'images.

Arrêtez la pompe à seringue pour l'éthanol dilué et continuez à pomper de l'eau à travers une entrée. Observez l'écoulement et attendez jusqu'à ce qu'un écoulement stable soit atteint, sans bulle ni motif irrégulier. Enregistrez 20 images à raison de 30 images par seconde.

Ces images servent d'image de référence. Procédez ensuite à l'acquisition d'images d'éthanol et d'eau, puis d'eau uniquement, pour chaque nombre de Reynolds d'intérêt. Une fois toutes les données recueillies, passez à l'ordinateur pour poursuivre l'étalonnage.

Utilisez le logiciel de traitement d'images pour diviser les images acquises par l'image de référence pour chaque erreur de nombre de Reynolds. Les images acquises échantillonnées lorsque l'éthanol aqueux pénètre par le canal situé en haut de l'image et le canal situé en bas, divisées par l'image de référence, fournissent les données du rapport en niveaux de gris à une distance donnée le long du flux. Sélectionnez des points dans la direction transversale au flux et extrayez le rapport en niveaux de gris à chacun de ces points.

Effectuez cela pour plusieurs points le long du courant et tracez les données pour comparaison. Réalisez une simulation numérique de la dynamique des fluides de l'expérience. Utilisez-la pour calculer la dérivée de la fraction massique par rapport à la dérivée transversale au courant.

Ensuite, exploitez la relation linéaire attendue entre le rapport de niveaux de gris et la dérivée en utilisant une régression linéaire. Pour trouver la droite de régression après l'étalonnage, utilisez la technique micro schlein pour étudier un dispositif cible. Commencez par déconnecter et retirer le dispositif T microcanal du porte-échantillon.

Le remplacer par un dispositif microfluidique cible d'une profondeur approximativement équivalente. Connecter le dispositif à l'eau et à la solution aqueuse d'éthanol tout en enregistrant avec la caméra l'entrée d'eau et d'éthanol dilué à des débits volumétriques égaux sur l'ordinateur. Attendre jusqu'à ce que l'écoulement soit stabilisé et enregistrer 20 images pour l'image acquise.

Ensuite, arrêtez la pompe à perfusion pour l'éthanol aqueux et introduisez uniquement de l'eau dans le microdispositif cible. Revenez à l'ordinateur pour obtenir l'image de référence. Le rapport de niveaux de gris sous différents nombres de Reynolds pour des gradients positifs et négatifs de fraction massique présente une bande apparaissant au milieu du microcanal en T à un nombre de Reynolds faible.

La queue de la bande de Schlein est élargie et floue en raison de la dispersion à travers l'interface de mélange. Lorsque le nombre de Reynolds augmente, la longueur de diffusion diminue, ce qui conduit à une bande plus étroite. Dans cette vidéo, la relation linéaire observée entre le rapport de niveaux de gris et la dérivée de la 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 visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la mise en œuvre de la technique de stratification à micro-échelle pour la quantification des gradients de concentration dans un dispositif microfluidique.