マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

この手順の全体的な目標は、マイクロスケールのsch larin技術を使用して、マイクロ流体デバイスの濃度勾配を非侵襲的に測定することです。これは、まずホフマン変調コントラスト顕微鏡からマイクロスケールのsch larinシステムを構築することによって達成されます。コンデンサーのスリットプレートを取り外し、対物レンズの後焦点位置にあるモジュレーターをナイフエッジと交換します。

2番目のステップは、Tマイクロチャネルをマウントし、キャリブレーションミキシング手順を開始することです。グレースケールのマイクロシュライン画像を取得するために、Tチャネルを画像化します。次に、マイクロスラリンの画像を計算流体力学シミュレーションと比較します。

グレースケールと濃度勾配の関係を見つけるための最後のステップは、ターゲットのマイクロ流体デバイスをロードすることです。ミキシングのマイクロシュライン画像を取得し、検量線を使用してグレースケール値を濃度勾配に変換します。最終的に、マイクロスケールのシュライン法を使用して、マイクロ流体デバイス内で均一性で混合を定量的にリアルタイムで示します。

蛍光イメージングやシャドーなどの既存の技術に対するこの方法の主な利点は、マイクロ流体デバイスの均一性の3次元を明らかにする濃度勾配の非定常的な達成測定を可能にすることです。この手順をデモンストレーションするのは、研究室から最近博士号を取得した博士です。最初のステップは、実験で使用するマイクロ流体デバイスを準備することです。

このtマイクロチャネルデバイスは、ポリジメチルスローンを成形することによって作製されました。デバイスの概略図は、フィードチャネルと合流チャネルを示しています。各チャネルは、流体接続のサイトとなる円形領域に接続されています。

実験は、スライドガラス上にマイクロ流体デバイスを装着し、テフロン管を挿入します。流体接続を行うには、デバイスを脇に置きます。実験の準備が整ったら、ホフマン変調コントラスト顕微鏡からマイクロスケールのシュラインシステムを構築します。

光路にナイフエッジを入れる準備をします。このナイフエッジは、このシステムで使用するためにカスタムメイドされており、反射率を減らすために黒くなっています。ナイフの刃を手元に置いて、顕微鏡のバーストを修正し始めます。

コンデンサーの焦点面の前にあるスリットプレートを取り外します。次に、5 x 対物レンズの後焦点面からモジュレーターを取り外します。ナイフエッジを入手し、モジュレーターの代わりに挿入します。

ビデオをキャプチャするには、顕微鏡の三眼管に取り付けられ、コンピューターに接続された高速カメラを使用します。光源をオンにして、グレースケールビデオのコンピューターへの送信を開始します。次に、画像をキャプチャして処理します。

ビデオストリームから画像を記録し、画像処理ソフトウェアを使用してグレースケール値を取得します。顕微鏡に戻り、コンピューターのナイフエッジを取り外します。照明と絞りを調整しながら、平均グレースケールの読み出しを監視します。

画像の平均グレースケール読み出しが最大値より約10%小さくなったら停止します。これは、0% カットオフの背景強度です。次に、ナイフエッジを挿入して、入射光を完全にブロックします。

コンピュータで。画像の平均グレースケール読み出しを記録します。これは、100% カットオフの背景強度です。

次に、キャプチャされた画像の平均グレースケール読み出しを監視しながら、ナイフエッジの位置を繰り返し調整します。止める。画像の平均グレースケール読み出しがゼロ値と100%値の中央にある場合、これによりカットオフの度合いが50%に設定されます。コンフルエントチャネルがナイフエッジと平行になるように、試料ステージに置きます。

デバイスが所定の位置に配置されたら、フォーカスを大まかに調整します。実験のために流体を修復します。屈折率がなく、互いに完全に見逃せない 2 つの透明な流体を選択します。

このビデオでは、参照流体として水を使用し、エタノール水溶液が他であり、濃度の関数としての屈折率のプラスです。そして、水性エタノールの質量分率を選択して、線状領域に収まるようにします。この実験では、0.05の質量分率を使用して液体の修復を分配します。

2つの同一のシリンジが1つのシリンジを水で満たし、もう1つのシリンジはシリンジをTマイクロチャネルに接続する水性エタノールを希釈します。テフロンチューブを使用して、Tマイクロチャネルの2つのインレットのそれぞれをシリンジの1つに接続します。マイクロチャネルインレットに液体を供給するために、2つのシリンジポンプを取り付けます。

1つのポンプに基準液シリンジをロードします。もう一方のポンプに希釈エタノールシリンジを入れますが、流出チューブの端を容器に入れ、容器の壁に固定します。シリンジポンプの流量を設定して、レイノルズ数を与えるためのキャリブレーションを開始します。

シリンジポンプを始動して、同じ体積流量で作動流体を同時に供給します。カメラを使用して、マイクロチャネルを細かく観察します。フォーカスを調整し、定常的な流れが静止したSLとパターンによって信号を安定するまで待ちます。

30 フレーム/秒のフレームレートを使用して、20 フレームの流体ミキシングを記録します。これらのフレームは、取得した画像です。完了したら、ポンプを準備して別のフレームセットを取得します。

希薄なエタノールのシリンジポンプを停止し、1つの入口から水を汲み上げ続けます。流れを観察し、ノールとパターンで安定した流れが発生するまで待ちます。毎秒30フレームで20フレームの画像を記録します。

これらのフレームは参照イメージです。エタノールと水をキャプチャし、次に関心のある各レイノルズ数の画像のみを水でキャプチャします。すべてのデータが収集されたら、コンピューターに移動してキャリブレーションを続行します。

画像処理ソフトウェアを使用して、取得した画像を各レイノルズ数誤差の参照画像で除算します。画像上部のチャネルから水性エタノールが入り、参照画像による下部の分割でチャネルが入る場合のサンプル取得画像は、ストリームに沿った所定の距離でのグレースケール比データを提供します。クロスストリームの方向のポイントを選択し、各ポイントのグレースケール比を抽出します。

これをストリーム沿いのいくつかのポイントに対して行い、比較のためにデータをプロットします。実験の計算流体力学シミュレーションを実行します。これを使用して、クロスストリーム導関数に対する質量分率の導関数を計算します。

次に、線形回帰を使用して、グレースケール比と微分の間に予想される線形関係を利用します。キャリブレーション後に回帰直線を見つけるには、マイクロシュライン法を使用してターゲットデバイスを研究します。まず、Tマイクロチャネルデバイスをサンプルステージから取り外して取り外します。

ほぼ同じ深さのターゲットマイクロ流体デバイスと交換します。カメラが入力水を記録し、コンピューターでエタノールを等体積の流量で希釈し、デバイスを水とエタノール水溶液に接続します。フローが安定するまで待ち、取得した画像に対して20フレームを記録します。

次に、エタノール水用のシリンジポンプを停止し、目的のマイクロ流体デバイスに水のみを入力します。コンピュータに戻り、参照イメージを取得します。正と負の質量分率勾配の異なるレイノルズ数の下でのグレースケール比では、低いレイノルズ数でTマイクロチャネルの中央にバンドが現れます。

シュラインバンドのテールは、ミキシング界面全体に分散するため、拡大し、ぼやけます。レイノルズ数が増加すると、拡散長が短くなり、バンドが狭くなります。このビデオでは、グレースケール比と質量分率導関数の間に見られる線形関係を使用して、レイノルズ数250のマイクロ流体オシレーター内の流れの振動特性を捉えました。

このビデオを見れば、マイクロ流体デバイスの濃度勾配を定量するためのマイクロスケール・レイヤリング手法の実装方法について十分に理解できるはずです。