Name: 마이크로 스케일 슐 리렌 기술에 의해 미세 유체 소자 믹싱 비균질성 분석 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 12 s
Description: 배우세요 마이크로 스케일 슐리렌 기술을 활용하여 미세 유체 소자 내 농도 구배를 비침습적으로 측정하는 방법을. 이 기법은 혼합 불균일성을 정량적으로 분석하여 유체 역학 연구에 활용됩니다.

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이 작품은 허가 번호 101-2221-E-002-064-MY3에서 과학 대만의 기술부에 의해 지원되었다.

미세 유체 소자의 제조 1 <ol><li> T - 마이크로의 윤곽을 그리는 그래픽 레이아웃 소프트웨어 (예를 들어, AutoCAD를)를 사용합니다. T-마이크로 채널, 2 개의 공급 채널​​은 90 ㎛ 폭 및 2500 ㎛의 길이 및 합류 채널 (180)은 길고 넓은 ㎛ 내지 3,000 ㎛ 인 것이다. 1,100 ㎛의 직경 개별 원에 각 채널의 끝을 연결합니다. </li><li> 마크 &#39;명확한&#39;각각 노출과 적용 분야에 대한 &#39;어둠&#39;. 네거티브 포토 레지스트의 경우 (예를 들면, SU-8), T-마이크로 채널의 형상은 &#39;클리어&#39;이고, 주변은 &#39;어두운.&#39; </li><li> 크롬 - 온 - 유리 포토 마스크 상에 T-의 미세 패턴을 전사하는 442 nm의 파장 및 2 ㎛의 최소 피처 크기와 레이저 패턴 생성기를 사용한다. </li><li> 포토 마스크 기판 (예를 들면, 단면 연마 실리콘 웨이퍼) 및 영구 에폭시를 사용하여 포토 레지스트 (예를 들어., SU-8)는 표준 리소그래피 공정을 통해 주형을 만드는. 포토 레지스트 층은 55.2 μm의 두께이다. 일반적으로, 포토 레지스트의 두께는 대물 렌즈 17-19의 상관 관계의 깊이보다 얇은 것으로한다. </li><li> T-마이크로 채널 (20)을 제조하는 금형 등의 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)와 같은 투명 재료를 사용한다. </li><li> 유체 연결의 펀치 외경 2mm의 스테인레스 스틸 튜브를 이용하여 구멍 PDMS에 원형 패턴으로 정렬. </li><li> PDMS, 30 초, 60 W 산소 플라즈마로 유리 슬라이드의 표면 치료. 유리 슬라이드에 PDMS를 연결합니다. 두 물질의 산화 된 표면은 강한 결합을 만들 수 있습니다. 120 ℃에서 5 분 동안 핫 플레이트 상에 결합 된 구조를 PDMS 놓는다. </li><li> 유체 연결에 대한 펀치 구멍에 테프론 튜브를 삽입합니다. </li></ol> 2. 실험 설정 <ol><li> Hoffma에서 마이크로 슐 리렌 시스템을 구축응축기의 정면 초점면에 슬릿 판을 제거하고, 5 배 대물 렌즈 (3)의 후면 초점면에서 나이프 - 에지 변조기 대체하여 N 개의 변조 현미경. 대물 17-19의 개구 수에 따라 상관의 깊이는, 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분해야한다. 칼날의 표면 반사율을 감소시키기 위해 양극 산화 알루미늄에 의해 흑화된다. </li><li> C-장착 어댑터를 통해 현미경 안 경통에 고속 카메라를 탑재. 카메라는 빔 스플리터를 통해 현미경의 광로에 직면하게한다. 이더넷 케이블을 통해 데스크톱 컴퓨터에 카메라를 연결합니다. 그 계조가 판독 입력 휘도에 비례하도록 카메라 (1)에 감마 보정을 설정한다. </li><li> 광원의 전원을 켭니다. 과량의 열을 방지하기 위해, LED (발광 다이오드) 조명을 사용한다. </li><li> 예를 들어, &lt;(이미지 처리 소프트웨어를 사용하여/ 엠&gt;에 MATLAB 함수 imread)은 취득 된 화상의 계조 값을 얻었다. 나이프 에지를 제거 화상의 평균 계조 리드가 최대 값보다 약 10 % 이하가되도록 조명, 조리개와 노출 시간을 조정한다. 이는 0 % 차단 용 배경 강도를 나타내고, 우리는 8 비트 이미지 (230)의 값을 사용한다. </li><li> 완전히 입사광을 차단하기 위해 칼날을 넣습니다. 이미지의 평균 그레이 스케일 판독을 기록합니다. 이것은 100 % 차단을위한 배경 강도를 나타내고, 그 값은 약 15, 8 비트 화상에 대한 것이다. </li><li> 나이프 에지의 위치를​​ 조절하도록 상기 취득 된 화상의 평균 그레이 스케일 판독 값은 0 % 및 100 %에 대한 컷오프 값의 중간에 놓여있다. 지금 절단의 정도는 50 %로 설정된다. </li><li> 성분으로 서로 완전히 혼화 알려진 굴절률 (21)와 두 개의 투명한 액체를 준비합니다. 굴절 공업의 의존도를 평가하기혼합물의 농도에 대한 예는 문헌 (21)를 확인하거나 글래드스톤 - 데일 식 (22)를 사용합니다. 곡선이 전체 범위에 걸쳐 비선형 인 경우, 다른 유체 부품을 선택한다. 이어서, 용액의 굴절률 농도 변화하는 직선 아래에 지정된 조성물을 선택한다. 예를 들어, 작동 유체로서 0.05 질량 분율의 물로 희석 수성 에탄올을 사용한다. </li><li> 시편 무대에서 T-마이크로 넣습니다. 칼날에 합류 채널 병렬 너무 (그림 1) T - 마이크로 정렬. </li><li> 주사기는 기준 유체 (물)의 역할을 작동 유체로 충전되고, 주사기 B가 다른 작동 유체 (에탄올 희석)로 채워진다 : 두 개의 동일한 주사기를 준비한다. 주사기의 크기는 원하는 유량 Q와 주사기 펌프의 사양에 의존한다 : Q = D πd는 SYR의 내경은 2 V / 4인게 및 V는 플런저의 속도이다. 유량 맥동은 통상 23 V를 증가 작은 주사기를 선택함으로써 방지 될 수있다. </li><li> 비커에 T-마이크로 채널에서 출구 유체를 수집합니다. 확인 테프론 배출관 비커의 벽에 고정되고 그 단부 액적 breakoff 의해 발생 될 진동을 피하기 위해 비커 내의 액체 레벨 이하이다. </li></ol> 3. 교정 <ol><li> 두 유체 혼합과 참조 화상의 화상을 취득. <ol><li> 주어진 레이놀즈 수 (Re)에서, 주사기 펌프의 유량을 설정, Q. Q는 Q = μ (W + D) 재 / 4ρ, μ 및 ρ는 점도 및 작동 유체의 밀도 어디에, 및 W로부터 산출 및 D는 각각 T-마이크로 합류 채널의 폭 및 깊이이다. </li><li> 로드 한 주사기와 펌프와 SY와 다른 펌프ringe 나 연결은 T-마이크로의 두 입구는 테프론 튜브를 통해 주사기 B에 주사기. 동일한 체적 유량으로 T-마이크로 채널로 작동 유체를 전달하기 위해 주사기 펌프를 시작. </li><li> 꾸준한 흐름이 확립 될 때까지 기다립니다. 정상 흐름 조건은 고정 슐 리렌 패턴의 출현에 의해 정의된다. </li><li> 30 fps의 프레임 비율에서의 혼합 유체의 스물 프레임을 기록하는 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다. </li><li> 오직 일정한 속도로 T-마이크로 합류 채널에 하나의 입구를 통해 상기 기준 유체 (물)을 주사기 펌프 B. 탑재되어 펌프를 정지. </li><li> 정상 흐름 상태에 도달 할 때 더 슐 리렌 패턴이 관찰되지 않을 때까지 기다립니다. </li><li> 광학적 불균일성이 T-마이크로 채널에 존재하지 않는 경우에 참조 화상을 취할 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다. 30 fps의 프레임 비율에서 스무 프레임을 기록한다. </li><li> 다른 레이놀즈 수에서 3.1.7에 3.1.1를 반복 = 1 다시, 5, 10, 20, 50이되도록 더 복잡한 유동 구조는 T-마이크로 채널 (24)의 합류 영역에 출현하지 않는다. </li></ol></li><li> i 및 j는 픽셀 인덱스이다 참조 화상 I 0 (I, J) (25)에 의해 취득 된 화상 I (I, J)를 분할하는 화상 처리 소프트웨어를 사용한다. </li><li> T - 마이크로에있는 지정된 유체의 혼합을 시뮬레이션하기 위해 CFD (전산 유체 역학) 패키지를 사용한다. <ol><li> T-마이크로 채널의 형상에 대한 입체 모델을 구축. 격자 구조 내로 유동 도메인 이산화. , 정확도를 높일 합류와 T-마이크로의 중심 지역에 미세한 메쉬를 사용합니다. </li><li> 유체의 물성을 할당하고 유동 도메인 경계 조건을 확립한다. 해결 프로세스 중 마지막에서 얻어진 농도에서 농도 의존적​​ 확산 계수를 결정지방의 농도를 업데이트하기 위해 반복 (26). </li><li> 그리드 연구 (27)를 수행하여 계산 된 결과의 민감도를 검사합니다. </li></ol></li><li> 각 노드 (X I, I, Y)의 XY -plane에이 사다리꼴 규칙에 의해 채널 깊이에 걸쳐 농도 필드의 평균값을 취하는 CFD 포스트 - 프로세싱 툴을 채용 : w (X I, Y의 j) = {Σ k를 [W (X I, Y의 J, Z의 k)는 W + (X I는, Y의 J, Z의 K + 1)] ∙ (Z k에 한 - Z의 K) / 2} / D 28, D는 어디 채널 깊이. deriva을 계산하기 위해 중앙 차분 기법을 사용하여교차 흐름 방향에 대한 농도의적인 (∂ w / ∂의 Y) I, J = [(X I, Y j를 +1) w - w (X I, Y의 J-1)] / (Y의 J 한 - Y의 J-1). </li><li> 양 및 음의 기울기 모두를 들어, 그레이 스케일 값 I / I가 0 (3.2에서 얻어진 것) 및 질량 분율의 구배 ∂ w / ∂ Y는 Y = 0 (중심선으로 지정 장소에서 (3.4에서 얻어진 것), 유선의 비율을 추출 방향) 또는 다양한 주어진 X (가교 스트림 방향). </li><li> 결과 플롯과 내가 사이에 / I 0의 관계를 결정하고 ∂ ∂ / Y, I / I 0 승 </su선형 회귀와 / Y ∂ + C 2 (C 1과 C 2는 상수) W B&gt; C = 1 ∂. </li></ol> 4. 정량 <ol><li> 반복 3.1 대상 미세 유체 소자에 혼합 3.2 단계를 반복합니다. 대상 미세 유체 장치의 깊이는 동일하거나 T-마이크로에 가까운해야합니다. 비정상 현상이 예상되는 경우, 단계 3.1.4 대신에 비디오 클립 (이미지의 연속)를 취득. 노출 시간은 2.4, 2.5, 3.1.4 및 3.1.7에서 사용되는 값과 동일해야하는 동안 프레임 레이트가 분명히 과도 유동 역학을 해결하기에 충분히 높아야한다. </li><li> 대상 미세 유체 소자의 질량 분율의 구배 계조 값의 비율을 변환하는 단계에서 얻어진 3.6의 관계를 사용한다. </li></ol>

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</ol>

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마이크로 유체 장치 내의 유체 혼합의 경우, 마이크로 슐 리렌 기술은 광 강도 변화를 정량화를 통해 농도 기울기의 크기를 측정 할 수있다. 이 기술의 원리는 빛의 전파의 교대를 검출에 의존하기 때문에, 작동 유체와 미세 유체 소자는 입사광에 대해 투명해야한다. 또한, 프로토콜은 용액의 굴절 지수와 작동 유체의 예비 평가가 필수적이다 지도록 조성물 간의 선형 관계를 필요로한다. 에탄올 수용액이 본원에서 입증 이외에도 마이크로 슐 리렌 기술이 성공적 염도 구배 29 solutocapillary 대류 30의 측정에 적용된다. 교정 과정에서 사용되는 정확한 측정, 조리개 범위, 조사 수준, 노출 시간, 대물 렌즈와 마이크로 깊이의 정량 방법에 사용되는 것과 동일 할 필요. 또한, 대물 렌즈의 상관 관계의 깊이는 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분히 커야한다. T-마이크로 믹싱의 보정 과정은 마이크로 슐 리렌 기술의 정확한 정량 분석​...

유체 혼합은 많은 산업 공정과 생물학적 시스템에서 발견되는 중요한 문제이다. 마이크로 유체의 출현과 함께, 마이크로의 혼합으로 인해 대량 전송 메커니즘 중 확산 지배에의 도전에 많은 관심을 가져왔다. 효과적인 마이크로 믹서에 필요한 정량적 검증을 설계하기 때문에, 여러 가지 측정 방법 5-7 개발되었다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 효율적인 micromixers 5 검색된 입체 구조는 공통 측정 기술들이 제공하지 못하는 농도 필드의보다 정확한 표현을 요구한다. 인해 각도 8 또는 반응 속도론 6의 시청 제한하기 위해 상기 한 방법 올바르게 혼합물의 균질성을 고려하지 않은 잘못된 결과를 생성 할 수있다. 광학적으로 투명 미세에 혼합 광학적으로 투명한 액체, 마이크로 슐 리렌 기술 3,9-14에 대한 </SUP&gt; 불균일 혼합 분석 할 수있는 매력적인 대안을 제공합니다. 과거에는, 마이크로 슐 리렌 기법은 주로 압축성 유동 9-13, 15 또는 16 단계 구배를 시각화하는데 사용되었다. 마이크로 슐 리렌 기술 간단한 광학 레이아웃 및 높은 감도 모두로부터 혜택 및 광 교란을 야기하지만 혼합을 평가하는데 사용하기에 적합하다 특정한 유동 특성의 비 침습성 조사까지도 가능하게한다. 본 논문에서는 현미경의 대물 렌즈의 초점면에 나이프 에지를 삽입하여 마이크로 슐 리렌 시스템을 구축, 정량 분석을 실현하는 교정 절차를 설명하고, 미세 유체 발진기 4 유효성 측정을보고한다. 측정을 구현하기 위해, 작동 유체를 적절히 혼합 유체의 굴절률은 조성에 따라 선형 적으로 변화되도록 선택되고, 대상 미세 유체 소자의 두께에 동일 아르전자는 교정에 사용됩니다. 종 농도 외에, 마이크로 슐 리렌 기법은 선​​형으로 온도 나 염분 등의 굴절율, 상관된다 다른 스칼라 양의 기울기를 측정하기 위해 확장 될 수있다.

<table><tbody><tr><td>영구 에폭시 네거티브 포토레지</td>스트 <td>MicroChem SU-8</td><td>2150</td><td></td></tr><tr><td>단면 광택 실리콘 웨이퍼</td><td>라이트 기술</td><td>S4W1PP5SABUP1</td><td>p형, 직경: 100&plusmn; 0.5mm, 두께: 525&period; 25mm, 방향: (1 0 0)</td></tr><tr><td>주사기 펌프</td><td>kdScientific</td><td>kds210</td><td></td></tr><tr><td>주사기, i.e. 10ml</td><td>Terumo</td><td>SS-10L2138</td><td></td></tr><tr><td>Hoffman 모듈레이션 콘트라스트 현미경</td><td>Leica Microsystems</td><td>DM IL LED</td><td></td></tr><tr><td>5X 대물 렌즈</td><td>Leica Microsystems</td><td>N PLAN</td><td>NA = 0.12</td></tr><tr><td>나이프 엣지</td><td></td><td></td><td>커스텀 Made Part</td></tr><tr><td>Camera, i.e. 고속</td><td>통합 설계 도구</td><td>NX7-S1</td><td></td></tr><tr><td>C-마운트 어댑터 HC 0.63x</td><td>Leica Microsystems</td><td>541537</td><td></td></tr><tr><td>카메라 운영 소프트웨어</td><td>통합 설계 도구</td><td>MotionPro X Studio 2.02.01</td><td></td></tr><tr><td>폴리디메틸실록산(PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard-184 실리콘 엘라스토머 키트</td><td></td></tr><tr><td>테플론 튜브, i.e. O.D. x I.D. 1/16 in. x 0.031 에.</td><td>Supelco</td><td>58700-U</td><td></td></tr><tr><td>마이크로 유리 슬라이드</td><td>Matsunami Glass</td><td>S2215</td><td></td></tr><tr><td>핫 플레이트</td><td>영신</td><td>HP-303DN</td><td></td></tr><tr><td>증류수, i.e HPLC 등급</td><td>알프스 화학 에</td><td></td><td></td></tr><tr><td>틸 알코올, i.e. 시약 등급</td><td>Nihon Shiyaku 시약</td><td>EA448652</td><td></td></tr><tr><td>이미지 처리 소프트웨어</td><td>, Mathworks</td>, <td>MATLAB R2009a,</td><td></td></tr><tr><td>전산 유체 역학 패키지,</td><td>ESI 그룹</td>, <td>CFD-ACE+, 2008</td><td></td></tr></tbody></table>

마이크로 스케일 슐 리렌 기술에 의해 미세 유체 소자 믹싱 비균질성 분석

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

본 논문에서는 미세 유체 장치에 불균일 혼합 측정하기 위해 마이크로 슐 리렌 기법의 사용을 소개합니다. 슐 리렌 마이크로 시스템은 슬릿 판을 제거하고 칼날에 변조기를 대체함으로써, 대물 렌즈의 후방 초점면에 쉽게 액세스 할 호프만 변조 현미경으로부터 구성된다. 마이크로 슐 리렌 기술의 작동 원리는 굴절률 1-3의 변화에 의한 빛의 편향을 검출에 의존한다. 편향 빛이 탈출 또는 각각 밝거나 어두운 밴드를 생산하는 칼날에 의해 가려 하나. 혼합물의 굴절률이 그 조성과 함께 선형 적으로 변화하는 경우, 이미지면에서의 광 강도의 변화는 로컬 광축에 수직 농도 구배에 비례한다. 마이크로 슐 리렌 화상 입체 불균일성에 의해 생성 된 광의 교란 이차원 투영을 준다. 정량 분석​​을 수행하기 위해, T-마이크로 채널에서 두 유체 혼합 교정 과정을 설명한다. 우리는 해당 마이크로 슐 리렌 화상과 밀접한 상관 관계 T-마이크로 채널에서 농도 구배를 얻는 수치 시뮬레이션을 수행한다. 이에 비해, 마이크로 슐 리렌 화상의 계조 판독 및 미세 유체 소자에서 제시된 농도 기울기 사이의 관계가 성립된다. 이 관계를 사용하여, 우리는 마이크로 유체 발진기 (4)에 측정과 마이크로 슐 리렌 기법의 능력을 준 마이크로 슐 리렌에서 이미지 혼합 불균일성을 분석하여 입증 할 수있다. 광학적으로 투명한 유체, 마이크로 슐 리렌 기술은 혼합 공정의 3 차원 기능을 유지 순시 전체 필드의 정보를 제공하는 진단 도구 매력적이다.

그레이 스케일 비는 I / 질량 분율의 양 및 음의 기울기 모두 다른 레이놀즈 수 미만 I 0 T - 마이크로 채널의 중간에 나타나는 대칭 밴드 (도 2)를 나타낸다. 낮은 레이놀즈 수에서, 슐 리렌 밴드의 꼬리 인해 혼합 인터페이스를 통해 분산 확장과 희미합니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 확산 길이는 좁은 밴드 선도 단축시킨다. 다른 다운 스트림 위치에서 강도 변화 ΔI의 변형 / I가 교차 흐름 방향을 따라 0 정량적 (도 3)에 도시되어있다. 보정 과정에서의 결과가 (도 4a 표현 및 (b)). 나는 사이의 관계 / I 0 승 ∂ / ∂ y는 레이놀즈 NUM의 선...

여기에서는 미세유체 장치에서 혼합 불균일성을 측정하기 위해 마이크로 스케일 슐리에렌 기술을 사용하는 절차를 설명합니다. 보정을 통해 농도 구배의 분포는 micro-schlieren 이미지에서 파생될 수 있습니다.

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

본 절차의 전반적인 목표는 마이크로스케일 schlaren 기법을 사용하여 미세유체 장치 내의 농도 구배를 비침습적으로 측정하는 것입니다. 이는 먼저 Hoffman 변조 대비 현미경을 이용하여 마이크로스케일 schlaren 시스템을 구축함으로써 수행됩니다. 콘덴서의 슬릿 플레이트를 제거하고, 대물렌즈의 후방 초점면에 있는 변조기를 나이프 엣지로 교체하십시오.두 번째 단계는 T 마이크로채널을 장착하고 캘리브레이션 혼합 절차를 시작하는 것입니다. 그레이스케일 마이크로 슐라인(micro schlein) 이미지를 얻기 위해 T 채널을 촬영하십시오. 다음으로, 마이크로 슐라인 이미지를 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션과 비교하십시오.그레이 스케일과 농도 구배 사이의 관계를 확인하기 위한 마지막 단계는 타겟 미세유체 장치를 로딩하는 것입니다. 혼합 상태의 마이크로 슐라인(micro schlein) 이미지를 촬영하고, 검정 곡선을 사용하여 그레이 스케일 값을 농도 구배로 변환하십시오. 궁극적으로 마이크로 스케일 슐라인 기법은 미세유체 장치 내의 혼합 균질성을 실시간으로 정량화하여 보여주는 데 사용됩니다.형광 이미징이나 쉐도우법(shadow)과 같은 기존 기술과 비교했을 때 이 방법의 주요 장점은, 미세유체 장치 내의 3차원적 불균질성을 밝혀내는 농도 기울기에 대한 비정상 상태의 완전한 측정이 가능하다는 점입니다. 본 절차의 시연은 최근 박사 학위를 취득한 연구원인 Dr.A가 진행합니다. 첫 번째 단계는 실험에 사용할 미세유체 장치를 준비하는 것입니다.이 t-마이크로채널 장치는 폴리디메틸실록산을 몰딩하여 제작되었습니다. 장치의 도식에는 공급 채널과 합류 채널이 표시되어 있습니다. 각 채널은 유체 연결 부위가 될 원형 영역에 연결되어 있습니다.실험을 위해 마이크로 유체 장치를 유리 슬라이드 위에 장착하고 테플론 튜브를 삽입하십시오. 유체 연결을 위해 장치를 옆으로 치워 둡니다. 실험 준비가 진행되는 동안, Hoffman 변조 대비 현미경을 사용하여 마이크로 스케일 schlein 시스템을 구축하십시오.광경로에 삽입할 나이프 엣지를 준비하십시오. 이 나이프 엣지는 본 시스템에서 사용하기 위해 맞춤 제작되었으며, 반사율을 낮추기 위해 검게 처리되었습니다. 나이프 엣지를 가까이 두고 현미경 버스트를 수정하기 시작하십시오.콘덴서의 초점면 앞에 있는 슬릿 플레이트를 제거합니다. 다음으로, 5x 대물렌즈의 후방 초점면에서 모듈레이터를 제거합니다. 나이프 엣지를 준비하여 모듈레이터가 있던 자리에 삽입합니다.비디오를 캡처하려면 현미경의 삼안 튜브(tri inocular tube)에 장착되어 컴퓨터에 연결된 고속 카메라를 사용하십시오. 광원을 켜고 컴퓨터로 그레이스케일 비디오를 전송하기 시작하십시오. 다음으로, 이미지를 캡처하고 처리하십시오.비디오 스트림에서 이미지를 캡처하고 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 그 그레이스케일 값을 얻습니다. 다시 현미경으로 돌아가 컴퓨터에서 나이프 에지(knife edge) 설정을 해제합니다. 조명과 조리개를 조절하면서 평균 그레이스케일 판독값을 모니터링합니다.이미지의 평균 그레이스케일 판독값이 최대값보다 약 10% 낮아질 때 멈추십시오. 이것이 0% 컷오프(cutoff)에 대한 배경 강도입니다. 이제 나이프 엣지(knife edge)를 삽입하여 입사광을 완전히 차단하십시오.컴퓨터에서 이미지의 평균 그레이스케일 값을 기록합니다. 이 값이 100% 컷오프에 대한 배경 강도가 됩니다.다음으로 캡처된 이미지의 평균 그레이스케일 판독값을 모니터링하면서 나이프 엣지의 위치를 반복적으로 조정합니다. 이미지의 평균 그레이스케일 판독값이 0과 100% 값의 중간에 위치할 때 정지하며, 이는 컷오프 정도를 50%로 설정하는 것입니다. 이제 현미경으로 돌아가 T 마이크로채널 장치를 장착합니다. 합류 채널이 나이프 엣지와 평행하도록 시료 스테이지 위에 배치하십시오.장치가 설치되면 초점을 대략적으로 조정하십시오. 실험에 사용할 액체를 준비하십시오. 굴절률이 완전히 서로 다른, 투명한 두 가지 액체를 선택하십시오.본 영상에서는 물을 기준 유체로 사용하고 수성 에탄올 용액을 다른 유체로 사용하여 농도에 따른 굴절률의 합을 측정합니다. 수성 에탄올의 질량 분율이 선형 영역에 속하도록 선택하십시오. 본 실험에서는 유체를 분주하기 위해 0.05의 질량 분율을 사용합니다.두 개의 동일한 시린지 중 하나에는 물을 채우고, 다른 하나에는 희석된 에탄올 수용액을 채운 뒤, 시린지들을 T-마이크로채널에 연결합니다. 테플론 튜브를 사용하여 T-마이크로채널의 두 입구 각각을 시린지 하나에 연결하십시오. 유체를 마이크로채널 입구로 전달하기 위해 두 개의 시린지 펌프를 배치합니다.한쪽 펌프에 표준 유체 시린지를 장착합니다. 다른 쪽 펌프에는 희석된 에탄올 시린지를 장착하되, 유출 튜브의 끝을 용기에 넣고 용기 벽면에 고정합니다. 시린지 펌프의 유량을 설정하여 레이놀즈 수를 부여함으로써 캘리브레이션을 시작합니다.작동 유체들이 동일한 부피 유량으로 동시에 공급되도록 시린지 펌프를 가동하십시오. 카메라를 사용하여 마이크로 채널을 정밀하게 관찰하십시오. 초점을 조절하고, 정지된 SL 및 패턴으로 표시되는 안정적인 흐름이 형성될 때까지 기다리십시오.초당 30프레임의 프레임 속도를 사용하여 유체 혼합 과정의 20프레임을 기록합니다. 이 프레임들이 획득된 이미지입니다. 완료되면, 다음 프레임 세트를 얻기 위해 펌프를 준비합니다.희석된 에탄올용 시린지 펌프를 중단하고, 하나의 입구로 물을 계속 펌핑하십시오. 흐름을 관찰하며 소용돌이와 패턴이 없는 안정적인 흐름이 나타날 때까지 기다리십시오. 초당 30프레임의 속도로 20프레임의 이미지를 기록하십시오.이 프레임들이 기준 이미지입니다. 이어서 각 관심 레이놀즈 수(Reynolds number)에 대해 에탄올과 물의 혼합 이미지, 그리고 물만 있는 이미지를 캡처하십시오. 모든 데이터 수집이 완료되면, 컴퓨터로 이동하여 보정을 진행하십시오.이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 각 레이놀즈 수 오차에 대해 획득한 이미지를 기준 이미지로 나눕니다. 수성 에탄올이 이미지 상단의 채널과 하단의 채널을 통해 들어올 때 획득한 샘플 이미지를 기준 이미지로 나누면, 흐름을 따라 주어진 거리에서의 그레이스케일 비율 데이터를 얻을 수 있습니다. 횡방향의 지점들을 선택하고 각 지점에서의 그레이스케일 비율을 추출합니다.흐름을 따라 여러 지점에서 이를 수행하고 데이터를 플롯하여 비교하십시오. 실험에 대한 전산유체역학 시뮬레이션을 수행하십시오. 이를 사용하여 횡방향 미분 방향에 대한 질량 분율의 미분값을 계산하십시오.다음으로, 선형 회귀를 사용하여 그레이스케일 비율과 도함수 사이의 예상되는 선형 관계를 활용하십시오. 보정 후 회귀선을 찾기 위해, 마이크로 슐라인(micro schlein) 기법을 사용하여 대상 장치를 연구합니다. 먼저, 시료 스테이지에서 T 마이크로채널 장치를 분리하여 제거하십시오.이를 거의 동일한 깊이의 표적 미세유체 장치로 교체하십시오. 장치를 물과 수성 에탄올 용액에 연결하고, 컴퓨터에서 카메라가 동일한 부피 유량으로 유입되는 물과 희석된 에탄올을 기록하도록 설정하십시오. 흐름이 안정될 때까지 기다린 후, 획득할 이미지로서 20프레임을 기록하십시오.다음으로, 수성 에탄올용 시린지 펌프를 정지시키고 표적 미세유체 장치에 물만 주입합니다. 컴퓨터로 돌아가 기준 이미지를 얻습니다. 양수 및 음수 질량 분율 구배에 대해 서로 다른 Reynolds 수에서의 그레이스케일 비율을 확인하면, 낮은 Reynolds 수에서 T 미세채널 중앙에 띠가 나타납니다.Schlein 밴드의 꼬리 부분은 혼합 인터페이스 전체에 걸친 분산으로 인해 확장되고 흐릿해집니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 확산 길이가 짧아지며, 이는 더 좁은 밴드로 이어집니다. 본 영상에서는 그레이스케일 비율과 질량 분율 도함수 사이에서 발견된 선형 관계를 이용하여 레이놀즈 수 250에서의 미세유체 발진기 내 유동의 진동 특성을 포착하였습니다.이 영상을 시청하고 나면, 미세유체 소자 내의 농도 구배를 정량화하기 위한 마이크로 스케일 레이어링 기법을 구현하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

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