Het analyseren van Mengen Inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door Microscale Schlieren Technique

Het algemene doel van deze procedure is om de concentratiegradiënt in een microfluïdisch apparaat non-invasief te meten met behulp van de sch larin-techniek op microschaal. Dit wordt bereikt door eerst het sch larin-systeem op microschaal te construeren vanuit een Hoffman-modulatiecontrastmicroscoop. Verwijder de spleetplaat van de condensor en vervang de modulator in het achterste brandpunt van het objectief door een messenrand.

De tweede stap is het monteren van een T-microkanaal en het starten van een kalibratie-mengprocedure. Maak beelden van het T-kanaal om grijswaardenbeelden van de micro-schleins te verkrijgen. Vergelijk vervolgens de beelden van de micro-slarins met een computationele vloeistofdynamica-simulatie.

Om de relatie tussen de grijswaarden en de concentratiegradiënten te bepalen, bestaan de laatste stappen uit het laden van een doelmicrofluïdisch apparaat. Maak een micro-schlein-afbeelding van de menging en gebruik de kalibratiecurve om de grijswaarden om te zetten in concentratiegradiënten. Uiteindelijk wordt de micro-schlein-techniek gebruikt om de homogeniteit van de menging in een microfluïdisch apparaat kwantitatief en in real-time aan te tonen.

Het belangrijkste voordeel van deze methode ten opzichte van bestaande technieken, zoals fluorescentie-imaging of shadow-imaging, is dat het ongestage, volledige metingen van concentratiegradiënten mogelijk maakt die de driedimensionale inhomogeniteit in een microfluïdisch apparaat onthullen. Deze procedure zal worden gedemonstreerd door Dr.A, een recent gepromoveerde van een laboratorium. De eerste stap is het voorbereiden van het microfluïdische apparaat dat in het experiment zal worden gebruikt.

Dit t-microkanaalapparaat is vervaardigd door het gieten van polydimethylsiloxaan. Het schema van het apparaat toont de toevoerkanalen en het samenvloeiingskanaal. Elk kanaal is verbonden met een cirkelvormig gebied dat de plek vormt voor de vloeistofverbinding.

Monteer voor het experiment een microfluïdisch apparaat op een glazen objectglas en voeg Teflon-buisjes toe. Zet het apparaat opzij om de vloeistofverbindingen te maken. Terwijl het experiment wordt voorbereid, wordt het microschaal schlein-systeem opgebouwd met een Hoffman-modulatiecontrastmicroscoop.

Houd een mesrand gereed om in het optische pad te plaatsen. Deze mesrand is speciaal vervaardigd voor gebruik in dit systeem en is zwart gemaakt om de reflectiviteit te verminderen. Houd de mesrand bij de hand en begin met het aanpassen van de microscoopburst.

Verwijder de spleetplaat vóór het brandvlak van de condensor. Verwijder vervolgens de modulator uit het achterste brandvlak van het 5x objectief. Pak de mesrand en plaats deze op de positie van de modulator.

Gebruik voor het vastleggen van video een hogesnelheidscamera die is gemonteerd op de trinoculaire buis van de microscoop en is verbonden met een computer. Zet de lichtbron aan en begin met het verzenden van grijswaardenvideo naar de computer. Leg vervolgens een beeld vast en verwerk dit.

Leg een beeld vast uit de videostroom en gebruik beeldbewerkingssoftware om de grijswaarde ervan te bepalen. Keer terug naar de microscoop en verwijder de mesrand op de computer. Bewaak de gemiddelde grijswaarde-uitlezing terwijl u de belichting en het diafragma aanpast.

Stop wanneer de gemiddelde grijsschaalwaarde van het beeld ongeveer 10% lager is dan de maximale waarde. Dit is de achtergrondintensiteit voor een 0%-cutoff. Voeg nu het messenrandje (knife edge) in om het invallende licht volledig te blokkeren.

Aan de computer. Registreer de gemiddelde grijswaarde-uitlezing van het beeld. Dit is de achtergrondintensiteit voor een 100% cutoff.

Pas vervolgens iteratief de positie van de mesrand aan terwijl de gemiddelde grijswaarde-uitlezing van de vastgelegde beelden wordt gemonitord. Stop wanneer de gemiddelde grijswaarde-uitlezing van het beeld precies tussen de waarden 0 en 100% ligt; hiermee wordt de mate van afsnidding op 50% ingesteld. Keer nu terug naar de microscoop om het T-microkanaalapparaat te monteren. Plaats het op de objecttafel zodanig dat het samenvloeiende kanaal parallel loopt aan de mesrand.

Stel de focus grof bij zodra het apparaat op zijn plaats staat. Bereid de vloeistoffen voor het experiment voor. Selecteer twee transparante vloeistoffen met brekingsindices die volledig verschillen van elkaar.

Voor deze video wordt water gebruikt als referentievloeistof en een waterige ethanoloplossing als de andere vloeistof, waarbij de brekingsindex als functie van de concentratie wordt bepaald. Kies de massafractie van de waterige ethanol zodanig dat deze in het lineaire gebied valt. In dit experiment wordt een massafractie van 0,05 gebruikt om de vloeistoffen te dispenseren.

Twee identieke spuiten, waarvan één wordt gevuld met water en de andere met een waterige ethanoloplossing, worden verbonden met het T-microkanaal. Gebruik Teflon-slangen om elk van de twee inlaaten van het T-microkanaal met een van de spuiten te verbinden. Gebruik twee spuitenpompen om de vloeistoffen naar de inlaaten van het microkanaal te transporteren.

Vul één pomp met de spuit met referentievloeistof. Vul de andere pomp met de spuit met verdunde ethanol, maar plaats het uiteinde van de uitstroombuis in een opvangbak en bevestig deze aan de wand van de bak. Start de kalibratie om het getal van Reynolds vast te stellen door de stroomsnelheid van de spuitpompen in te stellen.

Start de spuitpompen om de werkfluïda gelijktijdig met een identieke volumestroom te leveren. Gebruik de camera om het microkanaal nauwkeurig te observeren. Stel de focus in en wacht tot de stabiele stroming is gestabiliseerd, wat wordt aangegeven door een stationaire SL en een patroon.

Gebruik een framerate van 30 frames per seconde om 20 frames van de vloeistofmenging op te nemen. Deze frames vormen de verkregen afbeelding. Bereid na voltooiing de pompen voor om een volgende reeks frames vast te leggen.

Stop de spuitpomp voor de verdunde ethanol en blijf water door één inlaat pompen. Observeer de stroming en wacht tot er een gestage stroming ontstaat zonder rimpelingen of patronen. Neem 20 frames aan beelden op met 30 frames per seconde.

Deze frames dienen als referentiebeeld. Ga verder door beelden vast te leggen van ethanol en water, en vervolgens van enkel water voor elk relevant Reynolds-getal. Wanneer alle gegevens zijn verzameld, gaat u naar de computer om verder te gaan met de kalibratie.

Gebruik de software voor beeldbewerking om de verkregen beelden te delen door het referentiebeeld voor elke fout in het getal van Reynolds. Voorbeelden van verkregen beelden waarbij de waterige ethanol binnenkomt vanuit het kanaal bovenaan de afbeelding en het kanaal onderaan; deling door het referentiebeeld levert de grijswaardeverhoudingsgegevens op bij een gegeven afstand langs de stroom. Selecteer punten in de richting van de dwarsstroom en extraheer de grijswaardeverhouding bij elk punt.

Herhaal dit voor verschillende punten langs de stroom en zet de gegevens uit voor vergelijking. Voer een computational fluid dynamic-simulatie van het experiment uit. Gebruik dit om de afgeleide van de massafractie ten opzichte van de transversale afgeleide te berekenen.

Maak vervolgens gebruik van de verwachte lineaire relatie tussen de grijswaardenverhouding en de afgeleide door middel van lineaire regressie. Om de regressielijn na kalibratie te bepalen, wordt de micro-schlein-techniek gebruikt om een doelpuntapparaat te bestuderen. Koppel eerst het T-microkanaalapparaat los en verwijder dit van de monsterhouder.

Vervang dit door een doelmicrofluïdisch apparaat met een ongeveer gelijke diepte. Sluit het apparaat aan op water en de waterige ethanoloplossing, waarbij de camera de inlaat van water en verdunde ethanol bij gelijke volumestromen op de computer registreert. Wacht tot de stroming gestabiliseerd is en neem 20 frames op voor het verkregen beeld.

Stop vervolgens de spuitpomp voor de waterige ethanol en voer alleen water in het doelmicrofluïdische apparaat in. Keer terug naar de computer om de referentieafbeelding te verkrijgen. De grijswaardenverhouding onder verschillende Reynolds-getallen voor positieve en negatieve massafractiegradiënten vertoont een band in het midden van het T-microkanaal bij een laag Reynolds-getal.

De staart van de Schlein-band is verbreed en wazig door dispersie over de menginterface. Naarmate het getal van Reynolds toeneemt, wordt de diffusielengte korter, wat leidt tot een smallere band. In deze video werd de lineaire relatie die is gevonden tussen de grijswaardenverhouding en de afgeleide van de massafractie gebruikt om het oscillerende karakter van de stroming in een microfluïdische oscillator bij een getal van Reynolds van 250 vast te leggen.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u de microscale layering-techniek implementeert voor de kwantificering van concentratiegradiënten in een microfluïdisch apparaat.