Name: Het analyseren van Mengen Inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door Microscale Schlieren Technique (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 12 s
Description: Ontdek de microscale schlieren-techniek voor niet-invasieve meting van concentratiegradiënten in microfluïdische apparaten. Deze methode maakt kwantitatieve analyse van menginhomogeniteit mogelijk via optische beeldvorming en kalibratieprocedures.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en Technologie van Taiwan onder Grant nummer 101-2221-E-002-064-MY3.

1. Fabricage van microfluïdische apparaat <ol><li> Gebruik een grafische lay-out software (bijvoorbeeld, AutoCAD) om de omtrek van een T-microkanaal trekken. Voor de T-microkanaal, beide toevoerkanalen zijn 90 pm breed en 2500 pm lang en de samenvloeiing kanaal 180 pm breed en 3000 urn lang. Sluit het uiteinde van elk kanaal aan een individu cirkel met een diameter van 1100 pm. </li><li> Mark &#39;clear&#39; en &#39;donkere&#39; voor de belichting en overdekte gebieden, respectievelijk. Voor een negatieve fotoresist (bv SU-8), de vorm van de T-microchannel is &#39;duidelijk&#39; en de omgeving is &#39;donker.&#39; </li><li> Gebruik een laser patroongenerator met een golflengte van 442 nm en een minimum elementafmeting 2 urn tot het patroon van de T-microkanaal breng over naar een chroom-op-glas fotomasker. </li><li> Gebruik het fotomasker, een substraat (bijvoorbeeld enkelzijdig geslepen silicium wafer) en een permanente epoxy fotoresist (bv., SU-8) om een mal te maken door middel van een standaard lithografie proces. De fotoresistlaag is 55,2 pm dik. In het algemeen moet de fotoresist dikte dunner dan de diepte van de correlatie van de objektieflens 17-19 zijn. </li><li> Gebruik de mal en een transparant materiaal zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) aan de T-microkanaal 20 vervaardigen. </li><li> Voor vloeibare aansluiting, gebruik dan een roestvrij stalen buis van 2 mm in de buitendiameter punch doorgaande gaten uitgelijnd met de cirkelvormige patronen op het PDMS. </li><li> Behandel de oppervlakken van de PDMS en een glasplaatje met zuurstofplasma bij 60 W gedurende 30 sec. Bevestig de PDMS aan de glasplaatje. De geoxideerde oppervlakken van de twee materialen zorgen voor een sterke hechting. Plaats de gebonden PDMS inrichting op een hete plaat gedurende 5 min bij 120 ° C. </li><li> Plaats Teflon buizen in de gaten voor vloeibare verbinding. </li></ol> 2. Experimentele Setup <ol><li> Construct de microschaal schlieren systeem uit een Hoffman modulatie contrast microscoop door het verwijderen van de gleuf plaat in het voorste brandvlak van de condensor en het vervangen van de modulator met een mes-edge in het achterste brandvlak van de 5X doelstelling 3. De diepte van de correlatie, die afhangt van de numerieke apertuur van het objektief 17-19, moet voldoende zijn om de gehele diepte van het microfluïdische apparaat dekken. Het oppervlak van de meskant is zwart van anodisch aluminiumoxide zijn reflectievermogen verminderen. </li><li> Monteer de high-speed camera aan de trinoculairtubus van de microscoop via een C-mount adapter. Laat de camera wijzen de optische baan van de microscoop door een bundelsplitser. Sluit de camera aan op een desktop computer via een Ethernet-kabel. Stel de gammacorrectie aan 1 voor de camera, zodat de grijswaarden aflezing evenredig is met de ingang luminantie. </li><li> Schakel de lichtbron. Om de overtollige warmte te voorkomen, gebruikt LED (light emitting diode) verlichting. </li><li> Gebruik een beeld processing software (bijvoorbeeld &lt;/ Em&gt; functie imread in MATLAB) om de grijswaarden van een verworven afbeelding te verkrijgen. Verwijder het scherp van de snede, pas de belichting, het diafragma en de belichtingstijd, zodat de gemiddelde grijswaarden uitlezing van het beeld is ongeveer 10% lager dan de maximale waarde. Dit duidt de achtergrond intensiteit voor een 0% cutoff en we gebruiken een waarde van 230 voor een 8-bits afbeelding. </li><li> Steek het mes-edge naar het invallende licht volledig te blokkeren. Noteer de gemiddelde grijswaarden uitlezen van het beeld. Dit geeft de achtergrondintensiteit een 100% scheiding en de waarde ongeveer 15 voor een 8-bit. </li><li> Pas de positie van het mes-edge, zodanig dat de gemiddelde grijswaarden uitlezing van de verworven afbeelding ligt in het midden van de waarden voor 0% en 100% cutoff. Nu de mate van de cutoff is ingesteld op 50%. </li><li> Bereid twee transparante vloeistoffen met bekende brekingsindex 21 die volledig mengbaar met elkaar als de bestanddelen zijn. Om de afhankelijkheid van refractieve ind evaluerenex van de concentratie van het mengsel, controleer dan de literatuur 21 of gebruik de Gladstone-Dale vergelijking 22. Als de curve is lineair over het gehele bereik, pak andere vloeistof componenten. Kies vervolgens een samenstelling aangeduid waaronder de brekingsindex van de oplossing varieert lineair met de concentratie. Gebruik bijvoorbeeld verdunde waterige ethanol met een massa fractie van 0,05 en water als de werkende vloeistoffen. </li><li> Plaats de T-microkanaal op preparaattafel. Rangschik de T-microkanaal zodat de samenvloeiende kanaal evenwijdig aan de meskant (figuur 1). </li><li> Bereid twee identieke spuiten: spuit A wordt gevuld met de werkende vloeistof die dient als referentie-vloeistof (water), en spuit B is gevuld met de andere werkende vloeistof (verdunde waterige ethanol). De afmeting van de spuit is afhankelijk van de gewenste stroomsnelheid Q en de specificatie van de injectiepomp: Q = πd 2 V / 4, waarin d de inwendige diameter van de syringe en V de snelheid van de plunjer. Flow pulsatie meestal voorkomen worden door te kiezen voor een kleine spuit V 23 verhogen. </li><li> Verzamel de fluïdumuitlaat van de T-microkanaal een bekerglas. Controleer de Teflon uitlaatbuis is bevestigd aan de wand van de beker en het uiteinde beneden het vloeistofniveau in het bekerglas om trillingen die worden veroorzaakt door druppeltjes breakoff voorkomen. </li></ol> 3. Calibration <ol><li> Het verwerven van de beelden van de twee vloeistoffen te mengen en de referentiebeelden. <ol><li> Op een bepaald Reynoldsgetal Re stelt de stroomsnelheid van de spuitpompen, wordt Q. Q berekend uit Q = μ (B + D) Re / 4ρ, waarbij μ en ρ de viscositeit en dichtheid van het werkfluïdum en W en D zijn de breedte en diepte van de samenvloeiing kanaal van de T-microkanaal, respectievelijk. </li><li> Laad één pomp met spuit A en de andere pomp met syringe B. Sluit de twee ingangen van de T-microkanaal naar A en spuit B spuit via Teflon slang. Start de spuitpompen de vloeistoffen in de T-microkanaal leveren aan ongewijzigde volumestromen. </li><li> Wacht tot gestage stroom voorziet. De gestage stroom aandoening wordt bepaald door de opkomst van een stationaire schlieren patroon. </li><li> Gebruik de camera gecontroleerde software tot twintig frames van vloeibare mengen opnemen met een framerate van 30 fps. </li><li> Stop de pomp, die is geladen met spuit B. Alleen pomp de referentie-vloeistof (water) via één ingang in de samenvloeiing kanaal van de T-microchannel bij constante snelheid. </li><li> Wacht tot gestage stroom conditie wordt bereikt en er geen schlieren patroon wordt waargenomen. </li><li> Gebruik de camera gecontroleerde software om verwijzing beeld, nemen wanneer er geen optische inhomogeniteit in de T-microkanaal is. Noteer twintig frames op een framerate van 30 fps. </li><li> Herhaal 3.1.1 naar 3.1.7 op verschillende Reynolds nummer: Re = 1, 5, 10, 20 en 50 zodat geen complexe stroom structuur ontstaat in de samenvloeiing gebied van het T-microkanaal 24. </li></ol></li><li> Gebruik een beeld processing software om de verworven afbeelding I (i, j) te delen door de referentie-beeld dat ik 0 (i, j) 25, waarbij i en j zijn de pixel indices. </li><li> Gebruik een CFD (Computational Fluid Dynamics) pakket te simuleren het mengen van de aangewezen vloeistoffen in de T-microkanaal. <ol><li> Construct het driedimensionale model voor de geometrie van de T-microkanaal. Discretiseren de stroom domeinnaam in gestructureerde grids. Om de nauwkeurigheid te verhogen, gebruik fijner mazen in de samenvloeiing en het centrale gebied van het T-microkanaal. </li><li> Wijs de fysische eigenschappen van fluïda en vaststelling van de randvoorwaarden voor de stroming domein. Tijdens het oplossen werkwijze Bepaal de concentratie-afhankelijke diffusiecoëfficiënt van de concen- tratie in de laatsteiteratie 26 om de lokale concentratie te werken. </li><li> Onderzoek de gevoeligheden van de berekende resultaten door het uitvoeren van de grid studie 27. </li></ol></li><li> Voor ieder knooppunt (x, yi) op het xy -vlak, gebruik de CFD nabewerking hulpmiddel om de gemiddelde waarden van de veldconcentratie over de kanaaldiepte neemt de trapeziumregel: w (x, yj) = {Σ k [w (x, yj, z k) + w (x, yj, zk 1)] ∙ (Zk 1 - z k) / 2} / D 28, waarin D het kanaal diepte. Gebruik de centrale differencing regeling om de Deriva berekenentieve concentratie ten opzichte van de dwars-stroom richting: (∂ g / ∂ y) i, j = [w (x, yj 1) - w (x, yj -1)] / (yj 1 - y j -1). </li><li> Zowel positieve als negatieve gradiënten, haal de verhouding grijswaarden I / I 0 (verkregen in 3.2) en de gradiënt van massafractie ∂ g / ∂ y (verkregen 3,4) op specifieke plaatsen zoals y = 0 (middellijn, streamwise richting) of diverse gegeven x (cross-stream richting). </li><li> Plot van de resultaten en het bepalen van de relatie tussen I / I 0 en ∂ w / ∂ y, I / I 0 </sub&gt; C = 1 ∂ g / ∂ y + C 2 (C 1 en C2 constanten zijn), met lineaire regressie. </li></ol> 4. Kwantificering <ol><li> Herhaal stap 3,1-3,2 voor het mengen in het doel microfluïdische apparaat. De diepte van het doel microfluïdische apparaat moet identiek of verwant aan die van de T-microkanaal zijn. Als onvaste fenomeen wordt verwacht, het verwerven van een videoclip (opeenvolging van beelden) in stap 3.1.4 plaats. De framesnelheid moet hoog genoeg zijn om de dynamiek van de overgangsstroming duidelijk lossen, terwijl de belichtingstijd gelijk aan de waarde die in 2.4, 2.5, 3.1.4 en 3.1.7 moeten zijn. </li><li> Gebruik de verhouding verkregen in stap 3.6 de verhouding tussen grijswaarden converteren naar het verloop van massafractie in het doel microfluïdische apparaat. </li></ol>

<ol><li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMerzkirch%2C+W+%22Flow+Visualization%22">Flow Visualization</a>. , Academic Press. New York. (1974).</li>
<li>Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSettles%2C+GS+%22Schlieren+and+Shadowgraph+Techniques%22">Schlieren and Shadowgraph Techniques</a>. , 2nd edn, Springer. New York. (2001).</li>
<li>Sun, C. -l, Hsiao, T. -h <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+analysis+of+microfluidic+mixing+using+microscale+schlieren+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluidics+and+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 15 (2), 253-265 (2013).</li>
<li>Sun, C. -l, Sun, C. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effective+mixing+in+a+microfluidic+oscillator+using+an+impinging+jet+on+a+concave+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">Effective mixing in a microfluidic oscillator using an impinging jet on a concave surface.</a> Microsystem Technologies. , (2011).</li>
<li>Strook, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+mixer+for+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Chaotic mixer for microchannels.</a> Science. 295 (5555), 647-651 (2002).</li>
<li>Wheat, P. M., Posner, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantifying+mixing+using+equilibrium+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Quantifying mixing using equilibrium reactions.</a> Physics of Fluids. 21 (3), 037101(2009).</li>
<li>Liu, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Passive+mixing+in+a+three-dimensional+serpentine+microchannel%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Microelectromechanical+Systems%22%5BJournal%5D)">Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 190-197 (2000).</li>
<li>Munson, M. S., Yager, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+quantitative+optical+method+for+monitoring+the+extent+of+mixing+applied+to+a+novel+microfluidic+mixer%5BTitle%5D)+AND+%22Analytica+Chimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic mixer.</a> Analytica Chimica Acta. 507 (1), 63-71 (2004).</li>
<li>Bradfield, W. S., Sheppard, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microschlieren-a+technique+for+the+study+of+details+in+compressible+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Aero%2FSpace+Engineering%22%5BJournal%5D)">Microschlieren-a technique for the study of details in compressible flow.</a> Aero/Space Engineering. 5 (18), 37-56 (1959).</li>
<li>Scroggs, S. D., Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+experimental+study+of+supersonic+microjets%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">An experimental study of supersonic microjets.</a> Experiments in Fluids. 21, 401-409 (1996).</li>
<li>Phalnikar, K. A., Alvi, F. S., Shih, C. 31st AIAA Fluid Dynamics Conference & Exhibit. , Anaheim, California. (2001).</li>
<li>Phalnikar, K. A., Kumar, R., Alvi, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experiments+on+free+and+impinging+supersonic+microjets%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Experiments on free and impinging supersonic microjets.</a> Experiments in Fluids. 44 (5), 819-830 (2008).</li>
<li>Micro-schlieren characterization of a high momentum micro-fluidic actuator. Naughton, J. W., Bishop, D. S., Walrath, D. E., Lindberg, W. R. 22rd AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, St. Louis, MS, USA, , The American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). (2002).</li>
<li>Chen, H. -M., Wu, H. -W., Lee, J. -N., Ting, C. -C. 23th National Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineers. , YongKang, Tainan, Taiwan. (2006).</li>
<li>Davidson, G. P., Emmony, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+schlieren+probe+method+for+the+measurement+of+the+refractive+index+profile+of+a+shock+wave+in+a+fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+E%3A+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">A schlieren probe method for the measurement of the refractive index profile of a shock wave in a fluid.</a> Journal of Physics E: Scientific Instruments. 13, 92-97 (1980).</li>
<li>Xie, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Schlieren+confocal+microscopy+for+phase-relief+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Schlieren confocal microscopy for phase-relief imaging.</a> Optics Letters. 39, 1238-1241 (2014).</li>
<li>Inoué, S., Spring, K. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aInou%C3%A9%2C+S+%22Video+Microscopy%3A+The+Fundamentals%22">Video Microscopy: The Fundamentals</a>. , 2nd edn, Plenum Press. New York. (1997).</li>
<li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volume+illumination+for+two-dimensional+particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 11 (6), 809-814 (2000).</li>
<li>Olsen, M. G., Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Out-of-focus+effects+on+particle+image+visibility+and+correlation+in+microscopic+particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry.</a> Experiments in Fluids. 29 (1), S166-S174 (2000).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+microfluidic+devices+using+polydimethylsiloxane%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane.</a> Biomicrofluidics. 4 (2), 026502(2010).</li>
<li>Wohlfarth, C. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWohlfarth%2C+C+%22Optical+Constants%3A+Refractive+Indices+of+Pure+Liquids+and+Binary+Liquid+Mixtures+%28Supplement+to+III%2F38%29%22">Optical Constants: Refractive Indices of Pure Liquids and Binary Liquid Mixtures (Supplement to III/38)</a>. Lechner, M. D. 47, Springer. Berlin. (2008).</li>
<li>Heller, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remarks+on+refractive+index+mixture+roles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Remarks on refractive index mixture roles.</a> Journal of Physical Chemistry. 69 (4), 1123-1129 (1965).</li>
<li>Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+unsteadiness+of+the+rates+of+flow+on+the+dynamics+of+formation+of+droplets+in+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems.</a> Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).</li>
<li>Dreher, S., Engler, M., Kockmann, N., Woias, P. Theoretical and experimental investigations of convective micromixers and microreactors for chemical reactions. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDreher%2C+S+%22Micro+and+Macro+Mixing%3A+Analysis%2C+Simulation+and+Numerical+Calculation%22">Micro and Macro Mixing: Analysis, Simulation and Numerical Calculation</a>. Bockhorn, H., Mewes, D., Peukert, W., Warnecke, H. .-J. , Springer-Verlag. Berlin, Germany. (2010).</li>
<li>Huang, C. Y., Gregory, J. W., Sullivan, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Modified+schlieren+technique+for+micro+flow+visualization%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">A Modified schlieren technique for micro flow visualization.</a> Measurement Science & Technology. 18 (5), N32-N34 (2007).</li>
<li>Tyn, M. T., Calus, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+and+concentration+dependence+of+mutual+diffusion+coefficients+of+some+binary+liquid+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemicaland+Engineering+Data%22%5BJournal%5D)">Temperature and concentration dependence of mutual diffusion coefficients of some binary liquid systems.</a> Journal of Chemicaland Engineering Data. 20 (3), 310-316 (1975).</li>
<li>Celik, I. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Procedure+for+estimation+and+reporting+of+uncertainty+due+to+discretization+in+CFD+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+Engineering%22%5BJournal%5D)">Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications.</a> Journal of Fluids Engineering. 130 (7), 078001(2008).</li>
<li>Tasić, A. Ž, Djordjević, B. D., Grozdanić, D. K., Radojković, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+mixing+rules+in+predicting+refractive+indices+and+specific+refractivities+for+some+binary+liquid+mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+and+Engineering+Data%22%5BJournal%5D)">Use of mixing rules in predicting refractive indices and specific refractivities for some binary liquid mixtures.</a> Journal of Chemical and Engineering Data. 37 (3), 310-313 (1992).</li>
<li>A comparison of coarse-resolution numerical simulation with experimental measurements of wind turbine aerodynamic performance. Hsiao, P. -J., Chen, S. -T., Hsiao, T. -H., Sun, C. -l 37th National Conference on Theoretical and Applied Mechanics & The 1st International Conference on Mechanics, , ScienceDirect. Hsinchu, Taiwan. (2013).</li>
<li>Sun, C. -l, Huang, C. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscale+schlieren+visualization+of+near-bubble+mass+transport+during+boiling+of+2-propanol%2Fwater+mixtures+in+a+square+capillary%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Microscale schlieren visualization of near-bubble mass transport during boiling of 2-propanol/water mixtures in a square capillary.</a> Experiments in Fluids. 55 (7), 1778(2014).</li>
<li>Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPanigrahi%2C+PK+%22Schlieren+and+Shadowgraph+Methods+in+Heat+and+Mass+Transfer%22">Schlieren and Shadowgraph Methods in Heat and Mass Transfer</a>. , Springer. New York. (2012).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Voor vloeibare mengen in een microfluïdische inrichting microschaal schlieren techniek kan de grootte van concentratiegradiënt meten van kwantificerende verandering in lichtintensiteit. Door het principe van deze techniek is gebaseerd op het opsporen van de afwisseling van lichtpropagatie, de werkende vloeistoffen en het microfluïdische apparaat transparant voor het invallende licht. Bovendien, het protocol vereist een lineair verband tussen de brekingsindex van de oplossing en de samenstelling zodat de eerste beoordeli...

Fluid mixing is een belangrijk probleem dat wordt aangetroffen in vele industriële processen en biologische systemen. Met de opkomst van microfluidics, mengen in microschaal heeft gebracht veel aandacht vanwege de uitdaging verspreiding dominantie onder de massa mechanismen transport. Aangezien het ontwerpen van een effectieve micromixer vereiste kwantitatieve validatie, werden verschillende meetmethoden ontwikkeld 5-7. Niettemin, de driedimensionale structuur, gewoonlijk in efficiënte micromixers 5, vraagt ​​om een nauwkeurigere representatie van de concentratieveld het gemeenschappelijk meettechnieken niet te leveren. Door het maximaal aantal kijkhoek 8 of reactiekinetiek 6, kan de hiervoor genoemde methoden misleidende resultaten die niet correct rekening met de homogeniteit van het mengsel te produceren. Voor optisch transparante vloeistoffen mengen in optisch transparante microstructuren, microschaal schlieren techniek 3,9-14 </sup&gt; biedt een aantrekkelijk alternatief voor analyse mengen inhomogeniteit. In het verleden heeft microschaal Schlieren techniek wordt meestal gebruikt om samendrukbare stroming 9-13, 15 of fase gradiënt 16 visualiseren. Microschaal Schlieren techniek profiteert van een eenvoudige optische layout en betere gevoeligheid mogelijk maakt niet alleen de niet-invasief onderzoek specifieke stroom kenmerk dat optische storing veroorzaken maar is geschikt voor toepassing bij de beoordeling mixing. In deze paper, bouwen we de microschaal schlieren systeem door het invoegen van een mes-edge in de rug brandvlak van de doelstelling van een microscoop, beschrijven een kalibratie procedure om kwantitatieve analyse te realiseren, en een validatie meetrapport in een microfluïdische oscillator 4. Metingen uitvoeren, worden de vloeistoffen geschikt gekozen dat de brekingsindex van de gemengde fluïda lineair varieert met de samenstelling en de dikte van het doel microfluïdische inrichting is identiek aan de aane gebruikt kalibratie. Bovendien concentratie species, kan microschaal Schlieren techniek worden uitgebreid tot de helling van andere scalaire grootheid die lineair samenhangt met de brekingsindex, zoals temperatuur of zoutgehalte meten.

<table><tbody><tr><td>Permanent Epoxy Negative Photoresist</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2150</td><td></td></tr><tr><td>single side polished silicon wafer</td><td>Light Technology</td><td>S4W1PP5SABUP1</td><td>p-type, diameter: 100&plusmn;0.5 mm, dikte: 525&plusmn;25 mm, oriëntatie: (1 0 0)</td></tr><tr><td>syringe pump</td><td>kdScientific</td><td>kds210</td><td></td></tr><tr><td>syringe, d.w.z. 10 ml</td><td>Terumo</td><td>SS-10L2138</td><td></td></tr><tr><td>Hoffman modulatiecontrastmicroscoop</td><td>Leica Microsystems</td><td>DM IL LED</td><td></td></tr><tr><td>5X objectieflens</td><td>Leica Microsystems</td><td>N PLAN</td><td>NA = 0.12</td></tr><tr><td>mesrand</td><td></td><td></td><td>op maat gemaakt onderdeel</td></tr><tr><td>camera, d.w.z. hoge snelheid</td><td>Integrated Design Tools</td><td>NX7-S1</td><td></td></tr><tr><td>C-mount adapter HC 0.63x</td><td>Leica Microsystems</td><td>541537</td><td></td></tr><tr><td>camerabesturingssoftware</td><td>Integrated Design Tools</td><td>MotionPro X Studio 2.02.01</td><td></td></tr><tr><td>polydimethylsiloxaan (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard-184 siliconenkit</td><td></td></tr><tr><td>Teflon-slang, d.w.z. O.D. x I.D. 1/16 inch x 0,031 inch</td><td>Supelco</td><td>58700-U</td><td></td></tr><tr><td>micro glasplaatje</td><td>Matsunami Glass</td><td>S2215</td><td></td></tr><tr><td>hotplate</td><td>Yeong-Shin</td><td>HP-303DN</td><td></td></tr><tr><td>gedestilleerd water, d.w.z. HPLC-kwaliteit</td><td>Alps Chemicals</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ethylalcohol, d.w.z. reagentiakwaliteit</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>EA448652</td><td></td></tr><tr><td>beeldverwerkingssoftware</td><td>Mathworks</td><td>MATLAB R2009a</td><td></td></tr><tr><td>pakket voor computationele vloeistofdynamica</td><td>ESI group</td><td>CFD-ACE+ 2008</td><td></td></tr></tbody></table>

het analyseren van mengen inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door microscale schlieren technique

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In deze paper, introduceren we het gebruik van microschaal schlieren techniek te meten mengen inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat. Het microschaal Schlieren-systeem is opgebouwd uit een Hoffman modulatie contrast microscoop, die een gemakkelijke toegang tot de achterste brandvlak van de objectieflens verschaft door het verwijderen van de gleufplaat en het vervangen van de modulator met een meskant. Het werkingsprincipe van microschaal schlieren techniek is gebaseerd op het opsporen van lichte doorbuiging veroorzaakt door variatie van de brekingsindex 1-3. De afgebogen licht ofwel ontsnapt of wordt belemmerd door het scherp van de snede om een ​​heldere of een donkere band te produceren, respectievelijk. Indien de brekingsindex van het mengsel varieert lineair met de samenstelling, de lokale verandering van de lichtintensiteit in het beeldvlak is evenredig met de concentratiegradiënt loodrecht op de optische as. De afbeelding micro-Schlieren geeft een tweedimensionale projectie van de verstoorde licht geproduceerd door drie-dimensionale inhomogeniteit. Om kwantitatieve analyse bewerkstelligen beschrijven we een kalibratieprocedure twee vloeistoffen mengt in een T-microkanaal. Wij voeren een numerieke simulatie om de concentratie gradiënt in de T-microchannel die nauw samenhangt met het beeld corresponderende micro-schlieren verkrijgen. Ter vergelijking wordt een relatie tussen de grijswaarden uitlezingen van beeld het micro-schlieren en de concentratie gradiënten die in een microfluïdische inrichting opgesteld. Met behulp van deze relatie, we zijn in staat om het mengen van inhomogeniteit van het associate micro-schlieren te analyseren en aan te tonen het vermogen van microschaal schlieren techniek met metingen in een microfluïdische oscillator 4. Voor optisch transparante vloeistoffen microschaal Schlieren techniek een aantrekkelijk diagnoseapparaat momentane full-veld informatie die de driedimensionale aspecten van het mengproces blijft leveren.

De target verhouding I / 0 I onder verschillende Reynolds getal voor zowel positieve als negatieve gradiënten van massaconcentratie wordt weergegeven (figuur 2) met een symmetrische band verschijnt in het midden van de T-microkanaal. Bij lage Reynolds getal, wordt de staart van de Schlieren band uitgebreid en wazig vanwege de dispersie over het mengen interface. Aangezien het Reynolds getal toeneemt, verkort de diffusielengte leidt tot een smallere band. Op verschillende pla...

Hier beschrijven we een procedure die de microschalige schlieren-techniek gebruikt om mengingsongelijkheid in een microfluïdisch apparaat te meten. Door middel van kalibratie kan de verdeling van de concentratiegradiënt worden afgeleid uit de micro-schlieren-afbeelding.

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

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

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.

analyzing-mixing-inhomogeneity-microfluidic-device-microscale

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om complexe natuurlijke processen in real-time en op het juiste fysieke schalen te visualiseren. We hebben een eenvoudige microfluïdische apparaat dat de belangrijkste functies van de natuurlijke poreuze media nabootst voor het bestuderen van de groei en het transport van bacteriën in de ondergrond.

Venster op een Microworld: Eenvoudig Microfluïdische Systemen voor het bestuderen van microbiële transport in poreuze media

In dit werk leggen we de fabricage en het gebruik van een microfluïdische mixer voor het mengen van twee oplossingen in ~ 8 ps. We tonen ook aan het gebruik van deze mixers met spectroscopische detectie met behulp van UV-fluorescentie en fluorescentie resonantie energie overdracht (FRET).

Microfluïdische Mixers voor het bestuderen van eiwitten vouwen

We een eenvoudige methode om microfluïdische inrichtingen kunnen toepassen soortgelijke dynamische omstandigheden meerdere verschillende stammen produceren zonder de noodzaak van een clean room of zachte lithografie.

Een microfluïdische apparaat voor het bestuderen van meerdere, afzonderlijke stammen

Source: Scheidweiler, D., et al. Combining Fluidic Devices with Microscopy and Flow Cytometry to Study Microbial Transport in Porous Media Across Spatial Scales. J. Vis. Exp. (2020).This video demonstrates the use of a microfluidic device to quantify bacterial motility through a porous matrix composed of randomly arranged pillars. Fluorescently labeled bacteria are introduced into the device, imaged via microscopy as they move through the porous matrix into the observation channel, and analyzed...

Assessing Bacterial Motility Using a Microfluidic Device

In deze video beschrijven we eerst de fabricage en de werking procedures van een surface acoustic wave (SAW) akoestische tegenstroom apparaat. Vervolgens tonen een experimentele situatie dat zowel stromingsvisualisatie kwalitatieve en kwantitatieve analyse van complexe stromen binnen de SAW pompinrichting.

Fabricage, bediening en Flow Visualization in Surface-akoestische-wave-driven Acoustic-tegenstroom Microfluidics

Diagnostiek van bloed tijdens ruimtevluchten heeft innovatie nodig. Er zijn maar weinig demonstraties gepubliceerd die technologie voor gezondheidsdiagnostiek in vlucht, met verminderde zwaartekracht, illustreren. Hier presenteren we een methode voor de constructie en werking van een parabolische vliegtestopstelling voor een prototype point-of-care flow-cytometrie ontwerp, met componenten en voorbereidingsstrategieën die aanpasbaar zijn aan andere opstellingen.

Verlaagde zwaartekracht Milieu Hardware Demonstraties van een Prototype Geminiaturiseerde doorstroomcytometer en Companion Microfluïdische Mixing Technology

Dit protocol beschrijft een systeemarchitectuur voor het uitvoeren van geautomatiseerde scheidingen van kleine volumes (0,15–1,5 ml) deeltjes met behulp van een microfluïdisch apparaat, en bespreekt methoden om de prestaties en werking van acoustofluïdische apparaten te optimaliseren.

Een microfluïdische platform voor Precision Small-volume monster verwerking en het gebruik ervan te Grootte Aparte Biologische Deeltjes met een akoestische microdevice

We laten zien dat de fabricage en het gebruik van een microfluidic apparaat waarmee meerdere deeltje bijhouden microrheology afmetingen om te bestuderen van de reologische effecten van herhaalde fase-overgangen op zachte materie.

Combinatie van Microfluidics en Microrheology om te bepalen de Rheologische eigenschappen van zachte materie tijdens herhaalde fase-overgangen

Verschillende methoden zijn beschikbaar voor de fabricage van alle zenders van niet-rechthoekige stukken ingesloten in Polydimethylsiloxaan microfluidic apparaten. De meeste van hen betrekken meerstaps productie en uitgebreide uitlijning. In deze paper is een one-step-aanpak voor het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische kruissecties gerapporteerd door Polydimethylsiloxaan sequentiële nat etsen.

Één stap aanpak te fabriceren Polydimethylsiloxaan Microfluidic kanalen van verschillende geometrische secties door sequentiële nat etsen processen

Dit protocol beschrijft het ontwerp en de fabricage van een microfluïdisch apparaat dat geschikt is voor het onderzoeken van de mechanica van microtubuli-polymeren. De synthese van microfabricage, geautomatiseerde stroomregeling en computationele modelleringstechnieken maakt een flexibel systeem mogelijk dat bij uitstek geschikt is om het cellulaire cytoskelet in vitro te onderzoeken.

Ontwikkeling van een op microfluïdica gebaseerde benadering voor het onderzoeken van de mechanica van microtubuli-polymeren

Ontdek de microscale schlieren-techniek voor niet-invasieve meting van concentratiegradiënten in microfluïdische apparaten. Deze methode maakt kwantitatieve analyse van menginhomogeniteit mogelijk via optische beeldvorming en kalibratieprocedures.

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

Meer video's verkennen