Analiza niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym za pomocą mikroskalowej techniki Schliarenna
June 12th, 2015
Tutaj opisujemy procedurę, która wykorzystuje technikę schlierena w mikroskali do pomiaru niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym. Dzięki kalibracji można wyprowadzić rozkład gradientu stężeń na podstawie obrazu mikro-schlierena.
Ogólnym celem tej procedury jest nieinwazyjny pomiar gradientu stężeń w urządzeniu mikroprzepływowym przy użyciu techniki mikroskalowej sch larin. Osiąga się to poprzez skonstruowanie najpierw mikroskalowego systemu sch larin z modulacyjnego mikroskopu kontrastowego Hoffmana. Zdejmij płytkę szczelinową kondensatora i zastąp modulator w tylnym ognisku obiektywu ostrzem noża.
Drugim krokiem jest zamontowanie mikrokanału T i rozpoczęcie procedury mieszania kalibracyjnego. Zobrazuj kanał T, aby uzyskać obrazy mikro schleina w skali szarości. Następnie porównaj obrazy z mikrolarina z symulacją obliczeniowej dynamiki płynów.
Aby znaleźć zależność między skalą szarości a gradientami stężeń, ostatnim krokiem jest załadowanie docelowego urządzenia mikroprzepływowego. Wykonaj mikro obraz mieszania Schleina i użyj krzywej kalibracyjnej, aby przekonwertować wartości skali szarości na gradienty stężeń. Ostatecznie, technika Schleina w mikroskali jest wykorzystywana do ilościowego pokazywania mieszania w jednorodności w urządzeniu mikroprzepływowym w czasie rzeczywistym.
Główną przewagą tej metody nad istniejącymi technikami, takimi jak obrazowanie fluorescencyjne lub cień, jest to, że umożliwia ona niestabilne pomiary gradientu stężeń, które ujawniają trójwymiarowość w jednorodności w urządzeniu do mikrocieczy. Tę procedurę zademonstruje dr A, świeżo upieczony doktorant z laboratorium. Pierwszym krokiem jest przygotowanie urządzenia mikroprzepływowego, które zostanie użyte w eksperymencie.
To urządzenie mikrokanałowe t zostało wyprodukowane przez formowanie polidimetylu Sloane. Schemat urządzenia przedstawia jego kanały zasilające i kanał konfluencji. Każdy kanał jest połączony z okrągłym obszarem, który będzie miejscem połączenia płynów.
Na potrzeby eksperymentu zamontuj urządzenie mikroprzepływowe na szklanym szkiełku i włóż rurki teflonowe. Aby wykonać płynne połączenia, odłóż urządzenie na bok. Przygotowując eksperyment, skonstruuj mikroskalowy system Schleina z modulacyjnego mikroskopu kontrastowego Hoffmana.
Przygotuj krawędź noża do umieszczenia w ścieżce optycznej. Ta krawędź noża jest wykonana na zamówienie do użytku w tym systemie i jest przyciemniona w celu zmniejszenia odbicia. Trzymaj krawędź noża pod ręką i zacznij modyfikować pęknięcie mikroskopu.
Zdejmij płytkę szczelinową przed płaszczyzną ogniskową skraplacza. Następnie wyjmij modulator z tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu z pięcioma rozmiarami. Weź krawędź noża i włóż ją w miejsce modulatora.
Aby nagrać wideo, użyj szybkiej kamery zamontowanej na tubusie trójokularowym mikroskopu i podłączonej do komputera. Włącz źródło światła i rozpocznij wysyłanie wideo w skali szarości do komputera. Następnie przechwyć i przetwórz obraz.
Nagraj obraz ze strumienia wideo i użyj oprogramowania do przetwarzania obrazu, aby uzyskać jego wartość w skali szarości. Wróć do mikroskopu i usuń krawędź noża z komputera. Monitoruj średni odczyt skali szarości podczas regulacji oświetlenia i przysłony.
Zatrzymaj się, gdy średni odczyt skali szarości obrazu jest o około 10% mniejszy niż wartość maksymalna. Jest to intensywność tła dla odcięcia 0%. Teraz włóż krawędź noża, aby całkowicie zablokować padające światło.
Przy komputerze. Zapisz średni odczyt skali szarości obrazu. Jest to intensywność tła dla 100% odcięcia.
Następnie iteracyjnie dostosuj położenie krawędzi noża, jednocześnie monitorując średni odczyt skali szarości przechwyconych obrazów. Zatrzymać. Gdy średni odczyt skali szarości obrazu znajduje się w środku wartości zero i 100%, ustawia to stopień odcięcia na 50%Teraz wróć do mikroskopu, aby zamontować urządzenie mikrokanałowe T. Umieść go na stoliku próbki tak, aby kanał zlewający się był równoległy do krawędzi noża.
Z grubsza dostosuj ostrość, gdy urządzenie jest na miejscu. Napraw płyny do eksperymentu. Wybierz dwa przezroczyste płyny bez współczynników załamania światła, które są całkowicie pomijane ze sobą.
W tym filmie woda jest używana jako płyn odniesienia, a wodny roztwór etanolu jest drugim i s plus współczynnika załamania światła w funkcji stężenia. I wybierz udział masowy wodnego etanolu tak, aby mieścił się w obszarze liniowym. W tym eksperymencie wykorzystuje się ułamek masowy 0,05 do dozowania naprawy płynów.
Dwie identyczne strzykawki napełniają jedną strzykawkę wodą, a druga rozcieńcza wodny roztwór etanolu, łącząc strzykawki z mikrokanalikiem T. Użyj rurki teflonowej, aby połączyć każdy z dwóch wlotów mikrokanału T z jedną ze strzykawek. Mieć dwie pompy strzykawkowe na miejscu, aby dostarczać płyny do wlotów mikrokanałów.
Załadować jedną pompę strzykawką z płynem referencyjnym. Załaduj drugą pompę ze strzykawką z rozcieńczonym etanolem, ale koniec rurki odpływowej do pojemnika i zamocuj ją na ścianie pojemnika. Rozpocznij kalibrację, aby nadać im liczbę Reynoldsa, ustawiając natężenie przepływu pomp strzykawkowych.
Uruchomić pompy strzykawkowe, aby jednocześnie dostarczać płyny robocze o identycznym natężeniu przepływu. Użyj aparatu, aby dobrze obserwować mikrokanał. Dostrój ostrość i poczekaj, aż stały przepływ ustabilizuje się, sygnalizowany przez stacjonarny SL i wzór.
Użyj szybkości 30 klatek na sekundę, aby nagrać 20 klatek miksowania płynowego. Te klatki są uzyskanym obrazem. Po zakończeniu przygotuj pompy, aby uzyskać kolejny zestaw ramek.
Zatrzymać pompę strzykawkową dla rozcieńczonego etanolu i kontynuować pompowanie wody przez jeden wlot. Obserwuj przepływ i poczekaj, aż pojawi się stały przepływ z nole i wzorem. Nagrywaj 20 klatek obrazów z szybkością 30 klatek na sekundę.
Ramki te są obrazem referencyjnym. Kontynuuj, przechwytując obrazy etanolu i wody, a następnie tylko wody dla każdej interesującej nas liczby Reynoldsa. Po zebraniu wszystkich danych włącz się do komputera, aby kontynuować kalibrację.
Użyj oprogramowania do przetwarzania obrazu, aby podzielić uzyskane obrazy przez obraz referencyjny dla każdego błędu liczby Reynoldsa. Próbka uzyskanych obrazów, gdy wodny roztwór etanolu dostaje się z kanału u góry obrazu, a kanał u dołu dzieli się przez obraz referencyjny, daje dane dotyczące współczynnika szarości w danej odległości wzdłuż strumienia. Wybierz punkty w kierunku strumienia poprzecznego i wyodrębnij proporcje szarości dla każdego z nich.
Zrób to dla kilku punktów wzdłuż strumienia i wykreśl dane do porównania. Wykonaj symulację obliczeniową dynamiki płynów eksperymentu. Użyj tego, aby obliczyć pochodną ułamka masowego w odniesieniu do pochodnej strumienia krzyżowego.
Następnie wykorzystaj oczekiwaną zależność liniową między współczynnikiem skali szarości a pochodną za pomocą regresji liniowej. Aby znaleźć linię regresji po kalibracji, użyj techniki mikro schleina do zbadania urządzenia docelowego. Najpierw odłącz i wyjmij urządzenie mikrokanałowe T ze stolika na próbkę.
Zastąp go docelowym urządzeniem mikroprzepływowym o mniej więcej równej głębokości. Podłącz urządzenie do wody i wodnego roztworu etanolu z kamerą rejestrującą wodę wejściową i rozcieńcz etanol przy równych natężeniach przepływu objętościowego w komputerze. Poczekaj, aż przepływ się ustabilizuje i nagraj 20 klatek dla uzyskanego obrazu.
Następnie zatrzymaj pompę strzykawkową dla wodnego roztworu etanolu i wprowadź tylko wodę do docelowego urządzenia mikroprzepływowego. Wróć do komputera, aby uzyskać obraz referencyjny. Współczynnik skali szarości pod różnymi liczbami Reynoldsa dla dodatnich i ujemnych gradientów ułamka masy ma pasmo pojawiające się w środku mikrokanału T przy niskiej liczbie Reynoldsa.
Ogon pasma Schleina jest rozszerzony i rozmyty z powodu dyspersji na interfejsie mieszania. Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa długość dyfuzji skraca się, co prowadzi do węższego pasma. W tym filmie liniowa zależność znaleziona między stosunkiem skali szarości a pochodną ułamka masowego została wykorzystana do uchwycenia oscylacyjnej natury przepływu w oscylatorze mikroprzepływowym przy liczbie Reynoldsa 250.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wdrożyć technikę warstw w mikroskali do ilościowego oznaczania gradientów stężeń w urządzeniu mikroprzepływowym.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje procedurę wykorzystującą technikę mikroskalową schlieren do pomiaru niechłonności mieszania w mikrofluidycznym urządzeniu. Metoda ta pozwala na nieinwazyjną ocenę gradientów stężeń poprzez kalibracje i techniki obrazowania.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Mikrofluidyka
- Optyczne techniki obrazowania
- Dynamika płynów
Tło
- Urządzenia mikrofluidyczne są niezbędne w różnych zastosowaniach biologicznych i chemicznych.
- Zrozumienie dynamiki mieszania jest kluczowe dla optymalizacji tych urządzeń.
- Mikroskalowa technika schlieren zapewnia nowatorskie podejście do wizualizowania gradientów stężeń.
- Kalibracja jest niezbędna do dokładnej interpretacji uzyskanych obrazów.
Cel badania
- Opracowanie nieinwazyjnej metody pomiaru gradientów stężeń w systemach mikrofluidycznych.
- Wykorzystanie mikroskałowej techniki schlieren do ulepszonych obrazów procesów mieszania.
- Porównanie wyników eksperymentalnych z symulacjami dynamiki płynów obliczeniowych.
Stosowane metody
- Budowa mikroskalowego systemu schlieren z wykorzystaniem mikroskopu kontrastu modulacji Hoffmana.
- Zastąpienie płytki szczelinowej ostrzem noża dla modulacji.
- Zamontowanie mikrokanału T do procedur kalibracyjnego mieszania.
- Zdjęcia kanału T w celu uzyskania obrazów mikro-schlieren w skali szaro-czarnej.
Główne wyniki
- Udane obrazowanie gradientów stężeń w urządzeniu mikrofluidycznym.
- Kalibracja pozwoliła na dokładną interpretację obrazów schlieren.
- Porównanie z symulacjami dynamiki płynów obliczeniowych potwierdziło wyniki.
- Technika wykazała potencjał dla szerszych zastosowań w badaniach nad dynamiką płynów.
Wnioski
- Mikroskalowa technika schlieren jest skuteczna w pomiarze niechłonności mieszania.
- Ta metoda zapewnia nieinwazyjne podejście do badania systemów mikrofluidycznych.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować różne dziedziny wymagające precyzyjnej analizy dynamiki płynów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of mixing inhomogeneity in microfluidic devices is critical for early-stage biopharma workflows where precise reagent distribution impacts assay fidelity and target validation. The microscale schlieren technique enables non-invasive, real-time measurement of concentration gradients, supporting predictive confidence in microfluidic-based discovery platforms. This capability strengthens portfolio decision-making by reducing ambiguity in microenvironmental control and assay reproducibility.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization and quantification of concentration gradients for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of microfluidic mixing relevant to biological assay performance.
- Improves predictive confidence in microfluidic system suitability for target interrogation.
Screening & Assay Development
- Facilitates calibration and standardization of microfluidic devices for reproducible compound screening.
- Provides quantitative grayscale outputs for robust assay development and optimization.
- Enables rapid assessment of mixing uniformity, supporting scalable assay workflows.
Translational & Preclinical Research
- Supports continuity from microfluidic discovery assays to preclinical model systems by ensuring mixing fidelity.
- Reduces risk of translational failure due to undetected microenvironmental inhomogeneity.
- Enhances alignment of microfluidic outputs with downstream biomarker or efficacy studies.
Pipeline & Workflow Integration
The microscale schlieren technique integrates at the interface of early discovery and assay development, providing a diagnostic tool for microfluidic device validation prior to lead identification or preclinical studies.
- Discovery Biology: Quantifies spatial concentration gradients to clarify mixing-dependent biological hypotheses.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for assay readiness and platform standardization.
- Analytics: Enables direct comparison of experimental and simulated mixing profiles for robust device evaluation.
- Translational Research: Ensures microfluidic assay outputs are predictive of preclinical system performance.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable calibration and validation workflow for diverse microfluidic platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microfluidic-based assays.
- Operational Value: Standardizes device validation and supports scalable, reproducible workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing quantitative mixing metrics early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of microfluidic platforms for downstream development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical imaging and microfluidic device handling.
- Needs access to a Hoffman modulation contrast microscope and image processing infrastructure.
- Demands cross-team calibration standardization for consistent grayscale-to-gradient mapping.
- Adaptable to various transparent fluid systems with linear refractive index-concentration relationships.
- Limited to optically transparent fluids and devices compatible with the imaging setup.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
The Microfluidic Device
2:29
Experimental Setup
5:55
Calibration
8:10
Quantification
9:02
Results: Schlieren Band Behavior with Variation of the Reynolds Number, and the Evolution of the Mass Fraction Gradient in a Microfluidic Oscillator
9:47
Conclusion
