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Bioengineering

Microscale Schlieren तकनीक के द्वारा एक microfluidic युक्ति में मिश्रण inhomogeneity का विश्लेषण करना

Published: June 12, 2015 doi: 10.3791/52915
Automatic Translation
1, 2
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University, 2Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology

Abstract

इस पत्र में, हम एक microfluidic युक्ति में inhomogeneity के मिश्रण को मापने के लिए microscale schlieren तकनीक का उपयोग शुरू। microscale schlieren प्रणाली, भट्ठा थाली को दूर करने और एक चाकू बढ़त के साथ न्यूनाधिक की जगह से ऑब्जेक्टिव लेंस के पीछे फोकल हवाई जहाज़ के लिए आसान पहुँच प्रदान करता है जो एक हॉफमैन मॉडुलन विपरीत खुर्दबीन से निर्माण किया है। microscale schlieren तकनीक का काम सिद्धांत अपवर्तनांक 1-3 की भिन्नता के कारण प्रकाश नीचे को झुकाव का पता लगाने पर निर्भर करता है। सीधे रास्ते से फिर प्रकाश पलायन या क्रमश: एक उज्ज्वल या एक अंधेरे बैंड का उत्पादन करने के लिए चाकू बढ़त द्वारा बाधित है या तो। मिश्रण का अपवर्तनांक अपनी रचना के साथ रैखिक भिन्न होता है, तो छवि विमान में प्रकाश की तीव्रता में स्थानीय परिवर्तन ऑप्टिकल अक्ष के लिए सामान्य एकाग्रता ढाल करने के लिए आनुपातिक है। माइक्रो schlieren छवि तीन आयामी inhomogeneity के द्वारा उत्पादित परेशान प्रकाश की एक दो आयामी प्रक्षेपण देता है।

मात्रात्मक विश्लेषण पूरा करने के लिए, हम एक टी microchannel में दो तरल पदार्थ घोला जा सकता है कि एक अंशांकन प्रक्रिया का वर्णन। हम इसी सूक्ष्म schlieren छवि के साथ मिलकर इसे संबद्ध है कि टी microchannel में एकाग्रता ढाल प्राप्त करने के लिए एक संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए बाहर ले। तुलना करके, सूक्ष्म schlieren छवि का स्केल readouts और एक microfluidic युक्ति में प्रस्तुत एकाग्रता ढ़ाल के बीच एक संबंध स्थापित किया है। इस रिश्ते का प्रयोग, हम एक microfluidic थरथरानवाला 4 में माप के साथ microscale schlieren तकनीक की क्षमता सहयोगी सूक्ष्म schlieren छवि से मिश्रण inhomogeneity के विश्लेषण और प्रदर्शन करने में सक्षम हैं। ऑप्टिकली पारदर्शी तरल पदार्थ के लिए, microscale schlieren तकनीक मिश्रण की प्रक्रिया के तीन आयामी सुविधाओं को बरकरार रखे हुए है कि तात्कालिक पूरे क्षेत्र के बारे में जानकारी प्रदान करने के लिए एक आकर्षक नैदानिक ​​उपकरण है।

Introduction

द्रव मिश्रण कई औद्योगिक प्रक्रियाओं और जैविक प्रणालियों में पाया जाता है कि एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। Microfluidics के उद्भव के साथ, microscale में मिश्रण की वजह से बड़े पैमाने पर परिवहन तंत्र के बीच प्रसार वर्चस्व में अपनी चुनौती के लिए अधिक ध्यान में लाया गया है। एक प्रभावी micromixer आवश्यक मात्रात्मक सत्यापन को डिजाइन करने के बाद से, कई मापने के तरीकों 5-7 विकसित किए गए। फिर भी, सामान्यतः कुशल micromixers 5 में पाया तीन आयामी संरचना है, आम मापने तकनीक देने में विफल है कि एकाग्रता क्षेत्र के एक और सही प्रतिनिधित्व की मांग। कारण कोण 8 या प्रतिक्रिया कैनेटीक्स 6 को देखने की सीमा के लिए, aforementioned के तरीकों को सही ढंग से मिश्रण की एकरूपता के लिए खाते में नहीं है कि भ्रामक परिणाम उत्पन्न कर सकता है।

ऑप्टिकली पारदर्शी microstructures में मिश्रण ऑप्टिकली पारदर्शी तरल पदार्थ, microscale schlieren तकनीक 3,9-14 के लिए 9-13, 15 या चरण 16 ढाल कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। Microscale schlieren तकनीक एक साधारण ऑप्टिकल लेआउट और उच्च संवेदनशीलता दोनों से लाभ और ऑप्टिकल अशांति का कारण बनता है, लेकिन मिश्रण का आकलन करने में उपयोग के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है कि विशिष्ट प्रवाह सुविधा के गैर इनवेसिव जांच न केवल सक्षम बनाता है। इस पत्र में, हम एक माइक्रोस्कोप के उद्देश्य के पीछे फोकल हवाई जहाज़ में एक चाकू बढ़त डालने से microscale schlieren प्रणाली के निर्माण, मात्रात्मक विश्लेषण का एहसास करने के लिए एक अंशांकन प्रक्रिया का वर्णन है, और एक microfluidic थरथरानवाला 4 में एक मान्यता के माप की रिपोर्ट। माप को लागू करने के लिए, तरल पदार्थ काम ठीक से मिश्रित तरल पदार्थ के अपवर्तनांक रचना के साथ रैखिक बदलता रहता है, ताकि चयनित है, और लक्ष्य microfluidic युक्ति की मोटाई पर करने के लिए समान है कर रहे हैंई अंशांकन में इस्तेमाल किया। प्रजातियों एकाग्रता के अलावा, microscale schlieren तकनीक रैखिक जैसे तापमान या लवणता के रूप में अपवर्तन के सूचकांक के लिए सहसंबद्ध है कि अन्य अदिश राशि की ढाल को मापने के लिए बढ़ाया जा सकता है।

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Protocol

Microfluidic युक्ति 1. निर्माण

  1. एक टी microchannel की रूपरेखा आकर्षित करने के लिए एक ग्राफिक लेआउट सॉफ्टवेयर (जैसे, ऑटोकैड) का प्रयोग करें। टी microchannel के लिए, दो फ़ीड चैनलों 90 माइक्रोन चौड़े और 2,500 मीटर लंबे होते हैं, और संगम चैनल लंबे समय से 180 विस्तृत माइक्रोन और 3,000 मीटर है। 1,100 माइक्रोन की एक व्यास के साथ एक व्यक्ति को मंडली में प्रत्येक चैनल के अंत कनेक्ट करें।
  2. मार्क 'स्पष्ट' और क्रमशः जोखिम और क्षेत्रों को कवर, के लिए 'अंधेरे'। एक नकारात्मक photoresist के लिए (जैसे, एसयू 8), टी microchannel के आकार 'स्पष्ट' है और आसपास है 'अंधेरे'।
  3. एक क्रोम-पर-गिलास photomask पर टी microchannel के पैटर्न हस्तांतरण करने के लिए 442 एनएम के तरंग दैर्ध्य और 2 माइक्रोन की एक न्यूनतम सुविधा आकार के साथ एक लेजर पैटर्न जनरेटर का प्रयोग करें।
  4. Photomask, एक सब्सट्रेट (उदाहरण के लिए, एकल पक्ष पॉलिश सिलिकॉन वेफर) और एक स्थायी epoxy के photoresist के प्रयोग (जैसे।, र 8) एक मानक लिथोग्राफी प्रक्रिया के माध्यम से एक सांचे बनाने के लिए। photoresist परत 55.2 माइक्रोन मोटी है। सामान्य में, photoresist के मोटाई उद्देश्य लेंस 17-19 के सहसंबंध की गहराई से भी पतली होना चाहिए।
  5. टी microchannel के 20 निर्माण करने के लिए मोल्ड और इस तरह के polydimethylsiloxane (PDMS) के रूप में एक पारदर्शी सामग्री का उपयोग करें।
  6. Fluidic कनेक्शन के लिए, पंच के लिए बाहरी व्यास में 2 मिमी की एक स्टेनलेस स्टील ट्यूब का उपयोग के माध्यम से छेद PDMS पर परिपत्र पैटर्न के लिए गठबंधन किया।
  7. PDMS और 30 सेकंड के लिए 60 डब्ल्यू पर ऑक्सीजन प्लाज्मा के साथ एक गिलास स्लाइड की सतहों उपचार करें। कांच स्लाइड करने के लिए PDMS संलग्न। दो पदार्थों का ऑक्सीकरण सतहों एक मजबूत रिश्ता बनाने। 120 डिग्री सेल्सियस पर 5 मिनट के लिए एक गर्म थाली पर बंधुआ PDMS संरचना रखें।
  8. Fluidic कनेक्शन के लिए छिद्रित छेद में टेफ्लॉन ट्यूब डालें।

2. प्रायोगिक सेटअप

  1. एक Hoffma से microscale schlieren प्रणाली का निर्माणकंडेनसर के सामने फोकल हवाई जहाज़ में भट्ठा थाली को दूर करने और 5X उद्देश्य 3 के पीछे फोकल हवाई जहाज़ में एक चाकू बढ़त के साथ न्यूनाधिक की जगह से एन मॉडुलन विपरीत खुर्दबीन। उद्देश्य 17-19 की संख्यात्मक एपर्चर पर निर्भर करता है जो सहसंबंध की गहराई, microfluidic युक्ति की पूरी गहराई को कवर करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए। चाकू बढ़त की सतह अपनी भावना को कम करने के लिए anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड से काला है।
  2. एक सी-माउंट एडाप्टर के माध्यम से माइक्रोस्कोप के trinocular ट्यूब करने के लिए उच्च गति कैमरा माउंट। कैमरा एक बीम फाड़नेवाला के माध्यम से माइक्रोस्कोप के ऑप्टिकल पथ सामना करना पड़ता है। एक ईथरनेट केबल के माध्यम से एक डेस्कटॉप कंप्यूटर के लिए कैमरा कनेक्ट करें। इसके स्केल readout के इनपुट luminance के लिए आनुपातिक है इतना है कि कैमरे के लिए 1 से गामा सुधार सेट करें।
  3. प्रकाश स्रोत को चालू करें। अतिरिक्त गर्मी से बचने के क्रम में, एलईडी (प्रकाश उत्सर्जक डायोड) प्रकाश का उपयोग करें।
  4. जैसे, <(एक छवि संसाधन सॉफ्टवेयर का उपयोग/ उन्हें> MATLAB में समारोह imread) एक अधिग्रहीत छवि का स्केल मूल्यों को प्राप्त करने के लिए। , चाकू बढ़त निकालें छवि की औसत स्केल readout के अधिक से अधिक मूल्य की तुलना में लगभग 10% से भी कम है, इसलिए है कि रोशनी, एपर्चर और जोखिम समय समायोजित। यह एक 0% कटऑफ के लिए पृष्ठभूमि तीव्रता को दर्शाता है और हम एक 8 बिट छवि के लिए 230 का एक मूल्य का उपयोग करें।
  5. पूरी तरह से घटना प्रकाश ब्लॉक करने के लिए चाकू बढ़त डालें। छवि का औसत स्केल readout के रिकॉर्ड। यह एक 100% कटऑफ के लिए पृष्ठभूमि तीव्रता अर्थ और मूल्य के बारे में 15 एक 8 बिट छवि के लिए है।
  6. चाकू बढ़त की स्थिति को समायोजित है कि इस तरह का अधिग्रहण छवि की औसत स्केल readout के 0% और 100% कटऑफ के लिए मूल्यों के बीच में स्थित है। अब कटऑफ की डिग्री 50% करने के लिए निर्धारित है।
  7. घटक के रूप में एक दूसरे के साथ पूरी तरह से मिश्रणीय जानते हैं कि अपवर्तक सूचकांक 21 के साथ दो पारदर्शी तरल पदार्थ तैयार करें। अपवर्तक इंडस्ट्रीज़ की निर्भरता का मूल्यांकन करने के लिएमिश्रण की एकाग्रता पर पूर्व, साहित्य 21 की जाँच करें या ग्लैडस्टोन-डेल समीकरण 22 का उपयोग करें। वक्र संपूर्ण रेंज पर अरेखीय है, तो अन्य तरल पदार्थ घटकों उठाओ। फिर, समाधान का अपवर्तनांक एकाग्रता के साथ रैखिक भिन्न होता है, जिसके नीचे एक नामित रचना का चयन करें। उदाहरण के लिए, काम तरल पदार्थ के रूप में एक बड़े पैमाने पर 0.05 के अंश और पानी के साथ जलीय इथेनॉल पतला उपयोग करें।
  8. नमूना मंच पर टी microchannel रखो। चाकू-किनारे करने के लिए मिला हुआ चैनल समानांतर के साथ ऐसा (चित्रा 1) टी microchannel की व्यवस्था।
  9. सिरिंज एक संदर्भ तरल पदार्थ (पानी) के रूप में कार्य करता है कि काम द्रव से भर जाता है, और सिरिंज बी अन्य काम कर द्रव (जलीय इथेनॉल पतला) के साथ भरा है: दो समान सीरिंज तैयार करें। सिरिंज के आकार वांछित प्रवाह दर क्यू और सिरिंज पंप के विनिर्देश पर निर्भर करता है: क्यू = πd डी Syr के भीतरी व्यास है, जहां 2 वी / 4,Inge और वी सवार की गति है। फ्लो धड़कन आमतौर पर वी 23 को बढ़ाने के लिए एक छोटे से सिरिंज का चयन करके रोका जा सकता है।
  10. एक बीकर में टी microchannel से आउटलेट तरल पदार्थ ले लीजिए। सुनिश्चित करें Teflon के आउटलेट ट्यूब बीकर की दीवार के लिए तय हो गई है और उसके अंत छोटी बूंद breakoff की वजह से हो जाएगा कि कंपन से बचने के क्रम में बीकर में तरल स्तर से नीचे है।

3. कैलिब्रेशन

  1. मिश्रण दो तरल पदार्थ और संदर्भ छवियों की छवियों मोल।
    1. एक दिया रेनॉल्ड्स संख्या पुन कम, सिरिंज पंप के प्रवाह की दर निर्धारित करते हैं, क्यू। क्यू क्यू = μ (डब्ल्यू डी +) रे / 4ρ, μ और ρ चिपचिपाहट और क्रियाशील तरल पदार्थ के घनत्व कहाँ हैं, और w से गणना की है और डी क्रमशः, टी microchannel के संगम चैनल की चौड़ाई और गहराई रहे हैं।
    2. लोड एक सिरिंज एक साथ पंप और एसवाई के साथ अन्य पंपringe बी कनेक्ट टी microchannel के दो inlets के Teflon टयूबिंग के माध्यम से एक और सिरिंज बी सिरिंज के लिए। समान मात्रा प्रवाह दरों पर टी microchannel में काम तरल पदार्थ देने के लिए सिरिंज पंप शुरू करो।
    3. सतत प्रवाह स्थापित करता है जब तक प्रतीक्षा करें। सतत प्रवाह हालत एक स्थिर schlieren पैटर्न के उद्भव से परिभाषित किया गया है।
    4. 30 एफपीएस के एक फ्रेम दर पर fluidic मिश्रण के बीस तख्ते रिकॉर्ड करने के लिए कैमरा नियंत्रित सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें।
    5. केवल निरंतर दर पर टी microchannel के संगम चैनल में एक प्रवेश के माध्यम से संदर्भ तरल पदार्थ (पानी) पंप सिरिंज बी के साथ भरी हुई है, जो पंप बंद करो।
    6. सतत प्रवाह हालत तक पहुँच जाता है और कोई schlieren पैटर्न मनाया जाता है जब तक प्रतीक्षा करें।
    7. कोई ऑप्टिकल inhomogeneity के टी microchannel में मौजूद है, जब संदर्भ छवि, लेने के लिए कैमरा नियंत्रित सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें। 30 एफपीएस के एक फ्रेम दर पर बीस तख्ते रिकॉर्ड।
    8. अलग रेनॉल्ड्स संख्या में 3.1.7 के लिए 3.1.1 दोहराएं: = 1 पुन, 5, 10, 20 और 50 है, ताकि कोई जटिल प्रवाह संरचना टी microchannel 24 के संगम क्षेत्र में उभर रहे हैं।
  2. मैं और जम्मू पिक्सेल सूचकांकों हैं जहां संदर्भ छवि मैं 0 (मैं, जम्मू) 25, द्वारा अधिग्रहीत छवि मैं (मैं, जम्मू) विभाजित करने के लिए एक छवि संसाधन सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें।
  3. टी microchannel में नामित तरल पदार्थों का मिश्रण अनुकरण करने के लिए एक सीएफडी (कम्प्यूटेशनल द्रव डायनेमिक्स) पैकेज रोजगार।
    1. टी microchannel की ज्यामिति के लिए तीन आयामी मॉडल का निर्माण। संरचित ग्रिड में प्रवाह डोमेन Discretize। , शुद्धता बढ़ाने के संगम और टी microchannel के मध्य क्षेत्र में महीन जाल को रोजगार के लिए।
    2. तरल पदार्थ के भौतिक गुणों को नियत करें और प्रवाह डोमेन के लिए सीमा की स्थिति की स्थापना। सुलझाने की प्रक्रिया के दौरान, आखिरी में प्राप्त की एकाग्रता से एकाग्रता पर निर्भर प्रसार गुणांक का निर्धारणस्थानीय एकाग्रता को अद्यतन करने के क्रम में चलना 26।
    3. ग्रिड अध्ययन 27 प्रदर्शन द्वारा गणना परिणामों की संवेदनशीलता की जाँच करें।
  4. प्रत्येक नोड के लिए (एक्स मैं, मैं y) XY विमान पर, trapezoidal शासन द्वारा चैनल गहराई भर में एकाग्रता क्षेत्र के औसत मूल्यों लेने के लिए सीएफडी पोस्ट प्रसंस्करण उपकरण को रोजगार: डब्ल्यू (एक्स मैं, वाई जे) = {Σ कश्मीर [डब्ल्यू (एक्स मैं, वाई जम्मू, जेड कश्मीर) W + (एक्स मैं, वाई जम्मू, जेड कश्मीर को +1)] ∙ (जेड कश्मीर + 1 - Z ट) / 2} / डी 28, डी है जहां चैनल गहराई। Deriva गणना करने के लिए केंद्रीय differencing योजना का उपयोगपार धारा दिशा के संबंध में एकाग्रता की ेश्य: (∂ डब्ल्यू / ∂ वाई) मैं, जम्मू = [(एक्स मैं, वाई जम्मू +1) डब्ल्यू डब्ल्यू - (एक्स मैं, वाई जे -1)] / (Y जम्मू + 1 - Y जम्मू -1)।
  5. सकारात्मक और नकारात्मक दोनों ढ़ाल के लिए, स्केल मूल्यों मैं / मैं 0 (3.2 में प्राप्त) और जन अंश की ढाल ∂ डब्ल्यू / ∂ Y ऐसे Y = 0 (centerline के रूप में निर्दिष्ट स्थानों पर (3.4 में प्राप्त), streamwise का अनुपात निकालने दिशा) या विभिन्न दिया एक्स (पार धारा दिशा)।
  6. परिणाम साजिश और मैं के बीच / मैं 0 निर्धारित करने के संबंध और ∂ ∂ / Y, मैं / मैं 0 डब्ल्यू y / ∂ सी + 2 (सी 1 और सी 2 स्थिरांक हैं) डब्ल्यू बी> = सी 1 ∂,।

4. Quantitation

  1. दोहराएँ 3.1 लक्ष्य microfluidic युक्ति में मिश्रण के लिए 3.2 करने के लिए कदम। लक्ष्य microfluidic युक्ति की गहराई समान या टी microchannel की उस के पास होना चाहिए। अस्थिर घटना होने की उम्मीद कर रहा है, बजाय कदम 3.1.4 में एक वीडियो क्लिप (छवियों के अनुक्रम) के अधिग्रहण। जोखिम समय 2.4, 2.5, 3.1.4 और 3.1.7 में इस्तेमाल मूल्य के लिए समान होना चाहिए, जबकि फ्रेम दर, स्पष्ट रूप से क्षणिक प्रवाह की गतिशीलता को हल करने के लिए पर्याप्त उच्च किया जाना चाहिए।
  2. लक्ष्य microfluidic युक्ति में सामूहिक अंश की ढाल करने के लिए स्केल मूल्यों के अनुपात में परिवर्तित करने के लिए कदम 3.6 में प्राप्त रिश्ते का प्रयोग करें।

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Representative Results

स्केल अनुपात मैं / जन अंश के सकारात्मक और नकारात्मक ढ़ाल दोनों के लिए अलग अलग रेनॉल्ड्स संख्या के तहत मैं 0 टी microchannel के मध्य में प्रदर्शित होने के एक सममित बैंड के साथ (चित्रा 2) दिखाया गया है। कम रेनॉल्ड्स नंबर पर, schlieren बैंड की पूंछ के कारण मिश्रण इंटरफ़ेस भर में फैलाव के लिए विस्तार किया है और धुंधला है। रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ जाती है के रूप में, प्रसार लंबाई एक संकरा बैंड के लिए अग्रणी shortens। अलग बहाव के स्थानों पर, तीव्रता परिवर्तन ΔI के रूपांतरों / मैं पार धारा दिशा साथ 0 मात्रात्मक (चित्रा 3) चित्रित कर रहे हैं। अंशांकन प्रक्रिया से परिणाम (चित्रा -4 ए प्रतिनिधित्व कर रहे हैं और 4 बी)। मैं बीच के रिश्ते / मैं 0 और w ∂ / ∂ Y रेनॉल्ड्स NUM के रैखिक और स्वतंत्र हैदिसंबर। प्रतिगमन विश्लेषण से, मैं / मैं 0 = -110 ∂ डब्ल्यू / के लिए y + 1.03 ∂ ∂ डब्ल्यू / ∂ Y> 0 और मैं / मैं 0 = -160 ∂ डब्ल्यू / y के ∂ + 0.83 के लिए डब्ल्यू / ∂ Y <∂ 0 , ∂ ∂ Y माइक्रोन -1 में है / डब्ल्यू। रिश्तेदार अनिश्चितताओं ± 3.8% कर रहे हैं और क्रमश: चित्रा -4 ए और 4 बी में 3.2% ±। डेटा बिंदुओं बाहर स्तर जहां पता लगाने सीमा तक पहुँच जाता है। यह सकारात्मक और नकारात्मक ढ़ाल की ढलानों में विचलन 3 असामान्य नहीं है कि उल्लेख किया है। इन समीकरणों का उपयोग करना, एक microfluidic थरथरानवाला 4 में समय के साथ सामूहिक अंश ढाल की भिन्नता (चित्रा 5) में देखा जाता है। मिश्रण इंटरफ़ेस गुहा क्षेत्र में सीधे रास्ते से और सी अस्थिरता प्रवाह हैommences। यह वीडियो आंकड़ा स्पष्ट रूप से microfluidic थरथरानवाला में प्रवाह के दोलन प्रकृति का पता चलता है और एक microfluidic युक्ति में समय हल पूरे क्षेत्र एकाग्रता ढाल पर कब्जा करने के microscale schlieren तकनीक की क्षमता को दर्शाता है।

चित्र 1
ऑप्टिकल सेटअप चित्रा 1. योजनाबद्ध। चाकू बढ़त के उन्मुखीकरण अपवर्तनांक का एक सकारात्मक ढाल के साथ एक अंधेरे बैंड पैदा करता है। प्रकाश अपवर्तनांक बढ़ाने की दिशा की ओर विक्षेपित। उद्देश्य लेंस छवि inverts, क्योंकि अवरुद्ध - Y क्षेत्र विकृत प्रकाश ढालें ​​और एक अंधेरे बैंड पैदा करता है।

चित्र 2
Unde टी microchannel में मिश्रण के लिए स्केल readouts की चित्रा 2. अनुपात । विभिन्न प्रवाह विन्यास r सकारात्मक और नकारात्मक ढ़ाल क्रमशः, काले और चमकदार बैंड में परिणाम। रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ जाती है, बैंड और अधिक केंद्रित हो जाता है।

चित्र तीन
चित्रा 3. सकारात्मक और नकारात्मक दोनों ढ़ाल के लिए पार धारा दिशा साथ तीव्रता परिवर्तन की भिन्नता। पुन = 1 और पुन = 5।

चित्रा 4
चित्रा सामूहिक अंश की ढाल और स्केल अनुपात के बीच 4. रिश्ता। सकारात्मक और नकारात्मक दोनों ढ़ाल के लिए, स्केल अनुपात सामूहिक अंश ढाल के साथ रैखिक भिन्न होता है।

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चित्रा 5 (वीडियो चित्रा)। पुन = 250 प्रवाह दोलन के माध्यम से मिश्रण विशेषता पर एक microfluidic थरथरानवाला में सामूहिक अंश ढाल का विकास सफलतापूर्वक microscale schlieren तकनीक द्वारा कब्जा कर लिया है।

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Discussion

एक microfluidic युक्ति में fluidic मिश्रण के लिए, microscale schlieren तकनीक प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन बढ़ाता के माध्यम से एकाग्रता ढाल की भयावहता को मापने के लिए सक्षम है। इस तकनीक के सिद्धांत प्रकाश प्रचार के प्रत्यावर्तन का पता लगाने पर निर्भर करता है, इसलिए काम कर रहे तरल पदार्थ और microfluidic युक्ति घटना प्रकाश में पारदर्शी होना होगा। इसके अलावा, प्रोटोकॉल अपवर्तक समाधान के सूचकांक और तरल पदार्थ काम के प्रारंभिक आकलन आवश्यक है इतना है कि इसकी रचना के बीच एक रैखिक संबंध की आवश्यकता है। जलीय इथेनॉल समाधान के साथ साथ प्रदर्शन के अलावा, microscale schlieren तकनीक को सफलतापूर्वक लवणता ढाल 29 और solutocapillary संवहन 30 को मापने के लिए लागू किया जाता है। अंशांकन प्रक्रिया में इस्तेमाल सटीक मापन, एपर्चर रेंज, रोशनी स्तर, जोखिम समय, उद्देश्य लेंस और microchannel गहराई के लिए quantitation प्रक्रिया में इस्तेमाल उन लोगों के लिए समान होना जरूरी। इसके अलावा, उद्देश्य लेंस के सहसंबंध की गहराई microfluidic युक्ति की पूरी गहराई को कवर करने के लिए पर्याप्त रूप से बड़े हो गया है।

टी microchannel में मिश्रण की जांच प्रक्रिया microscale schlieren तकनीक का सटीक quantitation में सबसे महत्वपूर्ण कदम है। प्रस्तावित विधि के सफल क्रियान्वयन के लिए, उपयोगकर्ताओं प्रवाह दोलन 23, अतिरिक्त गर्मी को कम करने के लिए एक एलईडी प्रकाश स्रोत के उपयोग से बचने के लिए, ठीक से ट्यूब कनेक्शन संरेखित द्रव प्रसव के लिए एक छोटे से सिरिंज या Pneumatics का फायदा उठाने की जरूरत है, कम रेनॉल्ड्स संख्या में अंशांकन प्रक्रिया का संचालन 24, और उच्च आदेश ऑप्टिकल प्रभाव 31 को खत्म करने के लिए ध्यान केंद्रित करने में microfluidic युक्ति जगह है। सबसे कम औसत दर्जे का ढाल Y ∂ w / ∂, उच्चतम औसत दर्जे का ढाल जबकि (अंधेरे पैटर्न, कैमरे के गतिशील रेंज से जुड़ा हुआ है (उज्ज्वल पैटर्न, ∂ y / <0 डब्ल्यू ∂)> 0) तक पहुँच जाता है जब चाकू बढ़त पूरी तरह से ब्लॉक सीधे रास्ते से फिर प्रकाश। एकाग्रता ढाल की एक विस्तृत श्रृंखला का पता लगाने के लिए, एक उच्च आईएसओ मूल्य के रूप में लंबे समय तक अपूर्ण फोटो या overexposure के घटित नहीं करता है के रूप में लाभदायक है। माइक्रो schlieren प्रणाली विचार करने में असमर्थ है, जिसके नीचे सीमा का पता लगाने, कैमरे को हल करने में सक्षम है कि कम से कम तीव्रता परिवर्तन पर निर्भर करता है। कम से कम तीव्रता परिवर्तन शोर की डिग्री और तानवाला उन्नयन के स्तर से विवश है। इसलिए, महान पिक्सेल गहराई के साथ एक उच्च संवेदनशीलता कैमरा कम संकेत आवेदन के लिए वांछित है।

microscale schlieren तकनीक के महत्व को दो परतों है; एक हाथ पर, यह एक साधारण ऑप्टिकल विन्यास के साथ वास्तविक समय में अस्थिर पूरे क्षेत्र मापन के लिए सक्षम बनाता है। कोई विदेशी पदार्थ प्रवाह क्षेत्र को परेशान करने के लिए शुरू किया गया है ताकि दूसरी ओर, यह गैर इनवेसिव है। माइक्रो schlieren तकनीक एक microf में तीन आयामी inhomogeneity के दो आयामी प्रक्षेपण पैदा करता है क्योंकिमौजूदा तरीकों से छिपी रहता है कि luidic डिवाइस, जटिल मिश्रण घटना स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। इस तकनीक का भविष्य आवेदन एक विद्युत रासायनिक प्रक्रिया के दौरान एकाग्रता ढ़ाल बढ़ाता या एक सूक्ष्म प्रवाह के माहौल में माइक्रोबियल कीमोटैक्सिस अध्ययन करने के लिए पोषक तत्व ढाल का निर्धारण करने में शामिल हैं।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम अनुदान संख्या 101-2221-ए-002-064-MY3 के तहत विज्ञान और ताइवान की प्रौद्योगिकी मंत्रालय द्वारा समर्थित किया गया।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Permanent Epoxy Negative Photoresist MicroChem SU-8 2150
single side polished silicon wafer Light Technology S4W1PP5SABUP1 p-type,
diameter: 100±0.5 mm, thickness: 525±25 mm, orientation: (1 0 0)
syringe pump kdScientific kds210
syringe, i.e. 10 ml Terumo SS-10L2138
Hoffman modulation contrast microscope Leica Microsystems DM IL LED
5X objective lens Leica Microsystems N PLAN NA = 0.12
knife-edge custom made part
camera, i.e. high speed Integrated Design Tools NX7-S1
C-mount adapter HC 0.63x Leica Microsystems 541537
camera operating software Integrated Design Tools MotionPro X Studio 2.02.01
polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard-184 silicone elastomer kit
Teflon tubing, i.e. O.D. x I.D. 1/16 in. x 0.031 in. Supelco 58700-U
micro glass slide Matsunami Glass S2215
hot plate Yeong-Shin HP-303DN
distilled water, i.e. HPLC grade Alps Chemicals
ethyl alcohol, i.e. reagent grade Nihon Shiyaku Reagent EA448652
image processing software Mathworks MATLAB R2009a
computational fluid dynamics package ESI group CFD-ACE+ 2008

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Microscale Schlieren तकनीक के द्वारा एक microfluidic युक्ति में मिश्रण inhomogeneity का विश्लेषण करना
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Sun, C. l., Hsiao, T. h. Analyzing… More

Sun, C. l., Hsiao, T. h. Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique. J. Vis. Exp. (100), e52915, doi:10.3791/52915 (2015).

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