Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale Schlieren

O objetivo geral deste procedimento é medir de forma não invasiva o gradiente de concentração em um dispositivo microfluídico usando a técnica de sch larin em microescala. Isso é feito construindo primeiro o sistema sch larin em microescala a partir de um microscópio de contraste de modulação Hoffman. Remova a placa de fenda do condensador e substitua o modulador no local focal traseiro da objetiva por um fio de faca.

O segundo passo é montar um microcanal T e iniciar um procedimento de mistura de calibração. Imagem do canal T para obter imagens micro schlein em escala de cinza. Em seguida, compare as imagens microslarin com uma simulação fluidodinâmica computacional.

Para encontrar a relação entre a escala de cinza e os gradientes de concentração, as etapas finais são carregar um dispositivo microfluídico alvo. Pegue uma imagem micro schlein da mistura e use a curva de calibração para converter os valores da escala de cinza em gradientes de concentração. Em última análise, a técnica schlein em microescala é usada para mostrar a mistura em homogeneidade quantitativamente em um dispositivo microfluídico em tempo real.

A principal vantagem deste método sobre as técnicas existentes, como imagem de fluorescência ou sombra, é que ele permite medições instáveis de gradiente de concentração que revelam o tridimensional em homogeneidade em um dispositivo de microfluido. Demonstrando este procedimento estará o Dr.Um recém-formado em um laboratório. O primeiro passo é preparar o dispositivo microfluídico a ser usado no experimento.

Este dispositivo de microcanal t foi fabricado por moldagem de poli dimetil Sloane. O esquema do dispositivo mostra seus canais de alimentação e seu canal de confluência. Cada canal está conectado a uma região circular que será o local de conexão do fluido.

Para o experimento, monte um dispositivo microfluídico em uma lâmina de vidro e insira tubos de Teflon. Para fazer conexões de fluido, coloque o dispositivo de lado. À medida que o experimento é preparado, construa o sistema schlein em microescala a partir de um microscópio de contraste de modulação Hoffman.

Tenha um fio de faca pronto para colocar no caminho óptico. Este fio de faca é feito sob medida para uso neste sistema e é escurecido para reduzir a refletividade. Mantenha o fio da faca à mão e comece a modificar a explosão do microscópio.

Remova a placa de fenda na frente do plano focal do condensador. Em seguida, remova o modulador do plano focal traseiro da objetiva de cinco x. Pegue o fio da faca e insira-o no lugar do modulador.

Para capturar vídeo, use uma câmera de alta velocidade montada no tubo triinocular do microscópio e conectada a um computador. Ligue a fonte de luz e comece a enviar vídeo em tons de cinza para o computador. Em seguida, capture e processe uma imagem.

Grave uma imagem do fluxo de vídeo e use um software de processamento de imagem para obter seu valor em tons de cinza. Retorne ao microscópio e remova o fio da faca no computador. Monitore a leitura média da escala de cinza enquanto ajusta a iluminação e a abertura.

Pare quando a leitura média da escala de cinza da imagem for cerca de 10% menor que o valor máximo. Esta é a intensidade de fundo para um corte de 0%. Agora insira o fio da faca para bloquear completamente a luz incidente.

No computador. Registre a leitura média da escala de cinza da imagem. Esta é a intensidade de fundo para um corte de 100%.

Em seguida, ajuste iterativamente a posição do fio da navalha enquanto monitora a leitura média da escala de cinza das imagens capturadas. Parar. Quando a leitura média da escala de cinza da imagem está no meio dos valores zero e 100%, isso define o grau de corte para 50%Agora retorne ao microscópio para montar o dispositivo de microcanal T. Coloque-o no estágio de amostra de modo que o canal confluente fique paralelo ao fio da navalha.

Ajuste aproximadamente o foco quando o dispositivo estiver no lugar. Repare os fluidos para o experimento. Selecione dois fluidos transparentes sem índices de refração que podem ser completamente perdidos um com o outro.

Para este vídeo, a água é usada como fluido de referência e uma solução aquosa de etanol é o outro e s mais do índice de refração em função da concentração. E escolha a fração de massa do etanol aquoso para que caia na região linear. Este experimento usa uma fração de massa de 0,05 para dispensar o reparo de fluidos.

Duas seringas idênticas enchendo uma seringa com água e a outra diluiria o etanol aquoso conectando as seringas ao microcanal T. Use tubos de Teflon para conectar cada uma das duas entradas do Microcanal T a uma das seringas. Tenha duas bombas de seringa instaladas para fornecer fluidos às entradas do microcanal.

Carregue uma bomba com a seringa de fluido de referência. Carregue a outra bomba com a seringa de etanol diluído, mas a extremidade do tubo de saída em um recipiente e fixe-o na parede do recipiente. Comece a calibração para fornecer o número de Reynolds definindo a vazão das bombas de seringa.

Ligue as bombas de seringa para fornecer os fluidos de trabalho simultaneamente a uma taxa de fluxo de volume idêntica. Use a câmera para observar o microcanal bem. Ajuste o foco e espere até que o fluxo constante estabilize um sinalizado por um SL estacionário e padrão.

Use uma taxa de quadros de 30 quadros por segundo para gravar 20 quadros de mixagem fluídica. Esses quadros são a imagem adquirida. Quando terminar, prepare as bombas para obter outro conjunto de quadros.

Pare a bomba de seringa para o etanol diluído e continue a bombear água por uma entrada. Observe o fluxo e espere até que ocorra um fluxo constante com nole e padrão. Grave 20 quadros de imagens a 30 quadros por segundo.

Esses quadros são a imagem de referência. Continue capturando etanol e água e, em seguida, apenas imagens de água para cada número de Reynolds de interesse. Quando todos os dados forem coletados, vá para o computador para continuar com a calibração.

Use o software de processamento de imagem para dividir as imagens adquiridas pela imagem de referência para cada erro de número de Reynolds. As imagens adquiridas por amostra para quando o etanol aquoso entra pelo canal na parte superior da imagem e o canal na divisão inferior pela imagem de referência fornece os dados da proporção da escala de cinza a uma determinada distância ao longo do fluxo. Selecione pontos na direção do fluxo cruzado e extraia a proporção da escala de cinza em cada um.

Faça isso para vários pontos ao longo do fluxo e plote os dados para comparação. Realize uma simulação fluidodinâmica computacional do experimento. Use isso para calcular a derivada da fração de massa em relação à derivada de fluxo cruzado.

Em seguida, explore a relação linear esperada entre a razão da escala de cinza e a derivada usando regressão linear. Para encontrar a linha de regressão após a calibração, use a técnica de micro schlein para estudar um dispositivo alvo. Primeiro, desconecte e remova o dispositivo de microcanal T do estágio de amostragem.

Substitua-o por um dispositivo microfluídico alvo de profundidade aproximadamente igual. Conecte o dispositivo à água e à solução aquosa de etanol com a câmera gravando a água de entrada e dilua o etanol em taxas de fluxo de volume iguais no computador. Aguarde até que o fluxo esteja estabilizado e grave 20 quadros para a imagem adquirida.

Em seguida, pare a bomba de seringa para o etanol aquoso e insira apenas água no dispositivo microfluídico alvo. Retorne ao computador para obter a imagem de referência. A razão da escala de cinza sob diferentes números de Reynolds para gradientes de fração de massa positiva e negativa tem uma banda aparecendo no meio do microcanal T em um número de Reynolds baixo.

A cauda da banda de Schlein é expandida e borrada devido à dispersão na interface de mixagem. À medida que o número de Reynolds aumenta, o comprimento de difusão diminui, o que leva a uma banda mais estreita. Neste vídeo, a relação linear encontrada entre a razão da escala de cinza e a derivada da fração de massa foi usada para capturar a natureza oscilante do fluxo em um oscilador microfluídico com um número de Reynolds de 250.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como implementar a técnica de camadas em microescala para quantificação de gradientes de concentração em um dispositivo microfluídico.