Методическая статья

Анализируя смешивания неоднородности в микрожидкостных устройств по Микромасштабные шлирен техники

DOI:

10.3791/52915

⸱

12 июня 2015 г.

 , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University, 2Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь мы описываем процедуру, в которой используется метод микромасштабного шлирена для измерения неоднородности смешивания в микрофлюидном устройстве. С помощью калибровки распределение градиента концентрации может быть получено на основе микрошлиреновского изображения.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой статье мы представляем использование микромасштабной техники теневого для измерения смешивания неоднородность в микрожидком устройства. Микромасштабная теневого система построена из Хоффман контрастного микроскопа модуляции, что обеспечивает легкий доступ к задней фокальной плоскости объектива, удалив прорезь пластины и замена модулятор с ножа. Принцип работы микромасштабной теневого метода зависит от обнаружения отклонения света, вызванное изменением показателя преломления 1-3. Отклоненный свет либо убегает или препятствуют ножа для получения ярких или темную полосу, соответственно. Если показатель преломления смеси изменяется линейно с составом, локальное изменение интенсивности света в плоскости изображения пропорциональна градиенту концентрации, перпендикулярном к оптической оси. Микро-шлирен изображение дает двумерную проекцию возмущенного света, генерируемого трехмерной неоднородности.

Для достижения количественного анализа, мы описываем процедуру калибровки, которая смешивает две жидкости в T-микроканале. Мы осуществляем численное моделирование для получения градиента концентрации в Т-микроканале, что тесно коррелирует с соответствующим микро-теневого изображения. Для сравнения, отношения между оттенками серого показаний в микро-теневого изображения и концентрационных градиентов, представленных в микрожидком устройства устанавливается. Используя эту связь, мы можем проанализировать смешивания неоднородность от ассоциированного микро-теневого изображения и продемонстрировать способность микромасштабной техники теневого с измерениями в микрофлюидного генератора 4. Для оптически прозрачных жидкостей, микромасштабная теневого техника привлекательным диагностическим инструментом, предоставляющим мгновенный информацию полного поля, сохраняет трехмерные черты процесса смешивания.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Жидкость смешивания важный вопрос, который встречается во многих промышленных процессов и биологических систем. С появлением микрофлюидики, смешивая в микроуровне принес много внимания из-за его вызов в диффузионной господства среди механизмов массопереноса. С проектировании требуется эффективная micromixer количественный проверки несколько методов измерения были разработаны 5-7. Тем не менее, трехмерная структура, обычно встречаются в эффективных micromixers 5, требует более точное представление о поле концентрации, что общие методы измерения не могут доставить. Из-за предела угол обзора 8 или кинетики реакции 6, вышеупомянутые методы могут привести к неверным результатам, которые не правильно учитывающие однородности смеси.

Для оптически прозрачных жидкостей смешивания в оптически прозрачных микроструктур, микромасштабной теневого метода 3,9-14 предоставляет привлекательную альтернативу для анализа смешивания неоднородность. В прошлом микромасштабная шлирен метод был в основном используется для визуализации сжимаемой жидкости 9-13, 15 или градиент фазы 16. Микромасштабные теневые техника выгоды от обоих простой оптической схемы и высокой чувствительностью и позволяет не только неинвазивный расследование конкретной функции потока, который вызывает нарушение оптического но хорошо подходит для использования в оценке перемешивание. В этой статье мы строим микроуровне теневого системы путем введения ножа в задней фокальной плоскости объектива микроскопа, опишите процедуру калибровки, чтобы понять количественный анализ, и сообщить измерения проверки в микрожидком генератора 4. Для реализации измерений, рабочих жидкостей правильно подобраны так, чтобы показатель преломления смешанных жидкостей линейно изменяется с составом, а толщина целевой микрожидком устройства идентичен нае используется в калибровке. Кроме концентрации видов, микромасштабная шлирен метод может быть расширен, чтобы измерить градиент другой скалярной величиной, линейно коррелировали с показателем преломления, например, температуры или солености.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Изготовление микрожидкостных устройств

  1. Используйте графический макет программного обеспечения (например, AutoCAD), чтобы нарисовать контур Т-микроканале. Для Т-микроканала, два канала подачи длинные 90 мкм в ширину и 2,500 мкм, и слияние канал 180 мкм в ширину и 3,000 мкм длиной. Подключите конец каждого канала к отдельному кругу диаметром 1100 мкм.
  2. Марк "ясно" и "темный" для разоблачения и навесом, соответственно. Для негативного фоторезиста (например, SU-8), форма Т-микроканала "Очистить" и окружающий это 'темная.
  3. Использование лазерного генератора шаблона с длиной волны 442 нм и минимальным размером в 2 мкм, чтобы передать образец Т-микроканала на фотошаблон хром-на-стекла.
  4. Используйте фотошаблона, субстрат (например, одностороннее полированной пластины кремния) и постоянным эпоксидной фоторезиста (например,., СУ-8), чтобы сделать формы через стандартный процесс литографии. Слой фоторезиста толщиной 55,2 мкм. В общем, толщина фоторезиста должны быть тоньше, чем глубина корреляции объектива 17-19.
  5. Используйте форму и прозрачный материал, такой как полидиметилсилоксан (PDMS) для изготовления Т-20 микроканал.
  6. Для струйного связи, использовать трубки из нержавеющей стали 2 мм с внешним диаметром пробить отверстия выровненных в круглых узоров на PDMS.
  7. Лечить поверхностей PDMS и стекло с кислородной плазмы на 60 Вт в течение 30 сек. Прикрепите PDMS в стекле. Окисленные поверхности двух материалов создает сильную связь. Поместите связанную структуру PDMS на горячей плите в течение 5 мин при 120 ° С.
  8. Вставьте тефлоновые трубки в перфорированных отверстий для текучей связи.

2. Экспериментальная установка

  1. Построить микроуровне системы теневого от Hoffmaп модуляции контрастный микроскоп, удалив щелевую пластину в передней фокальной плоскости конденсора и замена модулятор с ножа в задней фокальной плоскости объектива 5X 3. Глубина корреляции, которая зависит от числовой апертуры объектива 17-19, должно быть достаточно, чтобы покрыть всю глубину микрожидкостных устройства. Поверхность ножа зачернена от анодного оксида алюминия, чтобы уменьшить его отражательную способность.
  2. Установите высокоскоростной камеры к тринокулярной трубки микроскопа с помощью адаптера C-Mount. У камеры лицу оптический путь микроскопом через светоделитель. Подключите камеру к настольному компьютеру с помощью кабеля Ethernet. Установите гамма-коррекции до 1 для камеры, так что его серого считывания пропорционален входному яркости.
  3. Включите источник света. Для того чтобы избежать избыточного тепла, используют светодиод (светоизлучающий диод) освещения.
  4. Используйте программное обеспечение для обработки изображений (например, </ EM> функция imread в MATLAB), чтобы получить в градациях серого значения приобретенного изображения. Удалить ножа, отрегулировать освещение, диафрагму и времени экспозиции, так что средний оттенки серого считывания изображения составляет около 10% меньше, чем максимальное значение. Это означает интенсивность фона для 0% обрезания, и мы используем значение 230 для 8-битного изображения.
  5. Вставьте ножа полностью блокировать свет, падающий. Запишите среднее оттенках серого считывания изображения. Это означает интенсивность фона на 100% отсечки в а значение около 15 для 8-битного изображения.
  6. Отрегулируйте положение ножа таким образом, что в среднем в оттенках серого считывание полученного изображения находится в середине значений для 0% и 100% отсечки. Теперь степень отсечки установлен в 50%.
  7. Приготовьте два прозрачных жидкостей с известными показателями преломления 21, которые полностью смешиваются друг с другом, как составляющих. Чтобы оценить зависимость преломляющей Indэкс от концентрации смеси, проверьте литературу 21 или использовать уравнение Гладстон-Дейл 22. Если кривая является нелинейным по всему диапазону, выбрать другие компоненты жидкости. Затем выбрать обозначенного как состав, ниже которого показатель преломления раствора изменяется линейно с концентрацией. Например, можно использовать разбавленный водный этанол с массовой долей 0,05 и воды в качестве рабочих жидкостей.
  8. Поставьте T-микроканал на сцене образца. Упорядочить Т-микроканал так с сливной канал параллельно кромке ножа (Рисунок 1).
  9. Готовят две идентичные шприцы: шприц наполнен рабочей жидкости, который служит в качестве опорного жидкости (воды), и шприц B наполнен другой рабочей жидкости (разбавленного водного этанола). Размер шприца зависит от желаемой скорости потока Q и спецификации шприцевой насос Q = πd 2 В / 4, где d представляет внутренний диаметр СырИнге и V является скорость поршня. Поток пульсации обычно можно предотвратить путем выбора небольшой шприц, чтобы увеличить V 23.
  10. Сбор жидкости на выходе из Т-микроканала в химическом стакане. Обеспечить отводящая труба тефлона крепится к стене мензурку и ее конец находится ниже уровня жидкости в стакане, чтобы избежать вибрации, которые бы быть вызваны капель отрыва.

3. Калибровка

  1. Приобретать изображения двух жидкостей для смешивания и эталонных изображений.
    1. При заданном числе Рейнольдса Re, установить скорость потока шприцевые насосы, Q. В рассчитывается из Q = μ (W + D) Re / 4ρ, где μ и ρ являются вязкость и плотность рабочей жидкости, и W и D ширина и глубина канала слияния Т-микроканала, соответственно.
    2. Загрузите один насос с шприц и другой насос с SYРинге B. Соедините две входные отверстия Т-микроканале в шприц и шприц B с помощью тефлоновой трубки. Запустите шприцевые насосы, чтобы доставить рабочих жидкостей в Т-микроканале при одинаковых расходах объем.
    3. Подождите, пока устойчивый поток не устанавливает. Состояние устойчивый поток определяется появлением стационарного теневого рисунка.
    4. Используйте камеры контролируется программное обеспечение для записи двадцать кадров струйного перемешивания при частоте кадров 30 кадров в секунду.
    5. Выключить насос, который загружается со шприцем B. только насос опорного жидкости (воды) через одно впускное отверстие в канале слияния Т-микроканала с постоянной скоростью.
    6. Подождите, пока устойчивый поток состояние не достигнуто, и не наблюдается теневого рисунок.
    7. Используйте камеры контролируется программное обеспечение, чтобы принять эталонный образ, когда нет оптическая неоднородность не присутствует в Т-микроканале. Запишите двадцать кадров с частотой кадров 30 кадров в секунду.
    8. Повторите 3.1.1 3.1.7 при различных числах Рейнольдса: Re = 1, 5, 10, 20 и 50, так что не сложная структура потока не возникает в области слияния Т-24 микроканале.
  2. Используйте программное обеспечение для обработки изображений, чтобы разделить полученное изображение I (I, J) в опорном изображении I 0 (I, J) 25, где я и J являются индексы пикселей.
  3. Применять CFD (Computational Fluid Dynamics) пакет для имитации смешивания указанных жидкостей в Т-микроканале.
    1. Построить трехмерную модель геометрии Т-микроканале. Дискретизации области течения в структурированных сетках. Для повышения точности, используют более тонкую сетку в месте слияния и центральном регионе Т-микроканале.
    2. Назначение физических свойств жидкостей и установить граничные условия в области потока. Во время процесса решения, определить зависимое от концентрации коэффициент диффузии от концентрации, полученной в прошломитерация 26 для того, чтобы обновить локальную концентрацию.
    3. Изучите чувствительности расчетных результатов, выполняя сетки исследование 27.
  4. Для каждого узла (х я, у я) на ху плоскости, использовать пост-обработки инструмент CFD, чтобы взять средние значения поля концентрации через глубины канала по правилу трапеций: ш (х я, у J) = {Σ K [W (X я, уи г К) + W (х я, у J, Z K + 1)] ∙ (Z K + 1 - г л) / 2} / D 28, где D является глубина канала. Используйте центральную схему разностного вычислить Derivaный концентрации по отношению к направлению поперечного потока: (∂ ж / ∂ у) I, J = [W (X я, у J 1) - W (X я, у J -1)] / (уи +1 - уи -1).
  5. Для обоих положительных и отрицательных градиентов, извлечь соотношение градаций серого I / 0 (полученный в 3.2) и градиент массовой доли ∂ ж / ∂ Y (получена в 3.4) в определенных местах, таких как Y = 0 (осевой, вдоль потока направление) или различные дал х (направление кросс-поток).
  6. Участок результаты и определить взаимосвязь между I / I 0 и ∂ ж / ∂ Y, I / I 0 = С 1 ∂ ж / ∂ у + С 2 (С 1 и С 2 являются константами), с линейной регрессии.

4. Количественный

  1. Повторите шаги 3.1 до 3.2 для смешивания в целевом микрофлюидного устройства. Глубина целевой микрофлюидного устройства должны быть одинаковыми или близко к тому, что Т-микроканале. Если шатается явление, как ожидается, приобретать видеоклипа (последовательность изображений) в шаге 3.1.4 вместо. Частота кадров должна быть достаточно, чтобы решить динамику переходного потока явно высока, в то время как время экспозиции должно быть идентично значению, используемому в 2.4, 2.5, 3.1.4 и 3.1.7.
  2. Использование отношения, полученного на стадии 3.6, чтобы преобразовать соотношение количества градаций серого градиенту массовой доли в целевой микрожидком устройства.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Полутоновой отношение I / I 0 при различных числах Рейнольдса для положительных и отрицательных градиентов массовой долей показано (фиг.2) с симметричной полосой появляются в середине Т-микроканала. При низкой числа Рейнольдса, хвост теневого группы расширяется и размытым из-за дисперсии через интерфейс смешивания. По мере увеличения числа Рейнольдса, длина диффузии сокращает приводит к узкой полосе. В разных местах вниз по течению, вариации на Дг изменения интенсив...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Для струйного перемешивания в микрожидком устройства, микромасштабная теневого техника позволяет измерять величину градиента концентрации через количественного изменения в интенсивности света. Потому что принцип этой методики основан на обнаружении чередование распространения света, рабочих жидкостей и Микрожидкостных устройство должны быть прозрачны для падающего света. Кроме того, протокол требует линейную зависимость между показателем преломления раствора и его состав, так что предварительная оценка рабочих жидкостей...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана Министерством науки и технологий Тайваня под номером Грант 101-2221-E-002-064-MY3.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Перманентный эпоксидный негативный фоторезистMicroChemSU-8 2150
односторонняя полированная силиконовая пластинаLight TechnologyS4W1PP5SABUP1p-типа,
диаметр: 100± 0,5 мм, толщина: 525&mn; 25 мм, ориентация: (1 0 0)
шприц-насосkdScientifickds210
шприц, т.е. 10 млTerumoSS-10L2138
Hoffman модуляционный контрастный микроскопLeica MicrosystemsDM IL LED
5X объективLeica MicrosystemsN PLANNA = 0,12
ножпользовательский сделанная часть
камеры, e. высокоскоростнойинтегрированный инструмент проектированияNX7-S1
адаптер C-mount HC 0,63xLeica Microsystems541537
программное обеспечение для управления камеройИнтегрированные инструменты проектированияMotionPro X Studio 2.02.01
полидиметилсилоксан (PDMS)Dow CorningSylgard-184 комплект
силиконового эластомераТефлоновая трубка, e. наружный диаметр x внутренний диаметр 1/16 дюйма. x 0,031 дюймаSupelco58700-U
горка микростеклаMatsunami GlassS2215
горячая плитаYeong-ShinHP-303DN
дистиллированная вода, т.е. класс ВЭЖХ AlpsChemicals
этиловый спирт, т.е. реагент классаNihon Shiyaku РеактивEA448652
обработки изображений программное обеспечениеMathworksMATLAB R2009a
пакетESI groupCFD-ACE+ 2008
вычислительный гидродинамический

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Merzkirch, W. Flow Visualization. , Academic Press. New York. (1974).
  2. Settles, G. S. Schlieren and Shadowgraph Techniques. , 2nd edn, Springer. New York. (2001).
  3. Sun, C. -l, Hsiao, T. -h Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique. Microfluidics and Nanofluidics. 15 (2), 253-265 (2013).
  4. Sun, C. -l, Sun, C. -Y. Effective mixing in a microfluidic oscillator using an impinging jet on a concave surface. Microsystem Technologies. , (2011).
  5. Strook, A. D. Chaotic mixer for microchannels. Science. 295 (5555), 647-651 (2002).
  6. Wheat, P. M., Posner, J. D. Quantifying mixing using equilibrium reactions. Physics of Fluids. 21 (3), 037101(2009).
  7. Liu, R. H. Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 190-197 (2000).
  8. Munson, M. S., Yager, P. Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic mixer. Analytica Chimica Acta. 507 (1), 63-71 (2004).
  9. Bradfield, W. S., Sheppard, J. J. Microschlieren-a technique for the study of details in compressible flow. Aero/Space Engineering. 5 (18), 37-56 (1959).
  10. Scroggs, S. D., Settles, G. S. An experimental study of supersonic microjets. Experiments in Fluids. 21, 401-409 (1996).
  11. Phalnikar, K. A., Alvi, F. S., Shih, C. 31st AIAA Fluid Dynamics Conference & Exhibit. , Anaheim, California. (2001).
  12. Phalnikar, K. A., Kumar, R., Alvi, F. S. Experiments on free and impinging supersonic microjets. Experiments in Fluids. 44 (5), 819-830 (2008).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Davidson, G. P., Emmony, D. C. A schlieren probe method for the measurement of the refractive index profile of a shock wave in a fluid. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 13, 92-97 (1980).
  16. Xie, H. Schlieren confocal microscopy for phase-relief imaging. Optics Letters. 39, 1238-1241 (2014).
  17. Inoué, S., Spring, K. R. Video Microscopy: The Fundamentals. , 2nd edn, Plenum Press. New York. (1997).
  18. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. H. B. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 11 (6), 809-814 (2000).
  19. Olsen, M. G., Adrian, R. J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 29 (1), S166-S174 (2000).
  20. Friend, J., Yeo, L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4 (2), 026502(2010).
  21. Wohlfarth, C. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Optical Constants: Refractive Indices of Pure Liquids and Binary Liquid Mixtures (Supplement to III/38). Lechner, M. D. 47, Springer. Berlin. (2008).
  22. Heller, W. Remarks on refractive index mixture roles. Journal of Physical Chemistry. 69 (4), 1123-1129 (1965).
  23. Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
  24. Dreher, S., Engler, M., Kockmann, N., Woias, P. Theoretical and experimental investigations of convective micromixers and microreactors for chemical reactions. Micro and Macro Mixing: Analysis, Simulation and Numerical Calculation. Bockhorn, H., Mewes, D., Peukert, W., Warnecke, H. .-J. , Springer-Verlag. Berlin, Germany. (2010).
  25. Huang, C. Y., Gregory, J. W., Sullivan, J. P. A Modified schlieren technique for micro flow visualization. Measurement Science & Technology. 18 (5), N32-N34 (2007).
  26. Tyn, M. T., Calus, W. F. Temperature and concentration dependence of mutual diffusion coefficients of some binary liquid systems. Journal of Chemicaland Engineering Data. 20 (3), 310-316 (1975).
  27. Celik, I. B. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering. 130 (7), 078001(2008).
  28. Tasić, A. Ž, Djordjević, B. D., Grozdanić, D. K., Radojković, N. Use of mixing rules in predicting refractive indices and specific refractivities for some binary liquid mixtures. Journal of Chemical and Engineering Data. 37 (3), 310-313 (1992).
  29. 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).
  30. Sun, C. -l, Huang, C. -Y. Microscale schlieren visualization of near-bubble mass transport during boiling of 2-propanol/water mixtures in a square capillary. Experiments in Fluids. 55 (7), 1778(2014).
  31. Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. Schlieren and Shadowgraph Methods in Heat and Mass Transfer. , Springer. New York. (2012).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Microscale Schlieren TechniqueMicrofluidic DeviceConcentration GradientT MicrochannelFluid MixingImage ProcessingComputational Fluid DynamicsHoffman MicroscopeKnife EdgeGrayscale Analysis

Похожие статьи