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Bioengineering

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

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

Neste artigo, apresentamos o uso da técnica schlieren microescala para medir a mistura não homogeneidade em um dispositivo microfluídico. O sistema schlieren microescala é construído a partir de um microscópio de contraste de modulação Hoffman, que proporciona fácil acesso para o plano focal posterior da lente da objectiva, através da remoção da placa de fenda e substituindo o modulador com uma lâmina. O princípio de funcionamento de técnica schlieren microescala assenta na detecção de luz desvio provocado pela variação do índice de refracção 1-3. A luz desviada ou escapa ou está obstruído pela faca de ponta para produzir uma brilhante ou uma faixa escura, respectivamente. Se o índice de refracção da mistura varia de forma linear com a sua composição, a mudança local na intensidade da luz no plano da imagem é proporcional ao gradiente de concentração normal em relação ao eixo óptico. A imagem de micro-schlieren dá uma projecção bidimensional da luz produzida perturbado por falta de homogeneidade tridimensional.

Para realizar a análise quantitativa, é descrito um procedimento de calibração que se mistura dois líquidos em um t-microcanal. Nós realizamos uma simulação numérica para obter o gradiente de concentração na T-microcanais que correlaciona-se estreitamente com a imagem micro-schlieren correspondente. Por comparação, uma relação entre as leituras de escala de cinzentos da imagem micro-schlieren e os gradientes de concentração apresentadas num dispositivo de microfluidos é estabelecida. Usando essa relação, somos capazes de analisar a falta de homogeneidade de mistura imagem micro-schlieren associado de e demonstrar a capacidade técnica de schlieren microescala com medições em um oscilador microfluídico 4. Para fluidos opticamente transparentes, a técnica schlieren microescala é uma ferramenta de diagnóstico atraente para fornecer informação instantânea de campo total que mantém as características tridimensionais do processo de mistura.

Introduction

Mistura de fluido é uma questão importante que se encontra em muitos processos industriais e sistemas biológicos. Com o surgimento de microfluídica, misturando em microescala trouxe muita atenção devido ao seu desafio no domínio da difusão entre os mecanismos de transporte de massa. Desde a concepção de uma validação quantitativa micromisturador efetiva exigida, vários métodos de medição foram desenvolvidos 5-7. No entanto, a estrutura tridimensional, geralmente encontrado em micromisturadores eficientes 5, exige uma representação mais precisa da área de concentração que as técnicas de medição comuns não conseguem fornecer. Devido ao limite do ângulo de visão ou de reacção cinética 8 6, os métodos acima mencionados pode produzir resultados incorrectos que não representam correctamente a homogeneidade da mistura.

Para fluidos opticamente transparentes misturando em microestruturas opticamente transparentes, técnica schlieren microescala 3,9-14 9-13, 15 ou 16 gradiente de fase. Microscópicos benefícios técnica schlieren de ambos uma disposição óptica simples e alta sensibilidade e permite não só a investigação não-invasiva de fluxo característica específica que causa distúrbio óptico, mas é adequado para utilização na avaliação da mistura. Neste trabalho, construímos o sistema schlieren microescala, inserindo uma faca de ponta no plano focal de trás da objetiva de um microscópio, descrevem um procedimento de calibração para realizar análise quantitativa, e relatar uma medida de validação em um oscilador microfluídico 4. Para implementar as medições, os fluidos de trabalho são adequadamente seleccionados de modo a que o índice de refracção dos fluidos misturados varia linearmente com a composição, e a espessura do dispositivo de microfluidos alvo é idêntico ao deE utilizada na calibração. Além concentração de espécies, técnica schlieren microescala pode ser estendido para medir o gradiente de outra quantidade escalar que está linearmente correlacionada com o índice de refracção, tal como a temperatura ou a salinidade.

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Protocol

1. A fabricação de dispositivos microfluídicos

  1. Use um software de layout gráfico (por exemplo, AutoCAD) para desenhar o contorno de um T-microcanais. Para o t-microcanais, os dois canais de alimentação são de 90 m de largura e 2500 uM de comprimento, e o canal de confluência 180 é um de largura e 3000 uM de comprimento. Ligar a extremidade de cada canal para um indivíduo círculo com um diâmetro de 1100 um.
  2. Mark "claro" e "escuro" para a exposição e áreas cobertas, respectivamente. Para um fotorresistente negativo (por exemplo, SU-8), a forma do T-microcanal é "claro" e torno é 'escuro.'
  3. Usar um gerador de padrão de laser com um comprimento de onda de 442 nm e um tamanho mínimo de funcionalidade de 2 uM para transferir o padrão de microcanais o t-fotomáscara para um cromo-em-vidro.
  4. Use a photomask, um substrato (por exemplo, de um lado só pastilha de silício polido) e um photoresist epóxi permanente (por exemplo,., SU-8) para fazer um molde através de um processo de litografia padrão. A camada foto-resistente é de 55,2 mm de espessura. Em geral, a espessura fotorresistência deve ser mais fino do que a profundidade da correlação da lente objectiva 17-19.
  5. Use o molde e de um material transparente, tal como polidimetilsiloxano (PDMS), para fabricar o t-microcanal 20.
  6. Para a ligação fluídica, utilizar um tubo de aço inox de 2 mm de diâmetro exterior para perfurar furos de passagem alinhados com os padrões circulares nas PDMS.
  7. Tratar as superfícies dos PDMS e uma lâmina de vidro com plasma de oxigénio a 60 W durante 30 segundos. Prenda as PDMS para a lâmina de vidro. As superfícies oxidadas dos dois materiais de criar uma ligação forte. Coloque a estrutura PDMS colada sobre uma placa quente durante 5 minutos a 120 ° C.
  8. Insira tubos de teflon para os buracos perfurados para conexão fluídica.

2. Setup Experimental

  1. Construir o sistema schlieren microescala de um Hoffman modulação microscópio de contraste através da remoção da placa de ranhura no plano focal da frente do condensador e substituindo o modulador com uma faca de ponta no plano focal posterior da objectiva 5X 3. A profundidade de correlação, o que depende da abertura numérica da objectiva 17-19, deve ser suficiente para cobrir toda a profundidade do dispositivo de microfluidos. A superfície do fio da navalha é enegrecida por anódica de óxido de alumínio para reduzir a sua reflectividade.
  2. Monte a câmera de alta velocidade para o tubo trinocular do microscópio através de um adaptador C-mount. Já a câmara enfrentar o caminho óptico do microscópio através de um divisor de feixe. Ligue a câmara a um computador desktop através de um cabo Ethernet. Defina a correção de gama a 1 para a câmera de modo que a sua leitura em tons de cinza é proporcional à luminância de entrada.
  3. Ligar a fonte de luz. A fim de evitar o excesso de calor, use LED (díodo emissor de luz) de iluminação.
  4. Use um software de processamento de imagem (por exemplo, </ Em> função imread em MATLAB) para obter os valores de tons de cinza de uma imagem adquirida. Remover o gume de faca, ajustar a iluminação, a abertura e o tempo de exposição de modo que a leitura média escala de cinzentos da imagem é aproximadamente 10% menor do que o valor máximo. Isto denota a intensidade do fundo para um corte 0% e nós usamos um valor de 230 para uma imagem de 8-bit.
  5. Insira o fio da navalha para bloquear completamente a luz incidente. Grave a leitura média em tons de cinza da imagem. Isto indica a intensidade do fundo para um corte de 100% e o valor é de cerca de 15 para uma imagem de 8-bit.
  6. Ajustar a posição da faca de ponta de modo a que a leitura média de escala de cinzentos da imagem obtida encontra-se no meio dos valores de 0% e 100% de corte. Agora o grau de corte é ajustada para 50%.
  7. Prepare dois fluidos transparentes com índices de refração 21 conhecidas que são completamente miscíveis uns com os outros como os constituintes. Para avaliar a dependência da ind refraçãoex sobre a concentração da mistura, verifique a literatura 21 ou usar a equação Gladstone-Dale 22. Se a curva é linear ao longo de toda a gama, escolher outros componentes do fluido. Em seguida, escolhe uma composição designada abaixo do qual o índice de refracção da solução varia linearmente com a concentração. Por exemplo, usar diluir etanol aquoso com uma fracção de massa de 0,05 e água como os fluidos de trabalho.
  8. Colocar a t-microcanais na fase espécime. Dispor o t-microcanal assim com o canal confluente paralelo ao gume de faca (Figura 1).
  9. Prepare duas seringas idênticas: Uma seringa é enchida com o fluido de trabalho que serve como fluido de referência (água), e a seringa B é preenchido com o outro fluido de trabalho (diluir o etanol aquoso). O tamanho da seringa Q depende da taxa de fluxo desejada e as especificações da bomba de seringa: Q = πd 2 V / 4, onde d é o diâmetro interno do syrInge e V é a velocidade do êmbolo. Fluxo de pulsação geralmente pode ser impedido por escolha de uma pequena seringa para aumentar V 23.
  10. Recolhe-se o fluido a partir da saída de t-microcanais num copo. Assegurar o tubo de saída de Teflon é fixada à parede do recipiente e a sua extremidade está abaixo do nível do líquido no copo de modo a evitar a vibração que seria causada pela gota breakoff.

3. Calibração

  1. Adquirir as imagens dos dois fluidos de mistura e as imagens de referência.
    1. Em um dado número de Reynolds Re, ajustar a taxa de fluxo das bombas de seringa, Q. Q é calculado a partir de Q = μ (W + D) Re / 4ρ, onde μ e ρ são a viscosidade e densidade do fluido de trabalho, e W e D são a largura e profundidade do canal de afluência do t-microcanal, respectivamente.
    2. Carregar uma bomba de seringa com uma bomba e a outra com syringe B. Ligue as duas entradas do T-microcanais a seringa A e B via seringa Teflon tubulação. Iniciar as bombas de seringa para fornecer os fluidos de trabalho para o t-microcanal a taxas de fluxo de volume idênticas.
    3. Aguarde até que o fluxo constante estabelece. A condição de fluxo constante é definida pelo aparecimento de um padrão estacionário schlieren.
    4. Use o software da câmera controlada para gravar vinte quadros de mistura de fluidos a uma taxa de quadros de 30 fps.
    5. Parar a bomba que é carregado com seringa B. Apenas bombear o fluido de referência (água) através de uma entrada para o canal de afluência do t-microcanal a uma taxa constante.
    6. Espere até que a condição de fluxo constante é atingido e nenhum padrão schlieren é observado.
    7. Use o software da câmera controlada para tomar a imagem de referência, quando nenhuma falta de homogeneidade óptica está presente na T-microcanais. Grave vinte quadros a uma taxa de quadros de 30 fps.
    8. Repita 3.1.1 a 3.1.7 em diferentes número de Reynolds: Re = 1, 5, 10, 20 e 50 de modo a que nenhuma estrutura fluxo complexo emerge na região de confluência do T-24 de microcanais.
  2. Usar um software de processamento de imagem para dividir a imagem adquirida I (i, j) na imagem de referência I 0 (i, j) 25, em que i e j são os índices de pixel por.
  3. Empregar um pacote de CFD (Computational Fluid Dynamics) para simular a mistura dos fluidos designados na T-microcanais.
    1. Construir o modelo tridimensional para a geometria do t-microcanal. Discretizar o domínio do fluxo em redes estruturadas. Para aumentar a precisão, empregar malha mais fina na confluência ea região central da T-microcanais.
    2. Atribuir as propriedades físicas dos fluidos e estabelecer as condições de contorno para o domínio do fluxo. Durante o processo de resolução de problemas, determinar o coeficiente de difusão dependente da concentração, a partir da concentração obtida na últimaiteração 26, a fim de atualizar a concentração local.
    3. Examine as sensibilidades dos resultados computados pela realização do estudo grade 27.
  4. Para cada nó (x i, y i) na -plane xy, empregar a ferramenta de pós-processamento de CFD para tomar os valores médios do campo de concentração através da profundidade do canal pela regra trapezoidal: W (x i, y j) = {Σ K [W (x i, j y, z k) + w (x i, j y, z k 1)] ∙ (z k 1 - z k) / 2} / D 28, em que D é a profundidade do canal. Use o esquema diferencial central para calcular a derivativa de concentração em relação ao sentido transversal de fluxo: (∂ w / ∂ y) i, j = [W (x i, y j 1) - w (x i, y j -1)] / (y j 1 - y j -1).
  5. Para ambos os gradientes positivos e negativos, extrair a razão dos valores de escala de cinzentos I / I 0 (obtido em 3.2) e o gradiente de fracção de massa ∂ w / y ∂ (obtido em 3.4) em locais específicos, tais como y = 0 (linha de centro, streamwise direção) ou várias dado x (direção cross-stream).
  6. Traçar os resultados e determinar a relação entre a I / I 0 e ∂ w / ∂ y, I / I0 1 ∂ w / ∂ y + C 2 (C 1 e C 2 são constantes), com regressão linear.

4. Quantificação

  1. Repita os passos 3.1 a 3.2 para a mistura no dispositivo de microfluidos alvo. A profundidade do dispositivo de microfluidos de destino deve ser idêntico ou próximo daquele do t-microcanal. Se fenômeno instável é esperado, adquirir um clipe de vídeo (sequência de imagens) na etapa 3.1.4 vez. A taxa de quadros deve ser suficientemente alto para resolver a dinâmica do fluxo transiente claramente, enquanto que o tempo de exposição deve ser idêntico ao valor utilizado em 2.4, 2.5, 3.1.4 e 3.1.7.
  2. Utilize a relação obtida no passo 3.6 para converter a razão dos valores de escala de cinzentos para a fracção de gradiente de massa no dispositivo de microfluidos alvo.

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Representative Results

A proporção em tons de cinza de I / I 0 sob diferente número de Reynolds para ambos os gradientes positivos e negativos da fracção de massa é mostrado (Figura 2) com uma banda simétrica que aparece no meio do t-microcanal. Em baixo número de Reynolds, a cauda da banda schlieren é expandido e turva devido à dispersão através da interface de mistura. À medida que o número de Reynolds aumenta, o comprimento de difusão encurta levando a uma banda mais estreita. Em diferentes localizações a jusante, as variações da intensidade da mudança ΔI / I 0 ao longo da direcção transversal da corrente estão representados quantitativamente (Figura 3). Os resultados do processo de calibração são representados (Figura 4A e 4B). A relação entre a I / I 0 e ∂ w / ∂ y é linear e independente do núm Reynoldsber. A partir da análise de regressão, I / I 0 = -110 ∂ w / ∂ y + 1,03 para ∂ w / ∂ y> 0 e I / I 0 = -160 ∂ w / ∂ y + 0,83 para ∂ w / ∂ y <0 , ∂ w / ∂ y está na uM -1. As incertezas relativas são ± 3,8% ± 3,2% e na Figura 4A e 4B, respectivamente. O limite de detecção é atingido quando os pontos de dados nivelar. Note-se que o desvio em encostas dos gradientes positivos e negativos não é incomum 3. Usando estas equações, a variação da fracção de gradiente de massa com tempo em um oscilador 4 é vista de microfluidos (Figura 5). A interface de mistura é desviada na região da cavidade e fluxo instabilidade commences. Esta figura vídeo revela claramente a natureza de oscilação do fluxo no oscilador de microfluidos e demonstra a capacidade da técnica schlieren microescala para capturar a-campo cheio gradiente de concentração resolvida no tempo num dispositivo de microfluidos.

Figura 1
Figura 1. Esquema da configuração óptica. A orientação da faca de ponta produz uma banda escura com um gradiente positivo de índice de refracção. A luz desvia para o sentido de aumentar o índice de refracção. Porque a lente objetiva inverte a imagem, bloqueando a - y região protege a luz distorcida e produz uma faixa escura.

Figura 2
Figura 2. Proporção de leituras em escala de cinza para misturar na T-microcanais unde r configuração de fluxo diferente. positiva e gradientes negativos resultar em faixas escuras e claras, respectivamente. Conforme aumenta o número de Reynolds, a banda torna-se mais concentrado.

Figura 3
Figura 3. A variação da alteração da intensidade ao longo da direcção transversal da corrente para gradientes positivos e negativos. Re e Re = 1 = 5.

Figura 4
Figura 4. Relação entre o gradiente da fracção em massa e a proporção em tons de cinzento. Para gradientes positivos e negativos, razão em tons de cinza varia linearmente com o gradiente fracção de massa.

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A Figura 5 (Figura Video). Evolução do gradiente fração de massa em um oscilador microfluídico em Re = 250. A característica mistura através oscilação fluxo é capturado com sucesso pela técnica schlieren microescala.

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Discussion

Para uma mistura de fluidos em um dispositivo de microfluidos, a técnica schlieren microescala é capaz de medir a magnitude do gradiente de concentração através de quantificar as alterações na intensidade da luz. Uma vez que o princípio desta técnica baseia-se na detecção da alternância de propagação da luz, os fluidos de trabalho e o dispositivo de microfluidos tem que ser transparente para a luz incidente. Além disso, o protocolo requer uma relação linear entre o índice de refracção da solução e a sua composição de modo que a avaliação preliminar dos fluidos para o trabalho é essencial. Além solução aquosa de etanol aqui demonstrado, a técnica schlieren microescala é aplicada com sucesso para medir gradiente de salinidade 29 e convecção solutocapillary 30. Para medições exactas, faixa de abertura, nível de iluminação, tempo de exposição, lente objectiva e profundidade de microcanais utilizados no procedimento de calibração têm de ser idênticos aos utilizados no processo de quantificação. Além disso, a profundidade de correlação da lente objectiva tem de ser suficientemente grande para cobrir toda a profundidade do dispositivo de microfluidos.

O processo de calibragem da mistura no T-microcanal é o passo mais importante na quantificação precisa da técnica schlieren microescala. Para a implementação bem sucedida do método proposto, os usuários precisam para alinhar a conexão do tubo corretamente, explorar uma pequena seringa ou pneumática para fornecimento de fluido para evitar oscilação de fluxo 23, utilize uma fonte de luz LED para reduzir o excesso de calor, conduzir o processo de calibração em baixos números de Reynolds 24, e coloque o dispositivo microfluídico em foco para eliminar efeitos ópticos de ordem superior 31. A menor inclinação mensurável (padrão brilhante, ∂ w / ∂ y <0) é ligada à faixa dinâmica da câmera, enquanto a maior gradiente mensurável (padrão escuro, ∂ w / ∂ y> 0) é alcançado quando o gume da faca bloqueia completamente a luz deflectida. Para detectar uma ampla gama de gradiente de concentração, um valor ISO elevada é vantajosa, desde que a sub-exposição ou exposição excessiva não ocorre. O limite de detecção, abaixo do qual o sistema de micro schlieren é incapaz de discernir, depende da mudança de intensidade mínima que a câmera é capaz de resolver. A alteração da intensidade mínima é limitada pelo grau de ruído e os níveis de gradação de tonalidades. Assim, uma câmera de alta sensibilidade com grande profundidade de pixel é desejado para aplicação de baixa sinal.

A importância da técnica schlieren microescala é duas dobras; por um lado, permite medições de campo total instáveis ​​em tempo real com uma configuração óptica simples. Por outro lado, é não-invasiva de modo que nenhuma substância estranha é introduzida para perturbar o campo de escoamento. Como técnica de micro-schlieren produz projecção bidimensional da não homogeneidade tridimensional num MICROFdispositivo luidic, fenômeno mistura complexa que permanece velada por métodos existentes pode ser visto claramente. As aplicações futuras desta técnica incluem quantificar os gradientes de concentração, durante um processo electroquímico ou determinação gradiente de nutrientes para estudar a quimiotaxia microbiano num ambiente micro fluxo.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado pelo Ministério de Ciência e Tecnologia de Taiwan sob Grant Número 101-2221-E-002-064-MY3.

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

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