Analysere Blanding inhomogeneity i et mikrofluid Device av mikro Schlieren Technique

Abstract

I denne artikkelen vi innføre bruk av mikro Schlieren teknikk for å måle blande inhomogeneity i en microfluidic enhet. Den mikro Schlieren Systemet er konstruert fra en Hoffman modulasjon kontrast mikroskop, som gir enkel tilgang til baksiden fokalplanet av objektiv, ved å fjerne slit plate og erstatte modulator med en knivsegg. Den virkemåte av mikro Schlieren teknikk baserer seg på å detektere lys avbøyning forårsaket av variasjon av brytningsindeks ^1-3. Det avbøyde lys unnslipper enten eller er hindret av den knivkant for å fremstille en lys eller et mørkt bånd, henholdsvis. Dersom brytningsindeksen i blandingen varierer lineært med dens sammensetning, er den lokale endring i lysintensiteten i bildeplanet proporsjonal med konsentrasjonen gradient normal til den optiske aksen. Den mikro-Schlieren bilde gir en todimensjonal projeksjon av den forstyrrede lyset som produseres av tredimensjonal inhomogenitet.

For å oppnå kvantitativ analyse, beskriver vi en kalibreringsprosedyre som blander to væsker i en T-microchannel. Vi utfører en numerisk simulering for å oppnå den konsentrasjonsgradient i T-microchannel som korrelerer nøye med den tilsvarende mikro Schlieren bilde. Til sammenligning er en sammenheng mellom gråtoner avlesninger av mikro-Schlieren image og konsentrasjonsgradienter presentert i en microfluidic enhet etablert. Ved hjelp av dette forholdet, er vi i stand til å analysere blande inhomogeneity fra førsteamanuensis mikro Schlieren image og demonstrere evnen til mikro Schlieren teknikk med målinger i en microfluidic oscillator ^4. For optisk transparente væsker, er mikro Schlieren teknikk en attraktiv diagnostisk verktøy for å gi øyeblikkelig full felt informasjon som beholder de tredimensjonale funksjoner i blandeprosessen.

Introduction

Fluidblanding er et viktig problem som finnes i mange industrielle prosesser og biologiske systemer. Med fremveksten av MicroFluidics, har blande i mikro brakt mye oppmerksomhet på grunn av sin utfordring i diffusjon dominans blant massetransportmekanismer. Siden utforme en effektiv micromixer kreves kvantitative valideringen ble flere målemetoder utviklet ^5-7. Ikke desto mindre, den tredimensjonale struktur, som vanligvis finnes i effektive micromixers ^5, krever en mer nøyaktig representasjon av konsentrasjonen feltet som de vanlige måleteknikker ikke klarer å levere. På grunn av den begrensning av visningsvinkel ⁸ eller reaksjonskinetikk ^6, kan de forannevnte metoder gi misvisende resultater som ikke er korrekt står for homogeniteten av blandingen.

For optisk transparente væsker blande i optisk transparent mikrostrukturer, mikro Schlieren teknikk ^3,9-14 9-13, 15 eller fasegradient ^16. Mikro Schlieren teknikk fordeler fra begge en enkel optisk oppsett og høy følsomhet og muliggjør ikke bare den ikke-invasiv undersøkelse av spesifikke strømnings funksjon som fører til optisk forstyrrelse, men er godt egnet for anvendelse i vurderingen blanding. I denne artikkelen, vi konstruere mikro Schlieren systemet ved å sette inn en knivsegg i ryggen fokusplanet av målet med et mikroskop, beskrive en kalibreringsprosedyre for å realisere kvantitativ analyse, og rapportere en validerings måling i en microfluidic oscillator ^4. For å gjennomføre målinger, blir arbeidsvæsker riktig valgt slik at brytningsindeksen for de blandede fluidene varierer lineært med sammensetningen og tykkelsen av skiven mikrofluidanordningen er identisk med den påe brukt i kalibreringen. Dess konsentrasjon art, kan mikro Schlieren teknikken kan utvides til å måle gradient av andre skalar størrelse som er lineært korrelert med brytningsindeks, slik som temperatur eller saltholdighet.

Protocol

1. Fabrikasjon av microfluidic Device

1. Bruk en grafisk layout programvare (for eksempel AutoCAD) til å tegne omrisset av en T-microchannel. For T-microchannel, de to matekanaler er 90 mikrometer brede og 2500 mikrometer lang, og samløpet kanalen er 180 mikrometer brede og 3000 mikrometer lang. Koble enden av hver kanal til en enkelt sirkel med en diameter på 1100 um.
2. Mark "klar" og "mørk" for eksponering og dekket områder, henholdsvis. For en negativ fotoresist (f.eks SU-8), i form av den T-microchannel er "klar", og den omkringliggende er "mørkt".
3. Bruke en laser mønstergenerator med en bølgelengde på 442 nm og en minimumstrekkstørrelse på 2 um for å overføre mønsteret til T-microchannel på en krom-på-glass fotomasken.
4. Bruk av fotomasken, et substrat (f.eks ensidig polerte silisiumskive), og en permanent epoxy fotoresist (f.eks., SU-8) for å lage en form gjennom en standard litografiprosess. Det fotoresistente laget er 55,2 um tykk. Generelt bør fotoresist tykkelse være tynnere enn dybden av korrelasjonen for objektivlinsen ^17-19.
5. Bruk av formen, og et gjennomsiktig materiale, slik som polydimetylsiloksan (PDMS) for å fremstille T-microchannel ^20.
6. For fluidforbindelse ved å bruke et rustfritt stålrør av 2 mm i ytre diameter for å lage hull gjennomgående hull justert etter de sirkulære mønstre på PDMS.
7. Behandle overflatene av PDMS og en glassplate med oksygenplasma ved 60 W i 30 sek. Fest PDMS til objektglass. Den oksyderte overflater av de to materialer skaper en sterk binding. Plasser limt PDMS strukturen på en varm plate i 5 minutter ved 120 ° C.
8. Sett Teflon rør inn i hullene for fluidic tilkobling.

2. Forsøksoppsett

1. Konstruer mikro Schlieren systemet fra en Hoffman modulasjon kontrast mikroskop ved å fjerne slissen platen i den fremre fokalplanet av kondensatoren og erstatte modulatoren med en knivsegg i det bakre fokalplanet til 5X Mål ^3. Dybden av korrelasjon, som avhenger av den numeriske apertur for objektiv ^17-19, bør være tilstrekkelig til å dekke hele dybden av mikrofluidanordningen. Overflaten av knivsegg blir svertet ved anodisk aluminiumoksid for å redusere dens reflektivitet.
2. Monter høyhastighetskamera til trinocular tube av mikroskopet via et C-mount adapter. Har kameraet står overfor den optiske banen av mikroskopet gjennom en stråledeler. Koble kameraet til en stasjonær PC via en Ethernet-kabel. Sett gammakorreksjon til en for kameraet slik at dens gråtoner avlesning er proporsjonal med inngangs luminans.
3. Slå på lyskilden. For å unngå for mye varme, bruk LED (Light Emitting Diode) belysning.
4. Bruk et bildebehandlingsprogram (f.eks </ Em> funksjon imread i MATLAB) for å få gråtoner verdiene av en ervervet bilde. Fjern knivsegg, justere belysningen, åpningen og eksponeringstiden, slik at den gjennomsnittlige gråtoner avlesning av bildet er omtrent 10% mindre enn den maksimale verdi. Dette betegner bakgrunnsintensiteten for en 0% cutoff og vi benytter en verdi på 230 for et 8-bits bilde.
5. Sett knivsegg til å blokkere det innfallende lys fullstendig. Spill gjennomsnittlig gråtoner avlesning av bildet. Dette betegner bakgrunnsintensiteten for en 100% cutoff og verdien er omtrent 15 for en 8-bits bilde.
6. Justere posisjonen til knivkanten slik at den gjennomsnittlige gråtoner avlesning av den ervervede bildet ligger i midten av verdiene for 0% og 100% cutoff. Nå graden av cutoff er satt til 50%.
7. Forbered to gjennomsiktige væsker med kjente brytningsindeksene ²¹ som er helt blandbare med hverandre som de bestanddeler. For å vurdere avhengigheten av brytnings index på konsentrasjonen av blandingen, sjekk litteraturen ²¹ eller bruke Gladstone-Dale ligning ^22. Hvis kurven er ikke-lineær over hele området, plukke andre væskekomponenter. Deretter velger et preparat betegnet nedenfor som brytningsindeksen for oppløsningen varierer lineært med konsentrasjonen. For eksempel bruke fortynnet vandig etanol med en massefraksjon på 0,05, og vann som arbeidsvæsker.
8. Sett T-microchannel på prøvestadiet. Ordne den T-microchannel så med konfluente kanal parallelt med knivsegg (figur 1).
9. Forbered to identiske sprøyter: En sprøyte fylles med arbeidsfluid som tjener som referansevæsken (vann), og sprøyte B er fylt med det andre arbeidsfluid (fortynnet vandig etanol). Størrelsen på sprøyten avhenger av den ønskede strømningshastigheten Q og spesifikasjonen av sprøytepumpen: Q = πd ² V / 4, hvor d er den indre diameter av syringe og V er hastigheten til stempelet. Strømningspulse vanligvis kan forebygges ved å velge en liten sprøyte til å øke ^V-23.
10. Samle utløpsvæsken fra T-microchannel i et begerglass. Sikre Teflon utløpsrøret er festet til begerglasset veggen og dens ende er under væskenivået i begerglasset for å unngå vibrasjoner som ville være forårsaket av dråpeavbrytning.

3. Kalibrering

1. Tilegne seg bilder av de to væskene blande og referansebilder.
   1. Ved et gitt Reynolds tall Re, angir strømningshastigheten for sprøytepumper, er Q. Q beregnet fra Q = μ (B + D) Re / 4ρ, hvor μ og ρ er viskositeten og tettheten av arbeidsmediet, og W og D er bredden og dybden av kanalløpet av T-microchannel, respektivt.
   2. Load én pumpe med sprøyte A og den andre pumpen med syringe B. Koble de to inntakene av T-microchannel å sprøyte A og sprøyte B via Teflon slange. Start sprøytepumper for å levere arbeids væsker inn i T-microchannel på identiske volumstrømpriser.
   3. Vent til jevn flyt etablerer. Den jevne strømningstilstand er definert ved fremveksten av en stasjonær Schlieren mønster.
   4. Bruk kameraet kontrollert programvare for å spille inn tjue rammer av fluidic miksing på en bildefrekvens på 30 bilder i sekundet.
   5. Stoppe pumpen, som er lastet med sprøyte B. Bare pumpe referanse væske (vann) gjennom et innløp inn i sammenløpet kanal for den T-microchannel ved konstant hastighet.
   6. Vent til jevn flyt tilstand er nådd, og ingen Schlieren mønster er observert.
   7. Bruk kameraet styres programvare for å ta referansebildet, når ingen optisk inhomogeneity er til stede i T-microchannel. Spill tjue rammer på en bildefrekvens på 30 bilder i sekundet.
   8. Gjenta 3.1.1 til 3.1.7 på ulike Reynolds Nummer: Re = 1, 5, 10, 20 og 50, slik at ingen kompliserte strømnings struktur fremkommer i sammenløpet region av T-microchannel ^24.
2. Bruk et bildebehandlingsprogram for å dele den ervervede bildet I (i, j) ved hjelp av referansebildet I ₀ (i, j) ^25, hvor i og j er piksel indekser.
3. Ansett en CFD (Computational Fluid Dynamics) pakke for å simulere blanding av de utpekte væsker i T-microchannel.
   1. Konstruere den tredimensjonale modell for geometrien til den T-microchannel. Diskretiserer flyten domenet til strukturerte nett. Å øke nøyaktigheten, ansetter finere mesh i samløpet og den sentrale regionen av T-microchannel.
   2. Tilordne de fysiske egenskapene til fluidene og etablere grensebetingelsene til strømnings domenet. Under løse prosessen, bestemme konsentrasjonsavhengig diffusjonskoeffisient fra konsentrasjonen oppnådd i det sisteiterasjonen ²⁶ for å oppdatere den lokale konsentrasjon.
   3. Undersøke følsomheten til de beregnede resultatene ved å utføre rutenettet studien ^27.
4. For hver node (x _i, y _i) på xy -planet, benytter CFD etterbearbeidingsverktøy for å ta gjennomsnittsverdier for konsentrasjonen felt på tvers av kanalen dybden av trapesregelen: w (x _i, y _j) = {Σ _k [W (x _i, y _j, z _k) + w (x _i, y _j, z _{k + 1)]} ∙ (z _{k 1} - z _k) / 2} / D ²⁸ hvor D er kanalen dybde. Bruk den sentrale diff ordningen å beregne derivative konsentrasjon i forhold til den tverrstrømmen retning (∂ w / ∂ y) _{i, j} = [W (x _i, y _{j + 1)} - w (x _i, y _j-1)] / (y _{j 1} - y _{j -1).}
5. For både positive og negative gradienter, trekke forholdet mellom gråtoner verdiene jeg / I ₀ (fås i 3.2) og gradient av massefraksjon ∂ m / ∂ y (fås i 3.4) på bestemte steder, for eksempel y = 0 (senter strømvis retning) eller ulike gitt x (cross-stream retning).
6. Plott resultatene og bestemme forholdet mellom I / I ₀ og ∂ w / ∂ y, I / I ₀ 1 ∂ m / ∂ y + ₂ C _(C1 og _C2 er konstanter), ved lineær regresjon.

4. Kvantifisering

1. Gjenta trinn 03.01 til 03.02 for å blande i målet microfluidic enheten. Dybden av målet mikrofluid enhet skal være identisk med eller nær til den av T-microchannel. Hvis ustø fenomen er forventet, erverve et videoklipp (bildesekvens) i trinn 3.1.4 i stedet. Bildefrekvensen bør være høy nok til å løse dynamikken av transient strømning tydelig, mens eksponeringstiden skal være identisk med den verdien som brukes i 2.4, 2.5, 3.1.4 og 3.1.7.
2. Bruk forholdet oppnådd i trinn 3.6 for å omdanne forholdet mellom gråtone- verdier til gradient av massefraksjonen i målet mikrofluidanordningen.

Representative Results

Den gråtone forholdet I / I ₀ under forskjellige Reynolds tall for både positive og negative helling er massefraksjonen er vist (figur 2) med en symmetrisk bånd vises i midten av T-microchannel. Ved lave Reynolds 'tall, blir halen av Schlieren båndet utvidet og uklart på grunn av dispersjonen på tvers av blande grensesnittet. Som Reynolds tallet øker, forkorter diffusjonslengden som fører til et smalere bånd. På forskjellige steder nedstrøms, variasjoner i intensitet endringen ΔI / I ₀ langs tverretningen strømmen er avbildet kvantitativt (figur 3). Resultatene fra kalibreringsprosessen er representert (figur 4A og 4B). Forholdet mellom I / I ₀ og ∂ w / ∂ y er lineær og uavhengig av Reynolds number. Fra regresjonsanalyse, I / I ₀ = -110 ∂ m / ∂ y + 1,03 for ∂ m / ∂ y> 0 og I / I ₀ = -160 ∂ m / ∂ y + 0,83 for ∂ m / ∂ y <0 , ∂ m / ∂ y er i mikrometer ^-1. De relative usikkerhet er ± 3,8% og ± 3,2% på figur 4A og 4B, henholdsvis. Påvisningsgrensen er nådd, hvor datapunktene flate ut. Det bemerkes at avviket i bakken av de positive og negative gradienter er ikke uvanlig ^tre. Ved hjelp av disse ligningene, er variasjonen av massefraksjon gradient med tiden i et mikrofluid oscillator ⁴ sett (figur 5). Blande grensesnittet avbøyes i hulrommet region og strømnings ustabilitet commences. Denne filmen Figuren viser klart den oscillerende natur av strømningen i mikrofluid oscillator og demonstrerer evnen til mikro Schlieren teknikk for å fange opp den tids-oppløst i full-felt konsentrasjonsgradient i et mikrofluidenhet.

Figur 1. Skjematisk av den optiske konfigurasjonen. Orienteringen av knivsegg bringer et mørkt bånd med en positiv gradient av brytningsindeksen. Lyset avbøyer mot retning av økende brytningsindeks. Fordi objektiv inverterer bildet, blokkerer - y region skjold forvrengt lyset og gir et mørkt bånd.

Figur 2. Forholdet mellom gråtoner avlesninger for å blande i T-microchannel unde r annen flyt konfigurasjon. Positive og negative gradienter resultere i mørke og lyse band, henholdsvis. Som Reynolds tall øker, blir bandet mer konsentrert.

Figur 3. variasjonen av intensiteten endringen langs tverretningen for strømmen både positive og negative gradient. Re = 1 og Re = 5.

Figur 4. Forholdet mellom gradient av massefraksjon og gråtoner forholdet. For både positive og negative gradienter, varierer gråtoner forholdet lineært med massefraksjonen gradient.

915 / 52915fig5.jpg "/>
Figur 5 (Video figur). Utviklingen av massefraksjon gradient i et mikrofluid oscillator på Re = 250. Blande karakteristiske gjennomstrømning oscillasjon er vellykket fanget av mikro Schlieren teknikk.

Discussion

For fluidic blanding i et mikrofluid enhet, er mikro Schlieren teknikken i stand til å måle størrelsen av konsentrasjonsgradienten gjennom kvantifisering av endringer i lysintensitet. På grunn av prinsippet om denne teknikken er avhengig av detektering av veksling av lysforplantningen, arbeidsvæsker og mikrofluidanordningen må være transparent for det innfallende lys. I tillegg protokollen krever et lineært forhold mellom brytningsindeksen for oppløsningen og dens sammensetning, slik at foreløpig vurdering av arbeids fluidene er viktig. Foruten vandig etanol løsning vist her, er mikro Schlieren teknikken ble brukt til å måle saltinnhold gradient ²⁹ og solutocapillary konveksjon ^30. For nøyaktige målinger, åpning rekkevidde, lysnivå, eksponeringstid, objektiv og mikrokanaldybde brukes i kalibreringsprosedyren være identiske med de som brukes i fremgangsmåten kvantifisering. Dessuten har dybden av korrelasjon av objektivlinsen for å være tilstrekkelig store til å dekke hele dybden av mikrofluidanordningen.

Kalibreringsprosessen med å blande i T-microchannel er den mest kritiske trinn i nøyaktig kvantifisering av mikro Schlieren teknikk. For en vellykket gjennomføring av den foreslåtte metoden, brukerne trenger å justere rørforbindelse riktig, utnytte en liten sprøyte eller pneumatikk for væskestrømmen for å unngå flyt pendling ^23, bruker en LED-lyskilde for å redusere overskuddsvarme, gjennomføre kalibreringen ved lave Reynolds tall ^24, og plasser microfluidic enhet i fokus for å eliminere høyere orden optiske effekter ^31. Den laveste målbare gradient (lyse mønster, ∂ m / ∂ y <0) er knyttet til den dynamiske spekter av kameraet, mens den høyeste målbare gradient (mørkt mønster, ∂ m / ∂ y> 0) er nådd når knivsegg helt blokkerer den avvikende lys. For å detektere et bredt spekter av konsentrasjonsgradienten, er en høy ISO-verdi fordelaktig så lenge undereksponering eller overeksponering ikke forekommer. Deteksjonsgrensen, under hvilken mikro Schlieren systemet ikke er i stand til å skjelne, avhenger av minimal intensitet endringen at kameraet er i stand til å løse. Minimal intensitet endringen er begrenset av graden av støy og nivåene av tonefordeling. Derfor er en høy følsomhet kamera med stor pikseldybde ønskelig for lavt signal søknad.

Betydningen av mikro Schlieren teknikken er to folder; på den ene siden, gjør det ustabile målinger full felt i sanntid med en enkel optisk konfigurasjon. På den annen side er det ikke-invasiv, slik at ingen fremmed substans innføres å forstyrre strømningsfeltet. Fordi mikro Schlieren teknikk gir et to-dimensjonale projeksjon av den tredimensjonale inhomogeniteter i en microfluidic enhet, kompleks blanding fenomen som forblir skjult av eksisterende metoder kan sees tydelig. Fremtidige anvendelser av denne teknikken er å kvantifisere konsentrasjonsgradienter i løpet av en elektrokjemisk prosess eller for å bestemme nærings gradient for å studere mikrobiell chemotaxis i en mikrostrømningsmiljø.

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