Summary
L'obiettivo di questa procedura è facilmente e velocemente produrre un dispositivo microfluidico con geometria personalizzabile e resistenza al rigonfiamento di fluidi organici per gli studi di recupero olio. Uno stampo di polidimetilsilossano è generato in primo luogo e quindi usato per lanciare il dispositivo base epossidica. Uno studio rappresentativo cilindrata è segnalato.
Abstract
Dispositivi microfluidici sono strumenti versatili per lo studio dei processi di trasporto a scala microscopica. Esiste una domanda per dispositivi microfluidici che i componenti sono resistenti a basso peso molecolare dell'olio, a differenza dei dispositivi tradizionali polidimetilsilossano (PDMS). Qui, dimostriamo un facile metodo per rendere un dispositivo con questa proprietà, e usiamo il prodotto di questo protocollo per esaminare i meccanismi di poro-scala da cui schiuma recupera greggio. Un modello in primo luogo è stato progettato utilizzando software di progettazione assistita da elaboratore (CAD) e stampato su una trasparenza con una stampante ad alta risoluzione. Questo modello viene poi trasferito a un photoresist tramite una procedura di litografia. PDMS è avviare il pattern, curata in un forno e rimosso per ottenere uno stampo. Un polimero di reticolazione del tiolo-ene, comunemente usato come adesivo ottico (OA), è poi versato sulla muffa e curato sotto luce UV. Lo stampo PDMS è sbucciato lontano il cast adesivo ottico. Un substrato di vetro viene quindi preparato, e le due metà del dispositivo sono legate insieme. Dispositivi ottici basati su adesivo sono più robusti rispetto a tradizionali dispositivi microfluidici PDMS. La struttura di resina epossidica è resistente al rigonfiamento di molti solventi organici, che apre nuove possibilità per gli esperimenti che coinvolgono liquidi organici leggeri. Inoltre, il comportamento di bagnabilità superficiale di questi dispositivi è più stabile di quella di PDMS. La costruzione di dispositivi microfluidici adesivo ottico è semplice, richiede ancora in modo incrementale più sforzo che la realizzazione di dispositivi basati su PDMS. Inoltre, anche se dispositivi ottici adesivi sono stabili in liquidi organici, essi possono esibire ridotta forza di legame dopo un lungo periodo. Dispositivi microfluidici adesivo ottico possono essere fatto in geometrie che fungono da 2-D micromodels per mezzi porosi. Questi dispositivi vengono applicati nello studio dello spostamento di olio per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi coinvolti nella bonifica di recupero e acquifero di petrolio poro-scala.
Introduction
Lo scopo di questo metodo è quello di visualizzare e analizzare le interazioni fluide multifase, multi-componente e le dinamiche complesse poro-scala in mezzi porosi. Fluido di flusso e trasporto in mezzi porosi sono stati di interesse per molti anni perché questi sistemi sono applicabili ai diversi processi sottosuolo come recupero olio, bonifica dell'acquifero e idraulico Fratturazione1,2, 3 , 4 , 5. utilizzando micromodels di imitare queste complesse strutture di poro, intuizioni uniche sono acquisite visualizzando gli eventi dinamici di poro-livello tra le diverse fasi di fluido e la media6,7,8 ,9,10,11.
La fabbricazione di micromodels tradizionale a base di silice è costoso, richiede tempo e stimolante, ma costruendo micromodels da adesivo ottico offre una relativamente poco costoso, veloce e facile alternativa12,13, 14,15. Rispetto ad altri a base di polimeri micromodels, adesivo ottico presenta le proprietà di bagnatura della superficie più stabile. Ad esempio, superfici micromodel polidimetilsilossano (PDMS) diventerà presto idrofobiche nel corso di un esperimento di dislocamento tipico16. Inoltre, il modulo di Young di PDMS è 2,5 MPa, mentre quello di adesivo ottico è 325 MPa13,17,18. Così, adesivo ottico è meno soggetto a fallimento indotto di deformazione e canale di pressione. D'importanza, adesivo ottico curato è molto più resistente al rigonfiamento di componenti organici a basso peso molecolare, che consente esperimenti che coinvolgono petrolio greggio e solventi luce saranno condotte18. Nel complesso, ottico adesivo è un'alternativa superiore a PDMS per gli studi di spostamento che coinvolgono il petrolio greggio quando micromodels a base di silice sono proibitivamente costosi o complessi e ad alta temperatura e pressione gli studi non sono necessari.
Il protocollo descritto in questa pubblicazione fornisce le istruzioni di montaggio dettagliate per micromodels adesivo ottico e segnala i trucchi sottili che assicurano il successo nella manipolazione di piccole quantità di fluidi. La progettazione e la fabbricazione di micromodels base adesivo ottico con litografia soft prima descritto. Allora, la strategia di spostamento fluido è data per ultra-basse portate che sono comunemente irraggiungibile con controllori di flusso di massa. Successivamente, un risultato sperimentale rappresentativo è dato come esempio. Questo esperimento rivela schiuma destabilizzazione e propagazione comportamento in presenza di petrolio greggio e mezzi porosi eterogenei. Infine, analisi di dati e di elaborazione di immagine tipica è segnalato.
Il metodo fornito qui è adatto per applicazioni di visualizzazione che coinvolgono il flusso multifase e interazioni in spazi confinati microchannel. In particolare, questo metodo è ottimizzato per caratteristiche micro-caratteristica risoluzioni superiori a 5 e inferiore a 700 µm. portate tipiche sono dell'ordine di 0,1-1 mL/h. Negli studi di petrolio greggio o dislocamento leggero solvente di fluidi acquosi o gassosi nell'ordine questi parametri ottimizzati alle condizioni ambientali, questo protocollo deve essere appropriato.
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Protocol
Attenzione: Questo protocollo coinvolge la gestione un forno ad alta temperatura, i prodotti chimici tossici e luce UV. Si prega di leggere attentamente tutti i fogli di dati materiali di sicurezza e seguire le linee guida di sicurezza chimica del proprio istituto.
1. dispositivo Design
- Progettare un photomask in un'applicazione di software CAD.
- Disegnare un canale rettangolare che è di 3 cm di lunghezza e 0,5 cm di larghezza (Figura 1b-in alto a destra).
- Creare una matrice di forme recintate che rappresentano i grani dei mezzi porosi.
Nota: Queste forme si riferiscono a come post perché diventano strutture tridimensionali durante il processo di litografia soft. La forma e le dimensioni dei posti dovrebbe essere nell'ordine di decine di micron e avere una spaziatura di dieci per cento micron. Diverse dimensioni di post possono essere impiegate per creare eterogeneità, e una sezione può essere lasciata nuda di post per simulare una frattura nei media. - Disegnare i canali di entrata ed uscita che sono circa un terzo come largo come la sezione di mezzi porosi. Disegnare un canale derivanti dalla porta di ingresso di agire come un canale di scolo.
- Disegnare un rettangolo di selezione intorno l'intero disegno con un minimo di 1,0 cm di spazio dal design.
Nota: L'area tra il riquadro di delimitazione e i confini del design, come pure il post, devono essere resi trasparenti su strato di fotoresist.
- Inviare il file CAD ad una società per CAD ad alta risoluzione stampa
Nota: Facoltativo: per un esperimento di cilindrata di schiuma, progettare un generatore di schiuma di microfluidica (Figura 1a). Ripetere il passaggio 1, omettendo l'eterogeneità di progettazione e casella di delimitazione. Una geometria di flusso-messa a fuoco è consigliata all'ingresso prima il design di mezzi porosi. Gli spazi di flusso dovrebbero essere trasparenti su strato di fotoresist.
2. PDMS fabbricazione della muffa
- Creare uno stampo master del wafer di silicio photoresist-fantasia in una camera pulita
- Spin-cappotto uno strato di 20 µm di photoresist su un wafer di silicio nuovo a 2.000 giri/min per 30 s.
- Cuocere morbido la cialda su un piatto caldo in due incrementi: 65 ° C per 1 min seguita da 95 ° C per 3 min.
- Utilizzare un aligner maschera per lo strato di photoresist del modello con il disegno di CAD utilizzando un dosaggio costante di 150 mJ/cm2.
- Eseguire un post-esposizione cuocere su una piastra calda in due incrementi: 65 ° C per 1 min seguita da 95 ° C per 3 min. Consenti la cialda raffreddare per 5 min.
- Immergere la cialda in 100 mL di propilene glicole-metil-etere-acetato in un piatto di cristallizzazione del vetro. Agitare delicatamente a mano per 10 min sviluppare il modello di photoresist. Sciacquare con isopropanolo e asciugare il wafer sotto un getto di aria secca.
- Duro cuocere la cialda su un piatto caldo in due incrementi: 120 ° C per 5 min seguita da 150 ° C per 10 min. Consenti la cialda raffreddare per 15 min.
- Cast PDMS sullo stampo master del wafer di silicio
- Mescolare un totale di 30 g del PDMS elastomero e agente indurente in un rapporto di 5:1 all'interno di un contenitore monouso senza polvere.
- Degassare il PDMS in un essiccatore sotto vuoto per 30 min.
- Versare il PDMS sullo stampo master del wafer di silicio photoresist-fantasia in un bicchiere di 150 mm di Petri.
- Porre la capsula Petri wafer e PDMS in un forno a 80 ° C per 1 h.
- Rimuovere la capsula di Petri dal forno e consentire il contenuto raggiunga la temperatura ambiente.
Nota: La procedura può essere sospesa a questo punto.
- Preparare lo stampo PDMS per trasferimento del modello di adesivo ottico
- Accuratamente tagliare lo stampo PDMS utilizzando un bisturi e sbucciare la muffa dal wafer.
- Pulire e proteggere lo stampo PDMS utilizzando nastro adesivo trasparente.
Nota: La procedura può essere sospesa a questo punto. - Posizionare lo stampo PDMS, modello-lato verso l'alto, nella parte inferiore di una plastica polvere 60 mm piastra di Petri. Consentire 10 s per il PDMS ad attaccarsi alla plastica.
- Proteggere la superficie di PDMS con plastica trasparente nastro fino al punto 3.1.1.
Nota: Facoltativo: per rendere il generatore di schiuma, ripetere i passaggi da 2.1. attraverso 2.3.2. per la progettazione del generatore di schiuma.
3. fabbricazione di dispositivi adesivo ottico
- Eseguire il cast adesivo ottico sul stampo PDMS
- Rimuovere il nastro dalla superficie modellata del PDMS e versare il 150 millimetri di Petri ad una profondità di circa 0,9 cm sopra la superficie superiore dello stampo PDMS adesivo ottico. Rimuovere delicatamente eventuali bolle con qualsiasi tipo di tampone di cotone.
- Curare l'adesivo ottico sotto luce UV per un totale di 40 min come descritto nella procedura 3.2.1 - 3.2.5 in un sistema di PSD-UV.
Attenzione: Indossare una protezione adeguata quando si lavora con luce UV.- Esporre la capsula di Petri a luce UV (254 nm) per 5 min.
- Invertire la capsula di Petri, tale che il fondo è ora di fronte la fonte UV ed esporre il lato inferiore alla luce UV per 5 min.
- Invertire la capsula di Petri, riportarlo in posizione verticale e ri-esporre il lato superiore ai raggi UV per 5 min.
- Capovolgere nuovamente la capsula di Petri upside-down e ri-esporre il lato inferiore ai raggi UV per 10 min.
- Invertire la capsula di Petri torna alla posizione eretta e ri-esporre il lato superiore ai raggi UV per 15 min.
Nota: La procedura di polimerizzazione in passaggi 3.2.1 attraverso 3.2.5 è applicabile solo quando viene utilizzato l'apparecchio di PSD-UV specificato (Tabella materiali). Tempi di polimerizzazione variano a seconda della lampada specifica che viene utilizzata e lo spessore esatto dello strato adesivo ottico.
- Rimuovere l'adesivo ottico curata dallo stampo PDMS
- Utilizzare un taglierino per rompere con cura l'adesivo ottico fuori dallo stampo di Petri.
Attenzione: Lame di Box sono molto taglienti e possono facilmente tagliare la carne. Prestare attenzione quando si lavora intorno i bordi taglienti delle capsule di Petri rotto. - Utilizzare un robusto paio di forbici per rimuovere l'eccesso di collante ottico dal bordo del disegno.
- Sbucciare lentamente lo stampo PDMS lontano il disco adesivo ottico. Proteggere le parti modellate della superficie adesiva ottica e la superficie PDMS con nastro adesivo trasparente.
- Utilizzare un punzone di biopsia di 1,0 mm per creare ingresso, uscita e scarico fori. Proteggere l'adesivo fantasia optical con nastro adesivo trasparente.
- Utilizzare un taglierino per rompere con cura l'adesivo ottico fuori dallo stampo di Petri.
- Preparare il substrato
- Dispensare 1 mL di adesivo ottico su una nuova diapositiva di vetro e spin-cappotto la diapositiva in due passaggi: 500 giri/min per 5 s poi 4.000 rpm per 20 s.
- Trasferire rapidamente il substrato per il trattamento della luce UV e parzialmente curare il sottile strato di adesivo ottico sotto luce UV per 30 s.
- Legame dell'adesivo ottico il cast al substrato
- Posizionare il cast adesivo ottico, fantasia rivolta verso l'alto e il substrato, rivestito-verso l'alto, in un plasma di2 O più pulito. Al plasma pulire la superficie per 20 s a 540 mTorr.
- Premere con forza le due superfici trattate insieme fino a quando tutte le sacche d'aria indesiderati sono stati ridotti al minimo o rimossi.
- Curare completamente il dispositivo alla luce UV per 20 min.
Attenzione: Per la luce UV, indossare una protezione adeguata ad esempio occhiali protettivi, camice da laboratorio, guanti, ecc. - Collocare l'apparecchio su una piastra calda a 50 ° C per 18 h.
- Inserire un segmento lungo di 6 pollici di polietilene a bassa densità ID 0,58 mm tubi (PE/3) in ciascuna delle porte sul dispositivo.
- Utilizzare un resina epossidica quick-set di 5 min per fissare il tubo in luogo.
Nota: Facoltativo: per completare il generatore di schiuma, ripetere i passaggi da 3.5.1, 3.5.2, 3.6 e 3.7. utilizzando il generatore di schiuma PDMS cast e un nuovo vetro diapositiva, anziché cast adesivo ottico e substrati preparati, rispettivamente.
4. olio cilindrata esperimento
- Preparare il dispositivo microfluidico per essere stampato su un microscopio invertito, dotato di una fotocamera ad alta velocità. Fissare il dispositivo alla fase microscopio utilizzando nastro. Utilizzando un obiettivo 4x, concentrarsi sulla zona di interesse (AOI).
- Preparare i fluidi di iniezione
Nota: Per sistemi trifase, un colorante deve essere aggiunto per cancellare spostando fluidi per fornire contrasto di colore per analisi di immagine.- Carico 3 mL di petrolio greggio o esempio di modello di olio in una siringa di vetro da 10 mL con un 23 calibro industriale punta applicatrice. Fissare la siringa nel supporto pompa siringa e impostare il valore di diametro appropriato alle impostazioni di pompa siringa.
- Carico 1 mL di fluido dislocante in una siringa di plastica da 3 mL con un 23 calibro industriale punta applicatrice. Fissare la siringa nel supporto pompa siringa e impostare il valore di diametro appropriato alle impostazioni di pompa siringa.
Nota: Facoltativo: per esperimenti di generazione della gomma piuma, collegare un 10m lungo 25 µm diametro vetro tubo capillare ad un serbatoio di gas di N2 e impostare la pressione del gas al valore desiderato per la portata di gas necessaria, così come ottenuto da una curva di calibrazione. Consentire 10 min per il flusso di gas equilibrare.
- Saturare il dispositivo di mezzi porosi modello ottico adesivo con olio
- Collegare il fluido spostando verso l'ingresso del dispositivo inserendo la punta dell'ago nel tubo PE/3.
Nota: Facoltativo: quando schiuma viene utilizzato come la fase di spostamento, collegare la siringa del liquido spostando verso l'ingresso del generatore di schiuma. Collegare il capillare di gas per la seconda porta di ingresso del generatore di schiuma inserendo il tubo capillare in una punta di erogazione industriale 23 gauge e l'anulus con resina epossidica quick-set di tenuta. L'uscita del generatore di schiuma è quindi collegato all'ingresso del dispositivo adesivo ottico utilizzando un connettore di 23 gauge. - Collegare la siringa riempita di olio verso l'ingresso del dispositivo inserendo la punta dell'ago nel tubo PE/3.
- Iniziare l'olio che scorre alla porta di uscita del dispositivo ottico adesivo a 2 mL/h mentre simultaneamente che scorre il fluido dislocante alla porta di ingresso a 0,8 mL/h tale che i due fluidi entrambi scorrono fuori la porta di scarico. Il fluido dislocante non dovrebbe entrare i mezzi porosi. Raccogliere l'effluente in un flaconcino di vetro da 20 mL.
- Collegare il fluido spostando verso l'ingresso del dispositivo inserendo la punta dell'ago nel tubo PE/3.
- Iniziare le riprese l'AOI sul dispositivo mezzi porosi ad un frame rate abbastanza veloce per catturare i fenomeni desiderati. Un tipico frame rate è 50 fps. Acquisire un'immagine statica della zona satura di olio 100%.
- Rapidamente e contemporaneamente tagliare il tubo di PE/3 che scorre nell'olio con le forbici durante il serraggio del tubo di scarico con un morsetto di Raccoglitore di 5 cm.
- Consentire il fluido dislocante di invadere il dispositivo finché non raggiunge la cilindrata di olio allo steady-state o la fotocamera esaurisce la memoria.
5. immagine e analisi dei dati
- Utilizzare un software di analisi gratuito immagine come immagine J o utilizzare la casella degli strumenti di analisi di immagine in MATLAB per analizzare le riprese dall'esperimento.
- Utilizzando il fermo immagine del canale 100% olio-saturo, calcolare la porosità in unità di per cento per i mezzi porosi AOI.
- Calcolare il volume dei pori usando la seguente equazione:
- Utilizzare software di analisi di immagine per determinare la saturazione di olio, come una frazione dello spazio totale del flusso, in ogni fotogramma delle riprese video dall'esperimento. Per esperimenti di cilindrata a due fasi, la saturazione di fase dislocante in ogni fotogramma può essere calcolata come:
- Preparare un terreno di saturazione dell'olio in per cento contro poro volumi di liquido iniettato
Nota: Facoltativo: per trifase sistemi come quelli degli esperimenti di dislocamento di schiuma, è possibile utilizzare MATLAB image analysis toolbox per categorizzare ogni fase dislocante di colore utilizzando la caratteristica gamma RGB per ogni fase. Preparare un terreno mostrando le saturazioni di tutte le tre fasi con volumi iniettati poro.
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Representative Results
In questo esperimento di esempio, schiuma acquosa viene utilizzato per spostare petrolio greggio Medio Oriente con (una viscosità di 5,4 cP) e la gravità di API di 40 ° in un mezzi porosi eterogenei con contrasto di permeabilità a strati. Un generatore di schiuma PDMS è collegato a un'ottica micromodel adesivo che in precedenza era completamente saturato con petrolio greggio. Figura 1a spettacoli la progettazione CAD di fotomaschere per il PDMS schiuma generatore, il wafer di silicio photoresist-fantasia e il generatore di schiuma completati con i tubi di ingresso e uscita inserite. Figura 1b Mostra le immagini corrispondenti per i mezzi porosi eterogenei ottico modello adesivo con contrasto di permeabilità a strati. Nota le rispettive porzioni trasparenti e opache del design photomask. Come illustrato nella Figura 2, schiuma grossolana viene generato da una geometria di flusso-messa a fuoco in cui sono co-iniettate gas e liquido. La portata totale selezionata per questa dimostrazione è 0,8 mL/h con un flusso di azoto gas frazionario di circa 90%. La soluzione di tensioattivo utilizzata è un rapporto di 1:1 di solfonato dell'alfa olefine C14-16 a Lauril Betaina ad una concentrazione di 1% in peso. Una 1 wt % concentrazione di colorante blu di grado viene utilizzata nella fase acquosa per aiutare a distinguere questa fase dal post di dispositivo. Una grana di schiuma è prodotto come schiuma dalla sezione flusso di messa a fuoco vengono propagata tramite il generatore di schiuma omogenea micromodel. Bolle più piccole sono in genere fuoriesce la matrice a motivi rispetto a quelli che sono fatti dalla geometria di flusso-messa a fuoco da soli. Una volta ottenuta la costante formazione di schiuma, schiuma flusso quindi è deviato verso l'ottica micromodel adesivo a spostare petrolio greggio. Video del processo di spostamento sono stati catturati a 50 fps da una telecamera ad alta velocità, che ha permesso per la lavorazione di fotogramma per fotogramma del filmato. Nella Figura 3, profili di saturazione per ogni fase fluida sono stati tracciati in funzione dei volumi di fluido iniettato totale dei pori.
Tecniche di elaborazione delle immagini consentono di quantificare la separazione di fase fluida di diversione e schiuma in diversi strati. Forze capillari tra diverse fasi più del liquido guiderà per la regione di permeabilità più bassa e più del gas nella regione superiore di permeabilità. Figura 4 Mostra i cambiamenti di saturazione che si è verificato durante lo spostamento di petrolio greggio sperimentare in funzione del totale liquido iniettato pore volumi. Come previsto, allo stato stazionario, saturazione di gas era significativamente più alta della regione alta permeabilità rispetto a quello della regione di bassa permeabilità.
Oltre ad analizzare il cambiamento di saturazione durante l'esperimento di cilindrata di olio, una serie di eventi a livello dei pori come schiuma destabilizzazione, bolla generazione, formazione di lamelle di olio e petrolio greggio emulsificazione potrebbe anche essere facilmente identificata. In Figura 5, alcune di queste dinamiche di schiuma in presenza di petrolio greggio sono mostrate. In questa figura, le bolle di interesse sono di colore verde. Schiuma è termodinamicamente metastabile e assegna in mezzi porosi di meccanismi come aspirazione capillare (Figura 5C), diffusione del gas (Figura 5e), le fluttuazioni termiche o meccaniche. Petrolio greggio ha anche un effetto negativo sulla schiuma (Figura 5b e Figura5D). Il successo di schiuma inondazioni dipende da vari meccanismi per la rigenerazione di bolla. Identifichiamo i meccanismi di generazione della gomma piuma in situ come bolla pinch-off (Figura 5a) e la lamella divisione (Figura 5f).
Figura 1: la fabbricazione di dispositivi di mezzi porosi micromodel. (a) generatore di schiuma basati su PDMS: la progettazione CAD, la muffa di photoresist su un wafer di silicio e il dispositivo completato; (b) ottica mezzi porosi eterogenei adesivo a base di micromodel con contrasto di permeabilità a strati: la progettazione CAD, la muffa di photoresist, lo stampo PDMS e il dispositivo completato. Le barre di scala indicano circa un pollice. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: generazione di schiuma nel PDMS base omogenea micromodel. Schiuma grossolana viene generato attraverso il flusso dispositivo che diventa più fine schiuma passa attraverso il dispositivo di messa a fuoco. La barra della scala indica 1 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: la caratterizzazione di petrolio greggio spostamento mediante schiuma. (a) condizione iniziale: saturazione 100% olio (olio grezzo in marrone, messaggi in bianco); immagine di priorità bassa binaria (b) per il micromodel; (c) un frame di esempio dallo spostamento greggio dei video; (d) convertito immagine dopo elaborazione Matlab per distinguere fasi distinte, dove il verde = gas, blu = fase acquosa, rosso = fase di olio; storia di saturazione (e) (freccia nera indica il tempo quando è stata scattata (c) ). La barra della scala indica 400 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: storia di saturazione alle regioni differenti per mostrare la separazione di fase fluida di diversione e schiuma. (a) regione alta permeabilità; (b) regione di bassa permeabilità; regione di frattura (c) . L'etichetta sugli assi verticali sta per saturazione di ogni fase (%).
Figura 5: schiuma dinamica in presenza di petrolio greggio. (a) generazione di schiuma di meccanismo bolla pinch-off; coalescenza di bolla (b) in presenza di petrolio greggio; (c) coalescenza di bolla di suzione capillare; schiuma (d) distruzione della regione di frattura; (e) schiuma involgarimento di diffusione del gas; (f) di schiuma dalla lamella-divisione. Bolle di gas di interesse sono di colore verde. La barra della scala indica 400 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Questo protocollo per lo studio dei processi di recupero olio in ottica micromodels adesivo un equilibrio tra la robustezza del micromodels non polimerici – come il vetro o silicio – e la facile realizzazione di dispositivi microfluidici PDMS. A differenza di micromodels di vetro o adesivo ottico, dispositivi PDMS mancano resistenza alla luce specie organiche. PDMS micromodels, inoltre, non sono ideali per molti esperimenti perché le superfici di questi dispositivi hanno proprietà wetting instabile, e la matrice polimerica è permeabile al gas19. Al contrario, adesivo ottico ha mostrato molto più stabile bagnabilità di PDMS, ed è molto meno permeabile ai gas20,21,22. In particolare, l'acqua angolo di contatto di ottiche adesivi rimane stabile per giorni dopo il trattamento al plasma O2 , rispetto alle ore per PDMS21. Di conseguenza, con il minimo sforzo supplementare, costruzione micromodels di adesivo ottico, piuttosto che PDMS, garantisce migliore resistenza ai solvente, proprietà di wetting più stabile e bassa permeabilità ai gas. adesivo ottico sostituisce né di vetro né di silicio micromodels, tuttavia, in quanto questi materiali possono resistere molto più alte temperature e pressioni. Inoltre, dispositivi microfluidici adesivo ottico possono esibire la degradazione di legame nel corso di esperimenti a lungo termine14. Data la difficoltà e la spesa di costruzione di vetro e silicone micromodels, adesivo ottico è ancora il materiale della scelta per gli esperimenti di ambiente spostamento a breve termine che coinvolgono luce sostanze organiche. Di conseguenza, impiegando micromodels adesivo ottico per lo studio dei processi di recupero olio con petrolio greggio è una facile e conveniente alternativa all'utilizzo di silicio micromodels e vetro alta intensità di lavoro.
Attenzione attenta dovrebbe essere pagata per diversi aspetti critici della parte di Maestro-stampo Preparazione wafer di silicio photoresist-fantasia del protocollo per evitare risultati infruttuosi. Prima, le migliori prassi detta rampa le temperature lentamente (5 ° C / min) durante tutte le fasi di cottura. Riscaldamento veloce può causare fratture da stress termiche in wafer. In secondo luogo, adesione del photoresist per i wafer di silicio dovrebbe essere promosso come necessario. Quando si utilizza un nuovo wafer, incidenti di separazione dovrebbero accadere raramente, ma se la separazione del photoresist curato da wafer è un problema, quindi possano essere adottate misure preventive. Migliore photoresist affinità per la superficie del wafer può causare un risciacquo rapido alcool isopropilico seguito da una fase di pre-cuocere a 110 ° C per 10 min. Terzo, nota che i parametri indicati nella procedura di dosaggio UV, tempi di cottura, le temperature di cottura e sviluppare tempi può essere sensibile ai cambiamenti nelle condizioni ambientali, strumento della marca e lotto di produzione chimica. Pertanto, dovrebbero essere stanziate risorse per parecchie prove ottimizzare questi parametri importanti per eliminare problemi come eccessiva polimerizzazione, funzionalità sottosviluppate, irrisolti o scarsa adesione ai wafer. Purché questi suggerimenti sono presi in considerazione, wafer di silicio dovrebbe essere modellato con successo con relativa facilità.
Più tardi nel protocollo, sfumature diverse della fabbricazione di dispositivi e sperimentale passaggi di questa procedura possono contribuire significativamente a risultati di successo. Ad esempio, il rapporto di componente non standard PDMS offre vantaggi un paio. Per cross-linking PDMS, un elastomero di 10:1 di rapporto catalizzatore di vulcanizzazione è usato; Tuttavia, un rapporto di 5:1 consente un polimero più duro che guarisce più velocemente e può essere riutilizzato più volte. Per la preparazione del dispositivo adesivo ottico effettivo, si deve notare che la procedura di polimerizzazione è tutti proprio sintonizzata per evitare potenziali insidie. Come tale, parzialmente guarire il sottile strato di adesivo ottico sul substrato per la periferica è cruciale per un extra forte legame alla parte di cast. Inoltre, l'adesivo ottico è curata da entrambi i lati per garantire anche una polimerizzazione in tutto. Se l'adesivo ottico non ha completamente guarito, quindi lo stampo PDMS potrebbe essere strappato durante la rimozione dal cast. Al contrario, se l'adesivo ottico è guarito per troppo tempo, il materiale diventa sfavorevole duro. Over-catalizzata può potenzialmente rompere l'attrezzo di perforazione usato per fare i fori porta. Se il cast è eccessivamente curato, le porte possono essere sabbia fatta saltare o forato con un trapano di diametro 1 mm su una pressa di trivello. Infine, durante lo svolgimento degli esperimenti di cilindrata, il fluido dislocante non essere debba immettere il micromodel prima il petrolio greggio. La bagnabilità dei micro-canali fatta inizialmente olio bagnato dal primo contatto con il petrolio greggio, ma lasciando componenti del fluido dislocante di alterare le superfici micromodel potrebbero modificare le prestazioni della strategia di spostamento. Seguendo questi passi attentamente nella costruzione di dispositivi microfluidici e spostamento esperimento contribuirà a garantire risorse non vada sprecato.
In futuro, micromodels adesivo ottico continuerà ad essere uno strumento prezioso per la ricerca di microfluidica. Questi dispositivi possono servire come una piattaforma di screening robusto per iniezione fluidi su misura per specifici oli greggi. Inoltre, questi strumenti possono essere utilizzati per studiare i meccanismi fondamentali di recupero dell'olio, controllo mobilità, flusso di schiuma o esperimenti di recupero (EOR) olio avanzata microbica anaerobica. Il rapporto costo-efficacia e proprietà favorevoli di ottica micromodels adesivo prestano naturalmente questi strumenti un vantaggio nel campo di recupero olio microfluidica.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Riconosciamo il sostegno finanziario del Consorzio di Università del riso per processi in mezzi porosi (Houston, TX, USA).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
References
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