Mikro Schlieren Tekniği ile bir mikroakışkan Aygıt karıştırma homojen Analizi
June 12th, 2015
Burada, bir mikroakışkan cihazda karıştırma homojenliğini ölçmek için mikro ölçekli schlieren tekniğini kullanan bir prosedürü açıklıyoruz. Kalibrasyon yoluyla, konsantrasyon gradyanının dağılımı mikro-schlieren görüntüsünden türetilebilir.
Bu prosedürün genel amacı, mikro ölçekli sch larin tekniğini kullanarak bir mikroakışkan cihazdaki konsantrasyon gradyanını non-invaziv olarak ölçmektir. Bu, ilk olarak bir Hoffman modülasyonlu kontrast mikroskobundan mikro ölçekli sch larin sisteminin oluşturulmasıyla gerçekleştirilir. Kondansatörün yarık plakasını çıkarın ve objektifin arka odak yerindeki modülatörü bir bıçak sırtı ile değiştirin.
İkinci adım, bir T mikro kanalı monte etmek ve bir kalibrasyon karıştırma prosedürünü başlatmaktır. Gri tonlamalı mikro schlein görüntüleri elde etmek için T kanalını görüntüleyin. Daha sonra, mikro larin görüntülerini hesaplamalı bir akışkan dinamiği simülasyonu ile karşılaştırın.
Gri tonlama ve konsantrasyon gradyanları arasındaki ilişkiyi bulmak için son adımlar, bir hedef mikroakışkan cihazı yüklemektir. Karıştırmanın mikro schlein görüntüsünü alın ve gri tonlama değerlerini konsantrasyon gradyanlarına dönüştürmek için kalibrasyon eğrisini kullanın. Sonuç olarak, mikro ölçekli schlein tekniği, gerçek zamanlı olarak bir mikroakışkan cihazda homojenlikte kantitatif olarak karıştırmayı göstermek için kullanılır.
Bu yöntemin floresan görüntüleme veya gölge gibi mevcut tekniklere göre en büyük avantajı, bir mikroakışkan cihazında homojenlikte üç boyutu ortaya çıkaran konsantrasyon gradyanının kararsız ölçümlerini yerine getirmesini sağlamasıdır. Bu prosedürü göstermek, bir laboratuvardan yeni mezun olan Dr. A olacaktır. İlk adım, deneyde kullanılacak mikroakışkan cihazı hazırlamaktır.
Bu t mikrokanal cihazı, poli dimetil Sloane'un kalıplanmasıyla üretildi. Cihazın şeması, besleme kanallarını ve birleşme kanalını gösterir. Her kanal, akışkan bağlantı yeri olacak dairesel bir bölgeye bağlanır.
Deney için, bir cam slayt üzerine mikroakışkan bir cihaz monte edin ve Teflon tüpleri yerleştirin. Sıvı bağlantıları yapmak için cihazı bir kenara koyun. Deney hazırlanırken, bir Hoffman modülasyonlu kontrast mikroskobundan mikro ölçekli schlein sistemini oluşturun.
Optik yola koymak için bir bıçak sırtı hazır bulundurun. Bu bıçak sırtı, bu sistemde kullanılmak üzere özel olarak üretilmiştir ve yansıtmayı azaltmak için karartılmıştır. Bıçak sırtını elinizin altında tutun ve mikroskop patlamasını değiştirmeye başlayın.
Kondansatörün odak düzleminin önündeki yarık plakayı çıkarın. Ardından, modülatörü beş x objektifin arka odak düzleminden çıkarın. Bıçak kenarını alın ve modülatörün yerine yerleştirin.
Video çekmek için, mikroskobun tri oküler tüpüne monte edilmiş ve bir bilgisayara bağlı yüksek hızlı bir kamera kullanın. Işık kaynağını açın ve bilgisayara gri tonlamalı video göndermeye başlayın. Ardından, bir görüntü yakalayın ve işleyin.
Video akışından bir görüntü kaydedin ve gri tonlama değerini elde etmek için görüntü işleme yazılımını kullanın. Mikroskoba geri dönün ve bilgisayardaki bıçak kenarını çıkarın. Aydınlatmayı ve diyaframı ayarlarken ortalama gri tonlama okumasını izleyin.
Görüntünün ortalama gri tonlama okuması maksimum değerden yaklaşık %10 daha az olduğunda durun. Bu, %0'lık bir kesme için arka plan yoğunluğudur. Şimdi gelen ışığı tamamen engellemek için bıçak kenarını yerleştirin.
Bilgisayarın başında. Görüntünün ortalama gri tonlama okumasını kaydedin. Bu, %100 kesme için arka plan yoğunluğudur.
Ardından, yakalanan görüntülerin ortalama gri tonlama okumasını izlerken bıçak sırtının konumunu yinelemeli olarak ayarlayın. Durmak. Görüntünün ortalama gri tonlama okuması sıfır ve %100 değerlerinin ortasında olduğunda, bu, kesme derecesini %50'ye ayarlarŞimdi T mikrokanal cihazını monte etmek için mikroskoba geri dönün. Birleşen kanal bıçak kenarına paralel olacak şekilde numune aşamasına yerleştirin.
Cihaz yerine oturduktan sonra odağı kabaca ayarlayın. Deney için sıvıları onarın. Kırılma indisi olmayan ve birbiriyle tamamen gözden kaçabilen iki şeffaf sıvı seçin.
Bu video için, referans sıvısı olarak su kullanılır ve konsantrasyonun bir fonksiyonu olarak kırılma indisinin diğeri ve s artı sulu bir etanol çözeltisidir. Ve sulu etanolün kütle fraksiyonunu doğrusal bölgeye düşecek şekilde seçin. Bu deney, sıvıların onarımını dağıtmak için 0.05'lik bir kütle fraksiyonu kullanır.
Bir şırıngayı suyla dolduran iki özdeş şırınga ve diğeri, şırıngaları T mikrokanalına bağlayan sulu etanolü seyreltir. T Mikrokanalının iki girişinin her birini şırıngalardan birine bağlamak için Teflon boru kullanın. Sıvıları mikro kanal girişlerine iletmek için iki şırınga pompasına sahip olun.
Referans sıvı şırıngası ile bir pompa yükleyin. Diğer pompayı seyreltik etanol şırınga ile doldurun, ancak çıkış borusunun ucunu bir kaba yükleyin ve kabın duvarına sabitleyin. Şırınga pompalarının akış hızını ayarlayarak onlara Reynolds numarası vermek için kalibrasyona başlayın.
Çalışma sıvılarını aynı hacim akış hızında aynı anda iletmek için şırınga pompalarını başlatın. Mikro kanalı iyi gözlemlemek için kamerayı kullanın. Odağı ayarlayın ve sabit akış, sabit bir SL ve desen tarafından verilen bir sinyali stabilize edene kadar bekleyin.
20 kare akışkan karıştırma kaydetmek için saniyede 30 kare kare hızı kullanın. Bu çerçeveler elde edilen görüntüdür. İşiniz bittiğinde, başka bir çerçeve seti elde etmek için pompaları hazırlayın.
Seyreltik etanol için şırınga pompasını durdurun ve bir girişten su pompalamaya devam edin. Akışı gözlemleyin ve nole ve desen ile sabit akış oluşana kadar bekleyin. Saniyede 30 kare hızında 20 kare görüntü kaydedin.
Bu çerçeveler referans görüntüdür. Etanol ve su ve ardından Reynolds'un ilgilendiği her sayı için yalnızca su görüntüleri yakalayarak devam edin. Tüm veriler toplandığında, kalibrasyona devam etmek için bilgisayara dönün.
Elde edilen görüntüleri her Reynolds numarası hatası için referans görüntüye bölmek için görüntü işleme yazılımını kullanın. Sulu etanolün görüntünün üst kısmındaki kanaldan girdiği zaman için elde edilen örnek görüntüler ve alttaki kanalın referans görüntüye bölünmesi, akış boyunca belirli bir mesafedeki gri ölçek oranı verilerini verir. Çapraz akış yönündeki noktaları seçin ve her birinde gri tonlama oranını çıkarın.
Bunu akış boyunca birkaç nokta için yapın ve karşılaştırma için verileri çizin. Deneyin hesaplamalı akışkan dinamiği simülasyonunu gerçekleştirin. Çapraz akış türevine göre kütle fraksiyonunun türevini hesaplamak için bunu kullanın.
Ardından, doğrusal regresyon kullanarak gri ölçek oranı ile türev arasındaki beklenen doğrusal ilişkiden yararlanın. Kalibrasyondan sonra regresyon çizgisini bulmak için, bir hedef cihazı incelemek için mikro schlein tekniğini kullanın. İlk olarak, T mikrokanal cihazının numune aşamasından bağlantısını kesin ve çıkarın.
Yaklaşık olarak eşit derinliğe sahip bir hedef mikroakışkan cihazla değiştirin. Kamera kayıt giriş suyu ile cihazı suya ve sulu etanol çözeltisine bağlayın ve bilgisayarda eşit hacim akış hızlarında etanolü seyreltin. Akış stabilize olana kadar bekleyin ve elde edilen görüntü için 20 kare kaydedin.
Ardından, sulu etanol için şırınga pompasını durdurun ve hedef mikroakışkan cihaza sadece su girin. Referans görüntüyü elde etmek için bilgisayara geri dönün. Pozitif ve negatif kütle fraksiyonu gradyanları için farklı Reynolds sayıları altındaki gri skala oranı, T mikrokanalının ortasında düşük bir Reynolds sayısında görünen bir banda sahiptir.
Schlein bandının kuyruğu, karıştırma arayüzü boyunca dağılma nedeniyle genişler ve bulanıklaşır. Reynolds sayısı arttıkça difüzyon uzunluğu kısalır ve bu da daha dar bir banda yol açar. Bu videoda, gri tonlama oranı ile kütle fraksiyonu türevi arasında bulunan doğrusal ilişki, Reynolds sayısı 250'de bir mikroakışkan osilatörde akışın salınım doğasını yakalamak için kullanıldı.
Bu videoyu izledikten sonra, bir mikroakışkan cihazda konsantrasyon gradyanlarının nicelleştirilmesi için mikro ölçekli katmanlama tekniğinin nasıl uygulanacağını iyi anlamış olmalısınız.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, mikroakışkan cihazında karışım homojenliğini ölçmek için mikroölçekli schlieren tekniğini kullanan bir prosedürü açıklamaktadır. Bu yöntem, kalibrasyon ve görüntüleme teknikleri aracılığıyla konsantrasyon gradyanlarının invazif olmayan değerlendirmesine olanak tanır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Optik görüntüleme teknikleri
- Akışkanlar dinamiği
Arka Plan
- Mikroakışkan cihazlar, çeşitli biyolojik ve kimyasal uygulamalar için esastır.
- Karışım dinamiklerini anlamak, bu cihazları optimize etmek için kritik öneme sahiptir.
- Mikroölçekli schlieren tekniği, konsantrasyon gradyanlarını görselleştirmek için yeni bir yaklaşım sağlar.
- Elde edilen görüntüleri doğru yorumlamak için kalibrasyon gereklidir.
Çalışmanın Amacı
- Mikroakışkan sistemlerdeki konsantrasyon gradyanlarını ölçmek için invazif olmayan bir yöntem geliştirmek.
- Karışım süreçlerinin gelişmiş görüntülemesinde mikroölçekli schlieren tekniğini kullanmak.
- Deneysel sonuçları bilgisayarlı akışkanlar dinamiği simülasyonları ile karşılaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Hoffman modülasyon kontrast mikroskobu kullanarak mikroölçekli bir schlieren sisteminin yapımı.
- Modülasyon için yarık plakanın bıçak kenarı ile değiştirilmesi.
- Kalibrasyon karışım prosedürlerinde T mikrokanalının monte edilmesi.
- Gri tonlamalı mikro-schlieren görüntüleri elde etmek için T kanalının görüntülenmesi.
Ana Sonuçlar
- Mikroakışkan cihazındaki konsantrasyon gradyanlarının başarılı bir şekilde görüntülenmesi.
- Kalibrasyon, schlieren görüntülerinin doğru yorumlanmasını sağladı.
- Bilgisayarlı akışkanlar dinamiği simülasyonları ile karşılaştırma, sonuçları doğruladı.
- Teknik, akışkanlar dinamiği araştırmasında daha geniş uygulamalar için potansiyel göstermiştir.
Sonuçlar
- Mikroölçekli schlieren tekniği, karışım homojenliğini ölçmek için etkilidir.
- Bu yöntem, mikroakışkan sistemleri incelemek için invazif olmayan bir yaklaşım sağlar.
- Gelecek uygulamaları, hassas akışkanlar dinamiği analizi gerektiren çeşitli alanlara uzanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of mixing inhomogeneity in microfluidic devices is critical for early-stage biopharma workflows where precise reagent distribution impacts assay fidelity and target validation. The microscale schlieren technique enables non-invasive, real-time measurement of concentration gradients, supporting predictive confidence in microfluidic-based discovery platforms. This capability strengthens portfolio decision-making by reducing ambiguity in microenvironmental control and assay reproducibility.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization and quantification of concentration gradients for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of microfluidic mixing relevant to biological assay performance.
- Improves predictive confidence in microfluidic system suitability for target interrogation.
Screening & Assay Development
- Facilitates calibration and standardization of microfluidic devices for reproducible compound screening.
- Provides quantitative grayscale outputs for robust assay development and optimization.
- Enables rapid assessment of mixing uniformity, supporting scalable assay workflows.
Translational & Preclinical Research
- Supports continuity from microfluidic discovery assays to preclinical model systems by ensuring mixing fidelity.
- Reduces risk of translational failure due to undetected microenvironmental inhomogeneity.
- Enhances alignment of microfluidic outputs with downstream biomarker or efficacy studies.
Pipeline & Workflow Integration
The microscale schlieren technique integrates at the interface of early discovery and assay development, providing a diagnostic tool for microfluidic device validation prior to lead identification or preclinical studies.
- Discovery Biology: Quantifies spatial concentration gradients to clarify mixing-dependent biological hypotheses.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for assay readiness and platform standardization.
- Analytics: Enables direct comparison of experimental and simulated mixing profiles for robust device evaluation.
- Translational Research: Ensures microfluidic assay outputs are predictive of preclinical system performance.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable calibration and validation workflow for diverse microfluidic platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microfluidic-based assays.
- Operational Value: Standardizes device validation and supports scalable, reproducible workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing quantitative mixing metrics early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of microfluidic platforms for downstream development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical imaging and microfluidic device handling.
- Needs access to a Hoffman modulation contrast microscope and image processing infrastructure.
- Demands cross-team calibration standardization for consistent grayscale-to-gradient mapping.
- Adaptable to various transparent fluid systems with linear refractive index-concentration relationships.
- Limited to optically transparent fluids and devices compatible with the imaging setup.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
The Microfluidic Device
2:29
Experimental Setup
5:55
Calibration
8:10
Quantification
9:02
Results: Schlieren Band Behavior with Variation of the Reynolds Number, and the Evolution of the Mass Fraction Gradient in a Microfluidic Oscillator
9:47
Conclusion
