마이크로 스케일 슐 리렌 기술에 의해 미세 유체 소자 믹싱 비균질성 분석

Bioengineering

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Sun, C. l., Hsiao, T. h. Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique. J. Vis. Exp. (100), e52915, doi:10.3791/52915 (2015).

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Abstract

본 논문에서는 미세 유체 장치에 불균일 혼합 측정하기 위해 마이크로 슐 리렌 기법의 사용을 소개합니다. 슐 리렌 마이크로 시스템은 슬릿 판을 제거하고 칼날에 변조기를 대체함으로써, 대물 렌즈의 후방 초점면에 쉽게 액세스 할 호프만 변조 현미경으로부터 구성된다. 마이크로 슐 리렌 기술의 작동 원리는 굴절률 1-3의 변화에 의한 빛의 편향을 검출에 의존한다. 편향 빛이 탈출 또는 각각 밝거나 어두운 밴드를 생산하는 칼날에 의해 가려 하나. 혼합물의 굴절률이 그 조성과 함께 선형 적으로 변화하는 경우, 이미지면에서의 광 강도의 변화는 로컬 광축에 수직 농도 구배에 비례한다. 마이크로 슐 리렌 화상 입체 불균일성에 의해 생성 된 광의 교란 이차원 투영을 준다.

정량 분석​​을 수행하기 위해, T-마이크로 채널에서 두 유체 혼합 교정 과정을 설명한다. 우리는 해당 마이크로 슐 리렌 화상과 밀접한 상관 관계 T-마이크로 채널에서 농도 구배를 얻는 수치 시뮬레이션을 수행한다. 이에 비해, 마이크로 슐 리렌 화상의 계조 판독 및 미세 유체 소자에서 제시된 농도 기울기 사이의 관계가 성립된다. 이 관계를 사용하여, 우리는 마이크로 유체 발진기 (4)에 측정과 마이크로 슐 리렌 기법의 능력을 준 마이크로 슐 리렌에서 이미지 혼합 불균일성을 분석하여 입증 할 수있다. 광학적으로 투명한 유체, 마이크로 슐 리렌 기술은 혼합 공정의 3 차원 기능을 유지 순시 전체 필드의 정보를 제공하는 진단 도구 매력적이다.

Introduction

유체 혼합은 많은 산업 공정과 생물학적 시스템에서 발견되는 중요한 문제이다. 마이크로 유체의 출현과 함께, 마이크로의 혼합으로 인해 대량 전송 메커니즘 중 확산 지배에의 도전에 많은 관심을 가져왔다. 효과적인 마이크로 믹서에 필요한 정량적 검증을 설계하기 때문에, 여러 가지 측정 방법 5-7 개발되었다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 효율적인 micromixers 5 검색된 입체 구조는 공통 측정 기술들이 제공하지 못하는 농도 필드의보다 정확한 표현을 요구한다. 인해 각도 8 또는 반응 속도론 6의 시청 제한하기 위해 상기 한 방법 올바르게 혼합물의 균질성을 고려하지 않은 잘못된 결과를 생성 할 수있다.

광학적으로 투명 미세에 혼합 광학적으로 투명한 액체, 마이크로 슐 리렌 기술 3,9-14에 대한 9-13, 15 또는 16 단계 구배를 시각화하는데 사용되었다. 마이크로 슐 리렌 기술 간단한 광학 레이아웃 및 높은 감도 모두로부터 혜택 및 광 교란을 야기하지만 혼합을 평가하는데 사용하기에 적합하다 특정한 유동 특성의 비 침습성 조사까지도 가능하게한다. 본 논문에서는 현미경의 대물 렌즈의 초점면에 나이프 에지를 삽입하여 마이크로 슐 리렌 시스템을 구축, 정량 분석을 실현하는 교정 절차를 설명하고, 미세 유체 발진기 4 유효성 측정을보고한다. 측정을 구현하기 위해, 작동 유체를 적절히 혼합 유체의 굴절률은 조성에 따라 선형 적으로 변화되도록 선택되고, 대상 미세 유체 소자의 두께에 동일 아르전자는 교정에 사용됩니다. 종 농도 외에, 마이크로 슐 리렌 기법은 선​​형으로 온도 나 염분 등의 굴절율, 상관된다 다른 스칼라 양의 기울기를 측정하기 위해 확장 될 수있다.

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Protocol

미세 유체 소자의 제조 1

  1. T - 마이크로의 윤곽을 그리는 그래픽 레이아웃 소프트웨어 (예를 들어, AutoCAD를)를 사용합니다. T-마이크로 채널, 2 개의 공급 채널​​은 90 ㎛ 폭 및 2500 ㎛의 길이 및 합류 채널 (180)은 길고 넓은 ㎛ 내지 3,000 ㎛ 인 것이다. 1,100 ㎛의 직경 개별 원에 각 채널의 끝을 연결합니다.
  2. 마크 '명확한'각각 노출과 적용 분야에 대한 '어둠'. 네거티브 포토 레지스트의 경우 (예를 들면, SU-8), T-마이크로 채널의 형상은 '클리어'이고, 주변은 '어두운.'
  3. 크롬 - 온 - 유리 포토 마스크 상에 T-의 미세 패턴을 전사하는 442 nm의 파장 및 2 ㎛의 최소 피처 크기와 레이저 패턴 생성기를 사용한다.
  4. 포토 마스크 기판 (예를 들면, 단면 연마 실리콘 웨이퍼) 및 영구 에폭시를 사용하여 포토 레지스트 (예를 들어., SU-8)는 표준 리소그래피 공정을 통해 주형을 만드는. 포토 레지스트 층은 55.2 μm의 두께이다. 일반적으로, 포토 레지스트의 두께는 대물 렌즈 17-19의 상관 관계의 깊이보다 얇은 것으로한다.
  5. T-마이크로 채널 (20)을 제조하는 금형 등의 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)와 같은 투명 재료를 사용한다.
  6. 유체 연결의 펀치 외경 2mm의 스테인레스 스틸 튜브를 이용하여 구멍 PDMS에 원형 패턴으로 정렬.
  7. PDMS, 30 초, 60 W 산소 플라즈마로 유리 슬라이드의 표면 치료. 유리 슬라이드에 PDMS를 연결합니다. 두 물질의 산화 된 표면은 강한 결합을 만들 수 있습니다. 120 ℃에서 5 분 동안 핫 플레이트 상에 결합 된 구조를 PDMS 놓는다.
  8. 유체 연결에 대한 펀치 구멍에 테프론 튜브를 삽입합니다.

2. 실험 설정

  1. Hoffma에서 마이크로 슐 리렌 시스템을 구축응축기의 정면 초점면에 슬릿 판을 제거하고, 5 배 대물 렌즈 (3)의 후면 초점면에서 나이프 - 에지 변조기 대체하여 N 개의 변조 현미경. 대물 17-19의 개구 수에 따라 상관의 깊이는, 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분해야한다. 칼날의 표면 반사율을 감소시키기 위해 양극 산화 알루미늄에 의해 흑화된다.
  2. C-장착 어댑터를 통해 현미경 안 경통에 고속 카메라를 탑재. 카메라는 빔 스플리터를 통해 현미경의 광로에 직면하게한다. 이더넷 케이블을 통해 데스크톱 컴퓨터에 카메라를 연결합니다. 그 계조가 판독 입력 휘도에 비례하도록 카메라 (1)에 감마 보정을 설정한다.
  3. 광원의 전원을 켭니다. 과량의 열을 방지하기 위해, LED (발광 다이오드) 조명을 사용한다.
  4. 예를 들어, <(이미지 처리 소프트웨어를 사용하여/ 엠>에 MATLAB 함수 imread)은 취득 된 화상의 계조 값을 얻었다. 나이프 에지를 제거 화상의 평균 계조 리드가 최대 값보다 약 10 % 이하가되도록 조명, 조리개와 노출 시간을 조정한다. 이는 0 % 차단 용 배경 강도를 나타내고, 우리는 8 비트 이미지 (230)의 값을 사용한다.
  5. 완전히 입사광을 차단하기 위해 칼날을 넣습니다. 이미지의 평균 그레이 스케일 판독을 기록합니다. 이것은 100 % 차단을위한 배경 강도를 나타내고, 그 값은 약 15, 8 비트 화상에 대한 것이다.
  6. 나이프 에지의 위치를​​ 조절하도록 상기 취득 된 화상의 평균 그레이 스케일 판독 값은 0 % 및 100 %에 대한 컷오프 값의 중간에 놓여있다. 지금 절단의 정도는 50 %로 설정된다.
  7. 성분으로 서로 완전히 혼화 알려진 굴절률 (21)와 두 개의 투명한 액체를 준비합니다. 굴절 공업의 의존도를 평가하기혼합물의 농도에 대한 예는 문헌 (21)를 확인하거나 글래드스톤 - 데일 식 (22)를 사용합니다. 곡선이 전체 범위에 걸쳐 비선형 인 경우, 다른 유체 부품을 선택한다. 이어서, 용액의 굴절률 농도 변화하는 직선 아래에 지정된 조성물을 선택한다. 예를 들어, 작동 유체로서 0.05 질량 분율의 물로 희석 수성 에탄올을 사용한다.
  8. 시편 무대에서 T-마이크로 넣습니다. 칼날에 합류 채널 병렬 너무 (그림 1) T - 마이크로 정렬.
  9. 주사기는 기준 유체 (물)의 역할을 작동 유체로 충전되고, 주사기 B가 다른 작동 유체 (에탄올 희석)로 채워진다 : 두 개의 동일한 주사기를 준비한다. 주사기의 크기는 원하는 유량 Q와 주사기 펌프의 사양에 의존한다 : Q = D πd는 SYR의 내경은 2 V / 4인게 및 V는 플런저의 속도이다. 유량 맥동은 통상 23 V를 증가 작은 주사기를 선택함으로써 방지 될 수있다.
  10. 비커에 T-마이크로 채널에서 출구 유체를 수집합니다. 확인 테프론 배출관 비커의 벽에 고정되고 그 단부 액적 breakoff 의해 발생 될 진동을 피하기 위해 비커 내의 액체 레벨 이하이다.

3. 교정

  1. 두 유체 혼합과 참조 화상의 화상을 취득.
    1. 주어진 레이놀즈 (Re)에서, 주사기 펌프의 유량을 설정, Q. Q는 Q = μ (W + D) 재 / 4ρ, μ 및 ρ는 점도 및 작동 유체의 밀도 어디에, 및 W로부터 산출 및 D는 각각 T-마이크로 합류 채널의 폭 및 깊이이다.
    2. 로드 한 주사기와 펌프와 SY와 다른 펌프ringe 나 연결은 T-마이크로의 두 입구는 테프론 튜브를 통해 주사기 B에 주사기. 동일한 체적 유량으로 T-마이크로 채널로 작동 유체를 전달하기 위해 주사기 펌프를 시작.
    3. 꾸준한 흐름이 확립 될 때까지 기다립니다. 정상 흐름 조건은 고정 슐 리렌 패턴의 출현에 의해 정의된다.
    4. 30 fps의 프레임 비율에서의 혼합 유체의 스물 프레임을 기록하는 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다.
    5. 오직 일정한 속도로 T-마이크로 합류 채널에 하나의 입구를 통해 상기 기준 유체 (물)을 주사기 펌프 B. 탑재되어 펌프를 정지.
    6. 정상 흐름 상태에 도달 할 때 더 슐 리렌 패턴이 관찰되지 않을 때까지 기다립니다.
    7. 광학적 불균일성이 T-마이크로 채널에 존재하지 않는 경우에 참조 화상을 취할 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다. 30 fps의 프레임 비율에서 스무 프레임을 기록한다.
    8. 다른 레이놀즈 수에서 3.1.7에 3.1.1를 반복 = 1 다시, 5, 10, 20, 50이되도록 더 복잡한 유동 구조는 T-마이크로 채널 (24)의 합류 영역에 출현하지 않는다.
  2. i 및 j는 픽셀 인덱스이다 참조 화상 I 0 (I, J) (25)에 의해 취득 된 화상 I (I, J)를 분할하는 화상 처리 소프트웨어를 사용한다.
  3. T - 마이크로에있는 지정된 유체의 혼합을 시뮬레이션하기 위해 CFD (전산 유체 역학) 패키지를 사용한다.
    1. T-마이크로 채널의 형상에 대한 입체 모델을 구축. 격자 구조 내로 유동 도메인 이산화. , 정확도를 높일 합류와 T-마이크로의 중심 지역에 미세한 메쉬를 사용합니다.
    2. 유체의 물성을 할당하고 유동 도메인 경계 조건을 확립한다. 해결 프로세스 중 마지막에서 얻어진 농도에서 농도 의존적​​ 확산 계수를 결정지방의 농도를 업데이트하기 위해 반복 (26).
    3. 그리드 연구 (27)를 수행하여 계산 된 결과의 민감도를 검사합니다.
  4. 각 노드 (X I, I, Y)의 XY -plane에이 사다리꼴 규칙에 의해 채널 깊이에 걸쳐 농도 필드의 평균값을 취하는 CFD 포스트 - 프로세싱 툴을 채용 : w (X I, Y의 j) = {Σ k를 [W (X I, Y의 J, Z의 k)는 W + (X I는, Y의 J, Z의 K + 1)](Z k에 - Z의 K) / 2} / D 28, D는 어디 채널 깊이. deriva을 계산하기 위해 중앙 차분 기법을 사용하여교차 흐름 방향에 대한 농도의적인 (∂ w / ∂의 Y) I, J = [(X I, Y j를 +1) w - w (X I, Y의 J-1)] / (Y의 J - Y의 J-1).
  5. 양 및 음의 기울기 모두를 들어, 그레이 스케일 값 I / I가 0 (3.2에서 얻어진 것) 및 질량 분율의 구배 ∂ w / ∂ Y는 Y = 0 (중심선으로 지정 장소에서 (3.4에서 얻어진 것), 유선의 비율을 추출 방향) 또는 다양한 주어진 X (가교 스트림 방향).
  6. 결과 플롯과 내가 사이에 / I 0의 관계를 결정하고 ∂ ∂ / Y, I / I 0 Y ∂ + C 2 (C 1과 C 2는 상수) W B> C = 1 ∂.

4. 정량

  1. 반복 3.1 대상 미세 유체 소자에 혼합 3.2 단계를 반복합니다. 대상 미세 유체 장치의 깊이는 동일하거나 T-마이크로에 가까운해야합니다. 비정상 현상이 예상되는 경우, 단계 3.1.4 대신에 비디오 클립 (이미지의 연속)를 취득. 노출 시간은 2.4, 2.5, 3.1.4 및 3.1.7에서 사용되는 값과 동일해야하는 동안 프레임 레이트가 분명히 과도 유동 역학을 해결하기에 충분히 높아야한다.
  2. 대상 미세 유체 소자의 질량 분율의 구배 계조 값의 비율을 변환하는 단계에서 얻어진 3.6의 관계를 사용한다.

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Representative Results

그레이 스케일 비는 I / 질량 분율의 양 및 음의 기울기 모두 다른 레이놀즈 수 미만 I 0 T - 마이크로 채널의 중간에 나타나는 대칭 밴드 (도 2)를 나타낸다. 낮은 레이놀즈 수에서, 슐 리렌 밴드의 꼬리 인해 혼합 인터페이스를 통해 분산 확장과 희미합니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 확산 길이는 좁은 밴드 선도 단축시킨다. 다른 다운 스트림 위치에서 강도 변화 ΔI의 변형 / I가 교차 흐름 방향을 따라 0 정량적 (도 3)에 도시되어있다. 보정 과정에서의 결과가 (도 4a 표현 (b)). 나는 사이의 관계 / I 0 승 ∂ / ∂ y는 레이놀즈 NUM의 선형 및 독립적BER. 회귀 분석에서, I / I 0 = -110 ∂ W / 대한 Y + 1.03 ∂ ∂ W / ∂ Y> 0 및 I / I 0 = -160 ∂ W / Y ∂ + 0.83를위한 W / ∂ Y <∂ 0 , ∂ ∂ y는 μm의 -1에 / W. 상대 불확실성은 ± 3.8 %이며, 각각도 4a 및도 4b에서 3.2 % ~ ±. 데이터 포인트가 평준화 여기서 검출 한계에 도달한다. 이 플러스, 마이너스의 기울기 경사에 편차가 3 드물지되는 것은 아니다. 이들 방정식을 사용하여, 마이크로 유체 발진기 4 시간 질량 분율 구배의 변동 (도 5)를 볼 수있다. 혼합 인터페이스 공진 영역으로 편향 및 C 불안정성 유동된다ommences. 이 비디오도 명확 미세 발진기 유동의 진동 특성을 계시하고 미세 유체 소자에 시분 전체 필드 농도 구배를 캡처 마이크로 슐 리렌 기법의 능력을 보여준다.

그림 1
광 설치의 그림 1. 도식. 칼날의 방향은 굴절률의 긍정적 인 그라데이션 어두운 밴드를 생산하고 있습니다. 광은 굴절률을 증가시키는 방향으로 편향시킨다. 대물 렌즈는 이미지를 반전하기 때문에, 블로킹 - 영역 (Y)은 왜곡 된 광을 차폐하고 어두운 밴드를 생성한다.

그림 2
운데 T-마이크로 채널에서 혼합 그레이 스케일 판독 그림 2. 비율 . 다른 흐름 구성을 r에 긍정적이고 부정적인 그라데이션은 각각 어둡고 밝은 밴드가 발생. 레이놀즈 수의 증가함에 따라, 밴드는 더 집중하게된다.

그림 3
도 3 포지티브 및 네거티브 모두 그라디언트 교차 흐름 방향 강도 변화의 변화. = 1 R6 = 5.

그림 4
그림 질량 분율의 기울기와 그레이 스케일 비율 사이 4. 관계. 긍정과 부정 모두 그라디언트를 들어, 그레이 스케일 비율은 질량 분율 기울기에 따라 선형 적으로 변화한다.

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그림 5 (비디오 그림). 다시 = (250) 흐름의 진동을 통해 혼합 특성에 미세 유체 발진기의 질량 분율 그라데이션의 발전이 성공적으로 마이크로 슐 리렌 기술에 의해 캡처됩니다.

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Discussion

마이크로 유체 장치 내의 유체 혼합의 경우, 마이크로 슐 리렌 기술은 광 강도 변화를 정량화를 통해 농도 기울기의 크기를 측정 할 수있다. 이 기술의 원리는 빛의 전파의 교대를 검출에 의존하기 때문에, 작동 유체와 미세 유체 소자는 입사광에 대해 투명해야한다. 또한, 프로토콜은 용액의 굴절 지수와 작동 유체의 예비 평가가 필수적이다 지도록 조성물 간의 선형 관계를 필요로한다. 에탄올 수용액이 본원에서 입증 이외에도 마이크로 슐 리렌 기술이 성공적 염도 구배 29 solutocapillary 대류 30의 측정에 적용된다. 교정 과정에서 사용되는 정확한 측정, 조리개 범위, 조사 수준, 노출 시간, 대물 렌즈와 마이크로 깊이의 정량 방법에 사용되는 것과 동일 할 필요. 또한, 대물 렌즈의 상관 관계의 깊이는 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분히 커야한다.

T-마이크로 믹싱의 보정 과정은 마이크로 슐 리렌 기술의 정확한 정량 분석​​에서 가장 중요한 단계이다. 제안 된 방법의 성공적인 구현을 위해, 사용자가 흐름 발진 (23)은, 과도한 열을 감소시키기 위해, LED 광원을 사용 피하기 위해 적절히 튜브 연결을 정렬 유체 전달을위한 작은 주사기 또는 공압을 이용해야하는 저 레이놀즈 수에서 보정 절차를 수행 (24), 및 고차 광학 효과 (31)을 제거하기 위해 초점 미세 유체 소자를 배치합니다. 최저 측정 구배 Y ∂ / w ∂, 가장 높은 측정 구배 반면 (명암 패턴, 카메라의 동적 범위에 링크 (밝은 패턴, / Y는 <0 w ∂)> 0)에 도달 할 때 칼날이 완전히 차단 굴절 된 빛을. 농도 구배의 넓은 범위를 검출하기 위해, 높은 ISO 값만큼 노출 부족이나 노출 과다가 발생하지 않는 장점이있다. 마이크로 슐 리렌 시스템이 식별 할 수없는 그 이하 검출 한계는 카메라가 해석 할 수있는 최소한의 강도 변화에 따라 달라집니다. 최소한의 강도 변화는 소음의 정도와 계조 표현의 수준에 의해 제한됩니다. 따라서, 큰 픽셀 깊이 고감도 카메라는 낮은 신호 애플리케이션에 대해 요구되고있다.

마이크로 슐 리렌 기술의 중요성은 두 겹이며; 한편으로는 간단한 광학 구성 실시간 비정상 전체 필드 측정을 가능하게한다. 어떠한 이물질 유동장을 방해하기 위해 도입되지 않도록 한편, 비 침습적이다. 마이크로 슐 리렌 기술은 초 미세의 입체 불균일성의 2 차원 투영을 생성하기 때문에기존의 방법에 의해 가려져 luidic 유지 장치, 복잡한 혼합 현상이 명확하게 알 수있다. 이 기술의 미래 응용 프로그램은 전기 화학적 과정에서 농도 구배를 정량화 또는 마이크로 플로우 환경에서 미생물 화성을 연구하기 위해 영양 기울기를 결정하는 것을 포함.

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Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgements

이 작품은 허가 번호 101-2221-E-002-064-MY3에서 과학 대만의 기술부에 의해 지원되었다.

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

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References

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