Analizzando disomogeneità Mescolando in un dispositivo a microfluidi da Tecnica microscala Schlieren

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

In questo lavoro, si introduce l'uso della tecnica schlieren microscala per misurare la miscelazione disomogeneità in un dispositivo microfluidica. Il sistema schlieren microscala è costruita da un microscopio a contrasto di modulazione Hoffman, che fornisce un facile accesso al piano focale posteriore della lente obiettivo, rimuovendo la piastra fessurata e sostituendo il modulatore con un coltello. Il principio di funzionamento di microscala tecnica schlieren basa sulla rilevazione deflessione della luce causata dalle variazioni di indice di rifrazione 1-3. La luce deviata o fuoriesce o è ostruito dal bordo coltello per produrre un chiaro o una banda scura, rispettivamente. Se l'indice di rifrazione della miscela varia linearmente con la sua composizione, la variazione locale di intensità della luce nel piano immagine è proporzionale al gradiente di concentrazione normale all'asse ottico. L'immagine micro-Schlieren dà una proiezione bidimensionale della luce disturbata prodotta da disomogeneità tridimensionale.

Per realizzare l'analisi quantitativa, si descrive una procedura di calibrazione che mescola due fluidi in una T-microcanali. Svolgiamo una simulazione numerica per ottenere il gradiente di concentrazione nel T-microcanali che è strettamente correlata con l'immagine di micro-schlieren corrispondente. In confronto, si stabilisce una relazione tra le letture in scala di grigio dell'immagine micro-Schlieren ei gradienti di concentrazione presentati in un dispositivo di microfluidica. Usando questo rapporto, siamo in grado di analizzare la disomogeneità di miscelazione dall'immagine micro-schlieren socio e dimostrare la capacità della tecnica schlieren microscala con le misure in un oscillatore microfluidica 4. Per fluidi otticamente trasparenti, microscala tecnica schlieren è uno strumento diagnostico attraente fornire informazioni istantanee pieno campo che mantiene le caratteristiche tridimensionali del processo di miscelazione.

Introduction

Miscelazione di liquidi è una questione importante che si trova in molti processi industriali e sistemi biologici. Con l'emergere di microfluidica, mescolando in microscala ha portato molta attenzione a causa della sua sfida in dominazione diffusione tra i meccanismi di trasporto di massa. Dal momento che la progettazione di una convalida quantitativa micromixer effettiva richiesta, diversi metodi di misura sono stati sviluppati 5-7. Tuttavia, la struttura tridimensionale, si trovano comunemente in micromixers efficienti 5, richiede una rappresentazione più accurata del campo di concentrazione che le tecniche di misurazione comuni non riescono a fornire. A causa del limite di visualizzazione angolo 8 o reazione cinetica 6, i suddetti metodi possono produrre risultati fuorvianti che non rappresentano correttamente per l'omogeneità della miscela.

Per fluidi otticamente trasparente di miscelazione in otticamente microstrutture trasparenti, microscala tecnica schlieren 3,9-14 9-13, 15 o fase di pendenza 16. MicroScale tecnica schlieren benefici sia da un layout semplice ottica e alta sensibilità e consente non solo l'indagine non invasiva della funzione portata specifica che causa disturbo ottico, ma è adatto per l'uso nella valutazione di miscelazione. In questo lavoro, costruiamo il sistema schlieren microscala inserendo una lama di coltello nel piano focale posteriore dell'obiettivo di un microscopio, descrivere una procedura di calibrazione per realizzare analisi quantitativa, e riportare una misura di convalida in un oscillatore microfluidica 4. Per implementare misurazioni, i fluidi di lavoro siano adeguatamente scelti in modo che l'indice di rifrazione dei liquidi misti varia linearmente con la composizione e lo spessore del dispositivo microfluidico destinazione è identico al sullae utilizzato in calibrazione. Inoltre la concentrazione di specie, microscala tecnica schlieren può essere esteso per misurare il gradiente di altra grandezza scalare che è linearmente correlata all'indice di rifrazione, come la temperatura o salinità.

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Protocol

1. Realizzazione di dispositivo a microfluidi

  1. Utilizzare un software di impaginazione grafica (ad esempio, AutoCAD) per disegnare il contorno di una T-microcanali. Per il T-microcanali, i due canali di alimentazione sono 90 micron di larghezza e 2.500 micron di lunghezza, e il canale di confluenza è di 180 micron di larghezza e 3.000 micron di lunghezza. Collegare l'estremità di ciascun canale a un individuo cerchio con un diametro di 1,100 micron.
  2. Mark 'chiaro' e 'buio' per l'esposizione e aree coperte, rispettivamente. Per un fotoresist negativo (ad esempio, SU-8), la forma della T-microcanale è 'chiaro' e il circostante è 'scuro.'
  3. Utilizzare un generatore di pattern laser con una lunghezza d'onda di 442 nm e una dimensione minima di 2 micron a trasferire il modello del T-microcanali su una fotomaschera cromo-on-glass.
  4. Utilizzare fotomaschera, un substrato (ad esempio, un solo lato lucido wafer di silicio) e un fotoresist epossidica permanente (per esempio., SU-8) per produrre uno stampo attraverso un processo di litografia standard. Lo strato di fotoresist è 55.2 micron di spessore. In generale, lo spessore photoresist dovrebbe essere più sottile rispetto alla profondità di correlazione della lente obiettivo 17-19.
  5. Utilizzare lo stampo e un materiale trasparente come polidimetilsilossano (PDMS) per fabbricare il T-20 microcanali.
  6. Per il collegamento fluidico, utilizzare un tubo di acciaio inossidabile di 2 mm di diametro esterno di perforare fori passanti allineati ai modelli circolari sui PDMS.
  7. Trattare le superfici delle PDMS e un vetrino con plasma di ossigeno a 60 W per 30 secondi. Fissare le PDMS al vetrino. Le superfici ossidate di due materiali creano un forte legame. Posizionare la struttura PDMS incollata su una piastra calda per 5 minuti a 120 ° C.
  8. Inserire i tubi in Teflon nei fori per il collegamento fluidica.

2. Setup sperimentale

  1. Costruire il sistema schlieren microscala da un Hoffmamodulazione n microscopio a contrasto rimuovendo la piastra fessurata nel piano focale frontale del condensatore e sostituendo il modulatore con un coltello nel piano focale posteriore dell'obiettivo 5X 3. La profondità di correlazione, che dipende dalla apertura numerica dell'obiettivo 17-19, dovrebbe essere sufficiente a coprire l'intera profondità del dispositivo microfluidico. La superficie del bordo della lama è annerito da ossido di alluminio anodico per ridurre la sua riflettività.
  2. Montare la telecamera ad alta velocità per il tubo trinoculare del microscopio tramite un adattatore C-mount. Avere la camera il percorso ottico del microscopio attraverso un divisore di fascio. Collegare la fotocamera a un computer desktop tramite un cavo Ethernet. Impostare la correzione gamma per 1 per la telecamera in modo che la sua lettura in scala di grigi è proporzionale alla luminanza input.
  3. Accendere la fonte di luce. Al fine di evitare un eccesso di calore, utilizzare LED (light emitting diode) di illuminazione.
  4. Utilizzare un software di elaborazione delle immagini (ad esempio, </ Em> funzione imread in MATLAB) per ottenere i valori in scala di grigi di un'immagine acquisita. Rimuovere il bordo della lama, regolare l'illuminazione, l'apertura e il tempo di esposizione in modo che la lettura media scala di grigio dell'immagine è di circa 10% in meno rispetto al valore massimo. Questo indica l'intensità di fondo per un cutoff 0% e si usa un valore di 230 per un'immagine a 8 bit.
  5. Inserire il filo del rasoio per bloccare completamente la luce incidente. Registrare la lettura media scala di grigi dell'immagine. Questo indica l'intensità di fondo per un cutoff 100% e il valore è di circa 15 per un'immagine a 8 bit.
  6. Regolare la posizione del bordo della lama in modo che la lettura media scala di grigio dell'immagine acquisita si trova nel mezzo dei valori per 0% e 100% di taglio. Ora il grado di cutoff è impostato al 50%.
  7. Preparare due fluidi trasparenti con noti indici di rifrazione 21 che sono completamente miscibili tra di loro costituenti. Per valutare la dipendenza della ind rifrazioneex sulla concentrazione della miscela, controllare la documentazione 21 o utilizzare l'equazione di Gladstone-Dale 22. Se la curva è lineare sull'intera gamma, raccogliere altri componenti del fluido. Quindi, scegliere una composizione designato sotto del quale l'indice di rifrazione della soluzione varia linearmente con la concentrazione. Ad esempio, utilizzare diluire etanolo acquoso con una frazione di massa di 0,05 e acqua come i fluidi di lavoro.
  8. Mettere la T-microcanali sul palco campione. Disporre il T-microcanali modo con il canale confluenti parallela al bordo della lama (Figura 1).
  9. Preparare due siringhe identici: Una siringa è riempita con il fluido di lavoro che funge da fluido di riferimento (acqua), e la siringa B è riempito con l'altro fluido di lavoro (diluito etanolo acquoso). La dimensione della siringa dipende dalla desiderata portata Q e la specificazione della pompa a siringa: Q = πd 2 V / 4, dove d è il diametro interno del syringe e V è la velocità del pistone. Pulsazione di flusso solito può essere evitato scegliendo una piccola siringa per aumentare V 23.
  10. Raccogliere il liquido all'uscita dalla T-microcanale in un becher. Assicurarsi che il tubo di uscita Teflon è fissato alla parete del recipiente e la sua estremità è sotto il livello del liquido nel becher così da evitare vibrazioni che deriverebbe dalla gocciolina di troncaggio.

3. Calibrazione

  1. Acquisire le immagini dei due fluidi di miscelazione e le immagini di riferimento.
    1. Ad un dato numero di Reynolds Re, impostare la portata delle pompe a siringa, Q. Q è calcolata da Q = μ (W + D) Re / 4ρ, dove μ e ρ sono la viscosità e la densità del fluido di lavoro, e W e D sono la larghezza e la profondità del canale confluenza del T-microcanali, rispettivamente.
    2. Caricare una pompa con siringa A e l'altra pompa con syringe B. Collegare le due insenature della T-microcanali per siringa A e B siringa via tubo in Teflon. Avviare le pompe siringa per consegnare i fluidi di lavoro nel T-microcanali alle portate di volume identico.
    3. Attendere flusso costante fissa. La condizione di flusso costante è definita dalla comparsa di un pattern schlieren stazionaria.
    4. Utilizzare il software telecamera controllata per registrare venti fotogrammi di miscelazione fluidica ad un frame rate di 30 fps.
    5. Arrestare la pompa che viene caricato con siringa B. pompare il fluido di riferimento (acqua) solo attraverso un ingresso nel canale confluenza del T-microcanali a velocità costante.
    6. Attendere fino a raggiungere condizioni di flusso costante e nessun modello schlieren si osserva.
    7. Utilizzare il software della fotocamera controllato per acquisire l'immagine di riferimento, in assenza di disomogeneità ottica è presente nel T-microcanali. Registra venti fotogrammi un frame rate di 30 fps.
    8. Ripetere 3.1.1 a 3.1.7 in numero diverso di Reynolds: Re = 1, 5, 10, 20 e 50 in modo che nessuna struttura complessa flusso emerge nella regione confluenza del T-24 microcanali.
  2. Utilizzare un software di elaborazione delle immagini per dividere l'immagine acquisita I (i, j) con l'immagine di riferimento I 0 (i, j) 25, dove i e j sono gli indici di pixel.
  3. Impiegare un CFD (Computational Fluid Dynamics) pacchetto per simulare la miscelazione dei fluidi designato nel T-microcanali.
    1. Costruire il modello tridimensionale per la geometria del T-microcanali. Discretizzare il dominio di flusso nelle reti strutturate. Per aumentare la precisione, impiegare maglia più fine in confluenza e la regione centrale del T-microcanali.
    2. Assegnare le proprietà fisiche dei fluidi e stabilire le condizioni al contorno per il dominio di flusso. Durante il processo di soluzione, determinare il coefficiente di diffusione concentrazione-dipendente dalla concentrazione ottenuta nell'ultimoiterazione 26 per aggiornare la concentrazione locale.
    3. Esaminare le sensibilità dei risultati calcolati effettuando lo studio griglia 27.
  4. Per ogni nodo (x i, y i) sulla -plane xy, impiegano lo strumento di post-elaborazione CFD prendere i valori medi del campo di concentrazione attraverso la profondità del canale dalla regola trapezoidale: 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, dove D è la profondità del canale. Utilizzare lo schema di differenziazione centrale per calcolare la derivativo di concentrazione rispetto alla direzione trasversale flusso: (∂ w / ∂ y) i, j = [w (x i, y j +1) - w (x i, y j -1)] / (y j +1 - y j -1).
  5. Per entrambi gradienti positivi e negativi, estrarre il rapporto tra i valori di grigio I / I 0 (ottenuto in 3.2) e il gradiente della frazione di massa ∂ w / ∂ y (ottenuto in 3.4) nelle posizioni specificate come y = 0 (centerline, streamwise direzione) o vari dato x (cross-flusso direzione).
  6. Tracciare i risultati e determinare la relazione tra I / I 0 e ∂ w / ∂ y, I / I 0 1 ∂ w / ∂ y + C 2 (C 1 e C 2 sono costanti), con la regressione lineare.

4. quantificazione

  1. Ripetere i passaggi 3,1-3,2 per la miscelazione nel dispositivo di microfluidica di destinazione. La profondità del dispositivo microfluidico destinazione deve essere identica o simile a quella del T-microcanali. Se si prevede un fenomeno instabile, acquisire un video clip (sequenza di immagini) al punto 3.1.4, invece. Il frame rate dovrebbe essere sufficiente per risolvere la dinamica del flusso transitorio chiaramente alta, mentre il tempo di esposizione deve essere identico al valore utilizzato in 2.4, 2.5, 3.1.4 e 3.1.7.
  2. Utilizzare il rapporto ottenuto nel passaggio 3.6 per convertire il rapporto tra i valori di grigio al gradiente della frazione di massa nel dispositivo microfluidico destinazione.

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Representative Results

/ I 0 con il numero di Reynolds diverso per entrambi gradienti positivi e negativi della frazione di massa viene mostrato il rapporto I scala di grigi (figura 2) con una banda simmetrica che appare nel centro del T-microcanali. A basso numero di Reynolds, la coda del nastro schlieren viene espanso e offuscata dovuta alla dispersione attraverso l'interfaccia di miscelazione. Poiché il numero di Reynolds aumenta, la lunghezza di diffusione accorcia portando ad una banda stretta. Alle diverse posizioni a valle, le variazioni della differenza di intensità ΔI / I 0 lungo la direzione trasversale flusso sono descritti quantitativamente (Figura 3). I risultati del processo di calibrazione vengono rappresentati (Figura 4A e 4B). Il rapporto tra I / I 0 e ∂ w / ∂ y è lineare e indipendente dal num Reynoldsber. Dall'analisi di regressione, I / I 0 = -110 ∂ w / ∂ y + 1.03 ∂ w / ∂ y> 0 e I / I 0 = -160 ∂ w / ∂ y + 0.83 per ∂ w / ∂ y <0 , ∂ w / ∂ y è in micron -1. Le incertezze relative sono ± 3,8% e ± 3,2% in Figura 4A e 4B, rispettivamente. Il limite di rilevamento è raggiunto quando i punti di dati livellano. Si osserva che la deviazione pendici dei gradienti positivi e negativi non è raro 3. Usando queste equazioni, la variazione di pendenza frazione di massa con il tempo in un oscillatore microfluidico 4 è visibile (Figura 5). L'interfaccia di miscelazione è deviato nella regione della cavità e flusso instabilità commences. Questa cifra video rivela chiaramente la natura oscillante del flusso nella oscillatore microfluidica e dimostra la capacità della tecnica schlieren microscala per catturare l'intero campo di gradiente di concentrazione-tempo risolto in un dispositivo microfluidico.

Figura 1
Figura 1. Schema della configurazione ottica. L'orientamento del bordo della lama produce una banda scura con una pendenza positiva di indice di rifrazione. La luce devia verso la direzione di aumentare l'indice di rifrazione. Poiché la lente obiettivo inverte l'immagine, bloccando il - regione y scherma la luce distorta e produce una banda scura.

Figura 2
Figura 2. Rapporto di letture in scala di grigi per la miscelazione nel T-microcanali unde r configurazione del flusso diverso. Positivo e gradienti negativi risulteranno in bande scure e luminose, rispettivamente. Poiché il numero di Reynolds aumenta, la banda diventa più concentrato.

Figura 3
Figura 3. La variazione della variazione dell'intensità lungo la direzione trasversale stream per gradienti sia positivi che negativi. Re = 1 e Re = 5.

Figura 4
Figura 4. Relazione tra il gradiente della frazione di massa e il rapporto in scala di grigi. Per gradienti sia positivi sia negativi, rapporto di scala di grigi varia linearmente con il gradiente frazione di massa.

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Figura 5 (Video Figura). Evoluzione del gradiente frazione di massa in un oscillatore microfluidica a Re = 250. La caratteristica di miscelazione attraverso il flusso di oscillazione viene catturato con successo con la tecnica schlieren microscala.

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Discussion

Per miscelazione fluidico in un dispositivo microfluidico, la tecnica schlieren microscala è in grado di misurare la grandezza di gradiente di concentrazione attraverso la quantificazione variazione dell'intensità della luce. Poiché il principio di questa tecnica si basa sulla rilevazione l'alternanza di propagazione della luce, i fluidi di lavoro e il dispositivo microfluidico devono essere trasparenti alla luce incidente. Inoltre, il protocollo richiede una relazione lineare tra l'indice di rifrazione della soluzione e la composizione in modo che la valutazione preliminare dei fluidi di lavoro è essenziale. Oltre soluzione etanolo acquoso dimostrato qui, microscala tecnica schlieren viene applicata con successo per misurare la salinità gradiente 29 e convezione solutocapillary 30. Per misurazioni accurate, gamma apertura, livello di illuminazione, tempo di esposizione, lente obiettivo e profondità microcanali utilizzati nella procedura di calibrazione devono essere identici a quelli utilizzati nella procedura di quantificazione. Inoltre, la profondità di correlazione della lente obiettivo deve essere sufficientemente grande da coprire l'intera profondità del dispositivo microfluidico.

Il processo di calibrazione della miscelazione nel T-microcanali è la fase più critica nella quantificazione accurata della tecnica schlieren microscala. Per attuare con successo il metodo proposto, gli utenti hanno bisogno per allineare il collegamento tubo correttamente, sfruttare una piccola siringa o pneumatica per la consegna del fluido per evitare il flusso di oscillazione 23, utilizzare una sorgente luminosa a LED per ridurre il calore in eccesso, condurre la procedura di calibrazione a bassi numeri di Reynolds 24, e posizionare il dispositivo a microfluidi a fuoco per eliminare ordine superiore effetti ottici 31. Il gradiente minimo misurabile (pattern luminoso, ∂ w / ∂ y <0) è legata alla gamma dinamica della telecamera, mentre il massimo gradiente misurabile (motivo scuro, ∂ w / ∂ y> 0) viene raggiunto quando la punta della lama blocca completamente la luce deviato. Per rilevare una vasta gamma di gradiente di concentrazione, un alto valore ISO è vantaggioso finché sottoesposizione o sovraesposizione non si verifica. Il limite di rilevamento, sotto il quale il sistema Schlieren micro è in grado di discernere, dipende dal cambiamento minima intensità che la fotocamera è in grado di risolvere. La variazione minima intensità è vincolato dal grado di rumore e dei livelli di gradazione tonale. Quindi, una fotocamera ad alta sensibilità con grande profondità di pixel è desiderato per applicazioni a basso segnale.

Il significato di microscala tecnica schlieren è due pieghe; da un lato, consente misurazioni instabili pieno campo in tempo reale con una configurazione ottica semplice. D'altra parte, è non invasiva in modo che nessuna sostanza estranea viene introdotta disturbare il campo di moto. Poiché la tecnica micro-Schlieren produce proiezione bidimensionale della disomogeneità tridimensionale in microfibradispositivo luidic, fenomeno miscelazione complesso che rimane velato da metodi esistenti può essere visto chiaramente. Le future applicazioni di questa tecnica sono quantificare gradienti di concentrazione durante un processo elettrochimico o determinare gradiente di nutrienti per studiare chemiotassi microbica in un ambiente di flusso micro.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dal Ministero della Scienza e della Tecnologia di Taiwan sotto Concessione Numero 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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