Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale Schlieren
Summary
Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.
Abstract
Neste artigo, apresentamos o uso da técnica schlieren microescala para medir a mistura não homogeneidade em um dispositivo microfluídico. O sistema schlieren microescala é construído a partir de um microscópio de contraste de modulação Hoffman, que proporciona fácil acesso para o plano focal posterior da lente da objectiva, através da remoção da placa de fenda e substituindo o modulador com uma lâmina. O princípio de funcionamento de técnica schlieren microescala assenta na detecção de luz desvio provocado pela variação do índice de refracção 1-3. A luz desviada ou escapa ou está obstruído pela faca de ponta para produzir uma brilhante ou uma faixa escura, respectivamente. Se o índice de refracção da mistura varia de forma linear com a sua composição, a mudança local na intensidade da luz no plano da imagem é proporcional ao gradiente de concentração normal em relação ao eixo óptico. A imagem de micro-schlieren dá uma projecção bidimensional da luz produzida perturbado por falta de homogeneidade tridimensional.
Para realizar a análise quantitativa, é descrito um procedimento de calibração que se mistura dois líquidos em um t-microcanal. Nós realizamos uma simulação numérica para obter o gradiente de concentração na T-microcanais que correlaciona-se estreitamente com a imagem micro-schlieren correspondente. Por comparação, uma relação entre as leituras de escala de cinzentos da imagem micro-schlieren e os gradientes de concentração apresentadas num dispositivo de microfluidos é estabelecida. Usando essa relação, somos capazes de analisar a falta de homogeneidade de mistura imagem micro-schlieren associado de e demonstrar a capacidade técnica de schlieren microescala com medições em um oscilador microfluídico 4. Para fluidos opticamente transparentes, a técnica schlieren microescala é uma ferramenta de diagnóstico atraente para fornecer informação instantânea de campo total que mantém as características tridimensionais do processo de mistura.
Introduction
Mistura de fluido é uma questão importante que se encontra em muitos processos industriais e sistemas biológicos. Com o surgimento de microfluídica, misturando em microescala trouxe muita atenção devido ao seu desafio no domínio da difusão entre os mecanismos de transporte de massa. Desde a concepção de uma validação quantitativa micromisturador efetiva exigida, vários métodos de medição foram desenvolvidos 5-7. No entanto, a estrutura tridimensional, geralmente encontrado em micromisturadores eficientes 5, exige uma representação mais precisa da área de concentração que as técnicas de medição comuns não conseguem fornecer. Devido ao limite do ângulo de visão ou de reacção cinética 8 6, os métodos acima mencionados pode produzir resultados incorrectos que não representam correctamente a homogeneidade da mistura.
Para fluidos opticamente transparentes misturando em microestruturas opticamente transparentes, técnica schlieren microescala 3,9-14 </sup> fornece uma alternativa atraente para analisar a mistura não homogeneidade. No passado, a técnica schlieren microescala tem sido principalmente utilizada para visualizar o fluxo compressível 9-13, 15 ou 16 gradiente de fase. Microscópicos benefícios técnica schlieren de ambos uma disposição óptica simples e alta sensibilidade e permite não só a investigação não-invasiva de fluxo característica específica que causa distúrbio óptico, mas é adequado para utilização na avaliação da mistura. Neste trabalho, construímos o sistema schlieren microescala, inserindo uma faca de ponta no plano focal de trás da objetiva de um microscópio, descrevem um procedimento de calibração para realizar análise quantitativa, e relatar uma medida de validação em um oscilador microfluídico 4. Para implementar as medições, os fluidos de trabalho são adequadamente seleccionados de modo a que o índice de refracção dos fluidos misturados varia linearmente com a composição, e a espessura do dispositivo de microfluidos alvo é idêntico ao deE utilizada na calibração. Além concentração de espécies, técnica schlieren microescala pode ser estendido para medir o gradiente de outra quantidade escalar que está linearmente correlacionada com o índice de refracção, tal como a temperatura ou a salinidade.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para uma mistura de fluidos em um dispositivo de microfluidos, a técnica schlieren microescala é capaz de medir a magnitude do gradiente de concentração através de quantificar as alterações na intensidade da luz. Uma vez que o princípio desta técnica baseia-se na detecção da alternância de propagação da luz, os fluidos de trabalho e o dispositivo de microfluidos tem que ser transparente para a luz incidente. Além disso, o protocolo requer uma relação linear entre o índice de refracção da solução e …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pelo Ministério de Ciência e Tecnologia de Taiwan sob Grant Número 101-2221-E-002-064-MY3.
Materials
| 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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