Анализируя смешивания неоднородности в микрожидкостных устройств по Микромасштабные шлирен техники
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
В этой статье мы представляем использование микромасштабной техники теневого для измерения смешивания неоднородность в микрожидком устройства. Микромасштабная теневого система построена из Хоффман контрастного микроскопа модуляции, что обеспечивает легкий доступ к задней фокальной плоскости объектива, удалив прорезь пластины и замена модулятор с ножа. Принцип работы микромасштабной теневого метода зависит от обнаружения отклонения света, вызванное изменением показателя преломления 1-3. Отклоненный свет либо убегает или препятствуют ножа для получения ярких или темную полосу, соответственно. Если показатель преломления смеси изменяется линейно с составом, локальное изменение интенсивности света в плоскости изображения пропорциональна градиенту концентрации, перпендикулярном к оптической оси. Микро-шлирен изображение дает двумерную проекцию возмущенного света, генерируемого трехмерной неоднородности.
Для достижения количественного анализа, мы описываем процедуру калибровки, которая смешивает две жидкости в T-микроканале. Мы осуществляем численное моделирование для получения градиента концентрации в Т-микроканале, что тесно коррелирует с соответствующим микро-теневого изображения. Для сравнения, отношения между оттенками серого показаний в микро-теневого изображения и концентрационных градиентов, представленных в микрожидком устройства устанавливается. Используя эту связь, мы можем проанализировать смешивания неоднородность от ассоциированного микро-теневого изображения и продемонстрировать способность микромасштабной техники теневого с измерениями в микрофлюидного генератора 4. Для оптически прозрачных жидкостей, микромасштабная теневого техника привлекательным диагностическим инструментом, предоставляющим мгновенный информацию полного поля, сохраняет трехмерные черты процесса смешивания.
Introduction
Жидкость смешивания важный вопрос, который встречается во многих промышленных процессов и биологических систем. С появлением микрофлюидики, смешивая в микроуровне принес много внимания из-за его вызов в диффузионной господства среди механизмов массопереноса. С проектировании требуется эффективная micromixer количественный проверки несколько методов измерения были разработаны 5-7. Тем не менее, трехмерная структура, обычно встречаются в эффективных micromixers 5, требует более точное представление о поле концентрации, что общие методы измерения не могут доставить. Из-за предела угол обзора 8 или кинетики реакции 6, вышеупомянутые методы могут привести к неверным результатам, которые не правильно учитывающие однородности смеси.
Для оптически прозрачных жидкостей смешивания в оптически прозрачных микроструктур, микромасштабной теневого метода 3,9-14 </SUP> предоставляет привлекательную альтернативу для анализа смешивания неоднородность. В прошлом микромасштабная шлирен метод был в основном используется для визуализации сжимаемой жидкости 9-13, 15 или градиент фазы 16. Микромасштабные теневые техника выгоды от обоих простой оптической схемы и высокой чувствительностью и позволяет не только неинвазивный расследование конкретной функции потока, который вызывает нарушение оптического но хорошо подходит для использования в оценке перемешивание. В этой статье мы строим микроуровне теневого системы путем введения ножа в задней фокальной плоскости объектива микроскопа, опишите процедуру калибровки, чтобы понять количественный анализ, и сообщить измерения проверки в микрожидком генератора 4. Для реализации измерений, рабочих жидкостей правильно подобраны так, чтобы показатель преломления смешанных жидкостей линейно изменяется с составом, а толщина целевой микрожидком устройства идентичен нае используется в калибровке. Кроме концентрации видов, микромасштабная шлирен метод может быть расширен, чтобы измерить градиент другой скалярной величиной, линейно коррелировали с показателем преломления, например, температуры или солености.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для струйного перемешивания в микрожидком устройства, микромасштабная теневого техника позволяет измерять величину градиента концентрации через количественного изменения в интенсивности света. Потому что принцип этой методики основан на обнаружении чередование распространения с?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Министерством науки и технологий Тайваня под номером Грант 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 |
References
- Merzkirch, W. . Flow Visualization. , (1974).
- Settles, G. S. . Schlieren and Shadowgraph Techniques. , (2001).
- Sun, C. -. l., Hsiao, T. -. h. Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique. Microfluidics and Nanofluidics. 15 (2), 253-265 (2013).
- Sun, C. -. l., Sun, C. -. Y. Effective mixing in a microfluidic oscillator using an impinging jet on a concave surface. Microsystem Technologies. , (2011).
- Strook, A. D. Chaotic mixer for microchannels. Science. 295 (5555), 647-651 (2002).
- Wheat, P. M., Posner, J. D. Quantifying mixing using equilibrium reactions. Physics of Fluids. 21 (3), 037101 (2009).
- Liu, R. H. Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel. Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 190-197 (2000).
- Munson, M. S., Yager, P. Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic mixer. Analytica Chimica Acta. 507 (1), 63-71 (2004).
- Bradfield, W. S., Sheppard, J. J. Microschlieren-a technique for the study of details in compressible flow. Aero/Space Engineering. 5 (18), 37-56 (1959).
- Scroggs, S. D., Settles, G. S. An experimental study of supersonic microjets. Experiments in Fluids. 21, 401-409 (1996).
- Phalnikar, K. A., Alvi, F. S., Shih, C. . 31st AIAA Fluid Dynamics Conference & Exhibit. , (2001).
- Phalnikar, K. A., Kumar, R., Alvi, F. S. Experiments on free and impinging supersonic microjets. Experiments in Fluids. 44 (5), 819-830 (2008).
- Naughton, J. W., Bishop, D. S., Walrath, D. E., Lindberg, W. R. Micro-schlieren characterization of a high momentum micro-fluidic actuator. , (2002).
- Chen, H. -. M., Wu, H. -. W., Lee, J. -. N., Ting, C. -. C. . 23th National Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineers. , (2006).
- Davidson, G. P., Emmony, D. C. A schlieren probe method for the measurement of the refractive index profile of a shock wave in a fluid. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 13, 92-97 (1980).
- Xie, H. Schlieren confocal microscopy for phase-relief imaging. Optics Letters. 39, 1238-1241 (2014).
- Inoué, S., Spring, K. R. . Video Microscopy: The Fundamentals. , (1997).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. H. B. Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 11 (6), 809-814 (2000).
- Olsen, M. G., Adrian, R. J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 29 (1), S166-S174 (2000).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4 (2), 026502 (2010).
- Wohlfarth, C., Lechner, M. D. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Optical Constants: Refractive Indices of Pure Liquids and Binary Liquid Mixtures (Supplement to III/38). 47, (2008).
- Heller, W. Remarks on refractive index mixture roles. Journal of Physical Chemistry. 69 (4), 1123-1129 (1965).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
- Dreher, S., Engler, M., Kockmann, N., Woias, P., Bockhorn, H., Mewes, D., Peukert, W., Warnecke, H. .. -. J. Theoretical and experimental investigations of convective micromixers and microreactors for chemical reactions. Micro and Macro Mixing: Analysis, Simulation and Numerical Calculation. , (2010).
- Huang, C. Y., Gregory, J. W., Sullivan, J. P. A Modified schlieren technique for micro flow visualization. Measurement Science & Technology. 18 (5), N32-N34 (2007).
- Tyn, M. T., Calus, W. F. Temperature and concentration dependence of mutual diffusion coefficients of some binary liquid systems. Journal of Chemicaland Engineering Data. 20 (3), 310-316 (1975).
- Celik, I. B. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering. 130 (7), 078001 (2008).
- Tasić, A. &. #. 3. 8. 1. ;., Djordjević, B. D., Grozdanić, D. K., Radojković, N. Use of mixing rules in predicting refractive indices and specific refractivities for some binary liquid mixtures. Journal of Chemical and Engineering Data. 37 (3), 310-313 (1992).
- Hsiao, P. -. J., Chen, S. -. T., Hsiao, T. -. H., Sun, C. -. l. A comparison of coarse-resolution numerical simulation with experimental measurements of wind turbine aerodynamic performance. , (2013).
- Sun, C. -. l., Huang, C. -. Y. Microscale schlieren visualization of near-bubble mass transport during boiling of 2-propanol/water mixtures in a square capillary. Experiments in Fluids. 55 (7), 1778 (2014).
- Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. . Schlieren and Shadowgraph Methods in Heat and Mass Transfer. , (2012).
