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生物工程

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

Published: June 12, 2015
doi:
10.3791/52915
,
1Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University, 2Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University of Science and Technology

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

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 </SUP> 불균일 혼합 분석 할 수있는 매력적인 대안을 제공합니다. 과거에는, 마이크로 슐 리렌 기법은 주로 압축성 유동 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.

Protocol

미세 유체 소자의 제조 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. 마크 '명확한'각각 노출과 적용 분야에 대한 '어둠'. 네거티브…

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 ?…

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 ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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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References

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Microscale Schlieren TechniqueMicrofluidic DeviceMixing InhomogeneityHoffman Modulation Contrast MicroscopeRefractive IndexConcentration GradientT-microchannelMicrofluidic OscillatorFull-field InformationThree-dimensional Mixing Process

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Sun, C., Hsiao, T. 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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