Analyse Inhomogénéité mélange dans un dispositif microfluidique par Microscale Schlieren Technique

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

Dans cet article, nous introduisons l'utilisation de la technique de micro-schlieren pour mesurer le mélange inhomogénéité dans un dispositif microfluidique. Le système schlieren microscopique est construit à partir d'un Hoffman contraste de modulation microscope, qui offre un accès facile à l'arrière plan focal de l'objectif, en retirant la plaque à fente et le remplacement du modulateur avec un couteau. Le principe de fonctionnement de la technique strioscopique microscopique repose sur la détection de déviation de la lumière provoquée par une variation d'indice de réfraction ^{de 1 à 3.} La lumière déviée soit échappe ou est obstrué par le couteau pour produire un brillant ou une bande sombre, respectivement. Si l'indice de réfraction du mélange varie linéairement avec la composition, la variation locale de l'intensité lumineuse dans le plan d'image est proportionnelle au gradient de concentration normale à l'axe optique. L'image de la micro-schlieren donne une projection en deux dimensions de la lumière produite par inhomogénéité perturbé tridimensionnel.

Pour réaliser une analyse quantitative, on décrit une procédure d'étalonnage qui mélange deux fluides dans un microcanal-T. Nous réalisons une simulation numérique pour obtenir le gradient de concentration dans le T-microcanaux qui est étroitement corrélée avec l'image de micro-schlieren correspondante. Par comparaison, une relation entre les lectures d'échelle de gris de l'image de la micro-Schlieren et les gradients de concentration présentées dans un dispositif microfluidique est établie. En utilisant cette relation, nous sommes en mesure d'analyser l'hétérogénéité de mélange de l'image de micro-Schlieren associé et de démontrer la capacité de la technique de schlieren microscopique avec des mesures dans un oscillateur microfluidique ^4. Pour les fluides optiquement transparents, technique schlieren microscopique est un outil de diagnostic attrayant pour fournir de l'information instantanée plein champ qui conserve les caractéristiques tridimensionnelles du processus de mélange.

Introduction

Mélange de fluides est une question importante qui se trouve dans de nombreux processus industriels et les systèmes biologiques. Avec l'émergence de la microfluidique, mélange dans microscopique a apporté beaucoup d'attention en raison de son défi dans la domination de diffusion parmi les mécanismes de transport de masse. Depuis la conception d'une validation quantitative Micromélangeur efficace requise, plusieurs méthodes de mesure ont été développés ^5-7. Néanmoins, la structure en trois dimensions, on trouve couramment dans micromélangeurs efficaces ^5, exige une représentation plus précise du champ de concentration que les techniques courantes de mesure ne parviennent pas à délivrer. En raison de la limite d'angle de vision ⁸ ou cinétique de réaction ^6, les méthodes mentionnées ci-dessus peuvent produire des résultats trompeurs qui ne représentent pas correctement pour l'homogénéité du mélange.

Pour les fluides optiquement transparents mélange dans optiquement transparents microstructures, micro-technique schlieren ^3,9-14 </sup> fournit une alternative intéressante à analyser le mélange inhomogénéité. Dans le passé, la technique schlieren microscopique a été principalement utilisé pour visualiser les écoulements compressibles ^{9-13, 15} ou phase de gradient ^16. Microscale technique schlieren bénéficie à la fois une mise en page simple et optique haute sensibilité et permet non seulement l'enquête non-invasive de fonctionnalité de flux spécifique qui provoque une perturbation optique, mais est bien adapté pour une utilisation dans l'évaluation de mélange. Dans cet article, nous construisons le système schlieren microscopique en insérant un couteau dans le plan focal arrière de l'objectif d'un microscope, décrire une procédure d'étalonnage pour réaliser l'analyse quantitative, et de signaler une mesure de validation dans un oscillateur microfluidique ^4. Pour mettre en œuvre les mesures, les fluides de travail sont correctement choisies de manière que l'indice de réfraction des fluides mélangés varie linéairement avec la composition et l'épaisseur du dispositif microfluidique cible est identique à la sure lors de l'étalonnage. En outre la concentration de l'espèce, de la technique strioscopique microscopique peut être étendue à mesurer la pente de l'autre quantité scalaire qui est linéairement corrélée à l'indice de réfraction, tels que la température ou la salinité.

Protocol

1. La fabrication de dispositif microfluidique Utilisez un logiciel de mise en page graphique (par exemple, AutoCAD) pour dessiner le contour d'un T-microcanaux. Pour la T-microcanal, les deux canaux d'alimentation sont de 90 um de large et 2500 um de long, et le canal de confluence est de 180 um de large et 3000 um de long. Connectez l'autre extrémité de chaque canal à un cercle individuel avec un diamètre de 1,100 um. Mark «claire» et «sombre» pour l'exposition et …

Representative Results

Le rapport en niveaux de gris I / 0 nombre de Reynolds sous différents pour les deux gradients positifs et négatifs de la fraction de masse est représenté (Figure 2) avec une bande symétriques apparaissant dans le milieu de la T-microcanaux. A faible nombre de Reynolds, la queue de la bande schlieren agrandi et floue en raison de la dispersion à travers l'interface de mélange. Comme le nombre de Reynolds augmente, la longueur de diffusion raccourcit menant à une bande plu…

Discussion

Pour un mélange fluide dans un dispositif microfluidique, la technique schlieren microscopique est capable de mesurer l'ampleur du gradient de concentration à travers la quantification du changement de l'intensité lumineuse. Étant donné que le principe de cette technique repose sur la détection de l'alternance de propagation de la lumière, les fluides de travail et le dispositif microfluidique doivent être transparentes à la lumière incidente. En outre, le protocole nécessite une relation linéair…

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