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

미세 유체 소자의 제조 1 <ol><li> 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. </li><li> 마크 &#39;명확한&#39;각각 노출과 적용 분야에 대한 &#39;어둠&#39;. 네거티브 포토 레지스트의 경우 (예를 들면, SU-8), T-마이크로 채널의 형상은 &#39;클리어&#39;이고, 주변은 &#39;어두운.&#39; </li><li> 크롬 - 온 - 유리 포토 마스크 상에 T-의 미세 패턴을 전사하는 442 nm의 파장 및 2 ㎛의 최소 피처 크기와 레이저 패턴 생성기를 사용한다. </li><li> 포토 마스크 기판 (예를 들면, 단면 연마 실리콘 웨이퍼) 및 영구 에폭시를 사용하여 포토 레지스트 (예를 들어., SU-8)는 표준 리소그래피 공정을 통해 주형을 만드는. 포토 레지스트 층은 55.2 μm의 두께이다. 일반적으로, 포토 레지스트의 두께는 대물 렌즈 17-19의 상관 관계의 깊이보다 얇은 것으로한다. </li><li> T-마이크로 채널 (20)을 제조하는 금형 등의 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)와 같은 투명 재료를 사용한다. </li><li> 유체 연결의 펀치 외경 2mm의 스테인레스 스틸 튜브를 이용하여 구멍 PDMS에 원형 패턴으로 정렬. </li><li> PDMS, 30 초, 60 W 산소 플라즈마로 유리 슬라이드의 표면 치료. 유리 슬라이드에 PDMS를 연결합니다. 두 물질의 산화 된 표면은 강한 결합을 만들 수 있습니다. 120 ℃에서 5 분 동안 핫 플레이트 상에 결합 된 구조를 PDMS 놓는다. </li><li> 유체 연결에 대한 펀치 구멍에 테프론 튜브를 삽입합니다. </li></ol> 2. 실험 설정 <ol><li> Hoffma에서 마이크로 슐 리렌 시스템을 구축응축기의 정면 초점면에 슬릿 판을 제거하고, 5 배 대물 렌즈 (3)의 후면 초점면에서 나이프 - 에지 변조기 대체하여 N 개의 변조 현미경. 대물 17-19의 개구 수에 따라 상관의 깊이는, 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분해야한다. 칼날의 표면 반사율을 감소시키기 위해 양극 산화 알루미늄에 의해 흑화된다. </li><li> C-장착 어댑터를 통해 현미경 안 경통에 고속 카메라를 탑재. 카메라는 빔 스플리터를 통해 현미경의 광로에 직면하게한다. 이더넷 케이블을 통해 데스크톱 컴퓨터에 카메라를 연결합니다. 그 계조가 판독 입력 휘도에 비례하도록 카메라 (1)에 감마 보정을 설정한다. </li><li> 광원의 전원을 켭니다. 과량의 열을 방지하기 위해, LED (발광 다이오드) 조명을 사용한다. </li><li> 예를 들어, &lt;(이미지 처리 소프트웨어를 사용하여/ 엠&gt;에 MATLAB 함수 imread)은 취득 된 화상의 계조 값을 얻었다. 나이프 에지를 제거 화상의 평균 계조 리드가 최대 값보다 약 10 % 이하가되도록 조명, 조리개와 노출 시간을 조정한다. 이는 0 % 차단 용 배경 강도를 나타내고, 우리는 8 비트 이미지 (230)의 값을 사용한다. </li><li> 완전히 입사광을 차단하기 위해 칼날을 넣습니다. 이미지의 평균 그레이 스케일 판독을 기록합니다. 이것은 100 % 차단을위한 배경 강도를 나타내고, 그 값은 약 15, 8 비트 화상에 대한 것이다. </li><li> 나이프 에지의 위치를​​ 조절하도록 상기 취득 된 화상의 평균 그레이 스케일 판독 값은 0 % 및 100 %에 대한 컷오프 값의 중간에 놓여있다. 지금 절단의 정도는 50 %로 설정된다. </li><li> 성분으로 서로 완전히 혼화 알려진 굴절률 (21)와 두 개의 투명한 액체를 준비합니다. 굴절 공업의 의존도를 평가하기혼합물의 농도에 대한 예는 문헌 (21)를 확인하거나 글래드스톤 - 데일 식 (22)를 사용합니다. 곡선이 전체 범위에 걸쳐 비선형 인 경우, 다른 유체 부품을 선택한다. 이어서, 용액의 굴절률 농도 변화하는 직선 아래에 지정된 조성물을 선택한다. 예를 들어, 작동 유체로서 0.05 질량 분율의 물로 희석 수성 에탄올을 사용한다. </li><li> 시편 무대에서 T-마이크로 넣습니다. 칼날에 합류 채널 병렬 너무 (그림 1) T - 마이크로 정렬. </li><li> 주사기는 기준 유체 (물)의 역할을 작동 유체로 충전되고, 주사기 B가 다른 작동 유체 (에탄올 희석)로 채워진다 : 두 개의 동일한 주사기를 준비한다. 주사기의 크기는 원하는 유량 Q와 주사기 펌프의 사양에 의존한다 : Q = D πd는 SYR의 내경은 2 V / 4인게 및 V는 플런저의 속도이다. 유량 맥동은 통상 23 V를 증가 작은 주사기를 선택함으로써 방지 될 수있다. </li><li> 비커에 T-마이크로 채널에서 출구 유체를 수집합니다. 확인 테프론 배출관 비커의 벽에 고정되고 그 단부 액적 breakoff 의해 발생 될 진동을 피하기 위해 비커 내의 액체 레벨 이하이다. </li></ol> 3. 교정 <ol><li> 두 유체 혼합과 참조 화상의 화상을 취득. <ol><li> 주어진 레이놀즈 수 (Re)에서, 주사기 펌프의 유량을 설정, Q. Q는 Q = μ (W + D) 재 / 4ρ, μ 및 ρ는 점도 및 작동 유체의 밀도 어디에, 및 W로부터 산출 및 D는 각각 T-마이크로 합류 채널의 폭 및 깊이이다. </li><li> 로드 한 주사기와 펌프와 SY와 다른 펌프ringe 나 연결은 T-마이크로의 두 입구는 테프론 튜브를 통해 주사기 B에 주사기. 동일한 체적 유량으로 T-마이크로 채널로 작동 유체를 전달하기 위해 주사기 펌프를 시작. </li><li> 꾸준한 흐름이 확립 될 때까지 기다립니다. 정상 흐름 조건은 고정 슐 리렌 패턴의 출현에 의해 정의된다. </li><li> 30 fps의 프레임 비율에서의 혼합 유체의 스물 프레임을 기록하는 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다. </li><li> 오직 일정한 속도로 T-마이크로 합류 채널에 하나의 입구를 통해 상기 기준 유체 (물)을 주사기 펌프 B. 탑재되어 펌프를 정지. </li><li> 정상 흐름 상태에 도달 할 때 더 슐 리렌 패턴이 관찰되지 않을 때까지 기다립니다. </li><li> 광학적 불균일성이 T-마이크로 채널에 존재하지 않는 경우에 참조 화상을 취할 카메라 제어 소프트웨어를 사용한다. 30 fps의 프레임 비율에서 스무 프레임을 기록한다. </li><li> 다른 레이놀즈 수에서 3.1.7에 3.1.1를 반복 = 1 다시, 5, 10, 20, 50이되도록 더 복잡한 유동 구조는 T-마이크로 채널 (24)의 합류 영역에 출현하지 않는다. </li></ol></li><li> i 및 j는 픽셀 인덱스이다 참조 화상 I 0 (I, J) (25)에 의해 취득 된 화상 I (I, J)를 분할하는 화상 처리 소프트웨어를 사용한다. </li><li> T - 마이크로에있는 지정된 유체의 혼합을 시뮬레이션하기 위해 CFD (전산 유체 역학) 패키지를 사용한다. <ol><li> T-마이크로 채널의 형상에 대한 입체 모델을 구축. 격자 구조 내로 유동 도메인 이산화. , 정확도를 높일 합류와 T-마이크로의 중심 지역에 미세한 메쉬를 사용합니다. </li><li> 유체의 물성을 할당하고 유동 도메인 경계 조건을 확립한다. 해결 프로세스 중 마지막에서 얻어진 농도에서 농도 의존적​​ 확산 계수를 결정지방의 농도를 업데이트하기 위해 반복 (26). </li><li> 그리드 연구 (27)를 수행하여 계산 된 결과의 민감도를 검사합니다. </li></ol></li><li> 각 노드 (X I, I, Y)의 XY -plane에이 사다리꼴 규칙에 의해 채널 깊이에 걸쳐 농도 필드의 평균값을 취하는 CFD 포스트 - 프로세싱 툴을 채용 : w (X I, Y의 j) = {Σ k를 [W (X I, Y의 J, Z의 k)는 W + (X I는, Y의 J, Z의 K + 1)] ∙ (Z k에 한 - Z의 K) / 2} / D 28, D는 어디 채널 깊이. deriva을 계산하기 위해 중앙 차분 기법을 사용하여교차 흐름 방향에 대한 농도의적인 (∂ w / ∂의 Y) I, J = [(X I, Y j를 +1) w - w (X I, Y의 J-1)] / (Y의 J 한 - Y의 J-1). </li><li> 양 및 음의 기울기 모두를 들어, 그레이 스케일 값 I / I가 0 (3.2에서 얻어진 것) 및 질량 분율의 구배 ∂ w / ∂ Y는 Y = 0 (중심선으로 지정 장소에서 (3.4에서 얻어진 것), 유선의 비율을 추출 방향) 또는 다양한 주어진 X (가교 스트림 방향). </li><li> 결과 플롯과 내가 사이에 / I 0의 관계를 결정하고 ∂ ∂ / Y, I / I 0 승 </su선형 회귀와 / Y ∂ + C 2 (C 1과 C 2는 상수) W B&gt; C = 1 ∂. </li></ol> 4. 정량 <ol><li> 반복 3.1 대상 미세 유체 소자에 혼합 3.2 단계를 반복합니다. 대상 미세 유체 장치의 깊이는 동일하거나 T-마이크로에 가까운해야합니다. 비정상 현상이 예상되는 경우, 단계 3.1.4 대신에 비디오 클립 (이미지의 연속)를 취득. 노출 시간은 2.4, 2.5, 3.1.4 및 3.1.7에서 사용되는 값과 동일해야하는 동안 프레임 레이트가 분명히 과도 유동 역학을 해결하기에 충분히 높아야한다. </li><li> 대상 미세 유체 소자의 질량 분율의 구배 계조 값의 비율을 변환하는 단계에서 얻어진 3.6의 관계를 사용한다. </li></ol>

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저자가 공개하는 게 없다.

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 수용액이 본원에서 입증 이외에도 마이크로 슐 리렌 기술이 성공적 염도 구배 29 solutocapillary 대류 30의 측정에 적용된다. 교정 과정에서 사용되는 정확한 측정, 조리개 범위, 조사 수준, 노출 시간, 대물 렌즈와 마이크로 깊이의 정량 방법에 사용되는 것과 동일 할 필요. 또한, 대물 렌즈의 상관 관계의 깊이는 미세 유동 장치의 전체 깊이를 커버하기에 충분히 커야한다. T-마이크로 믹싱의 보정 과정은 마이크로 슐 리렌 기술의 정확한 정량 분석​​에서 가장 중요한 단계이다. 제안 된 방법의 성공적인 구현을 위해, 사용자가 흐름 발진 (23)은, 과도한 열을 감소시키기 위해, LED 광원을 사용 피하기 위해 적절히 튜브 연결을 정렬 유체 전달을위한 작은 주사기 또는 공압을 이용해야하는 저 레이놀즈 수에서 보정 절차를 수행 (24), 및 고차 광학 효과 (31)을 제거하기 위해 초점 미세 유체 소자를 배치합니다. 최저 측정 구배 Y ∂ / w ∂, 가장 높은 측정 구배 반면 (명암 패턴, 카메라의 동적 범위에 링크 (밝은 패턴, ∂ / Y는 &lt;0 w ∂)&gt; 0)에 도달 할 때 칼날이 완전히 차단 굴절 된 빛을. 농도 구배의 넓은 범위를 검출하기 위해, 높은 ISO 값만큼 노출 부족이나 노출 과다가 발생하지 않는 장점이있다. 마이크로 슐 리렌 시스템이 식별 할 수없는 그 이하 검출 한계는 카메라가 해석 할 수있는 최소한의 강도 변화에 따라 달라집니다. 최소한의 강도 변화는 소음의 정도와 계조 표현의 수준에 의해 제한됩니다. 따라서, 큰 픽셀 깊이 고감도 카메라는 낮은 신호 애플리케이션에 대해 요구되고있다. 마이크로 슐 리렌 기술의 중요성은 두 겹이며; 한편으로는 간단한 광학 구성 실시간 비정상 전체 필드 측정을 가능하게한다. 어떠한 이물질 유동장을 방해하기 위해 도입되지 않도록 한편, 비 침습적이다. 마이크로 슐 리렌 기술은 초 미세의 입체 불균일성의 2 차원 투영을 생성하기 때문에기존의 방법에 의해 가려져 luidic 유지 장치, 복잡한 혼합 현상이 명확하게 알 수있다. 이 기술의 미래 응용 프로그램은 전기 화학적 과정에서 농도 구배를 정량화 또는 마이크로 플로우 환경에서 미생물 화성을 연구하기 위해 영양 기울기를 결정하는 것을 포함.

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&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>Permanent Epoxy Negative Photoresist</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2150</td><td></td></tr><tr><td>single side polished silicon wafer</td><td>Light Technology</td><td>S4W1PP5SABUP1</td><td>p-type, &lt;br /&gt;diameter: 100&amp;plusmn;0.5 mm, thickness: 525&amp;plusmn;25 mm, orientation: (1 0 0)</td></tr><tr><td>syringe pump</td><td>kdScientific</td><td>kds210</td><td></td></tr><tr><td>syringe, &lt;em&gt;i.e.&lt;/em&gt; 10 ml</td><td>Terumo</td><td>SS-10L2138</td><td></td></tr><tr><td>Hoffman modulation contrast microscope</td><td>Leica Microsystems</td><td>DM IL LED</td><td></td></tr><tr><td>5X objective lens</td><td>Leica Microsystems</td><td>N PLAN</td><td>NA = 0.12</td></tr><tr><td>knife-edge</td><td></td><td></td><td>custom made part</td></tr><tr><td>camera, &lt;em&gt;i.e.&lt;/em&gt; high speed</td><td>Integrated Design Tools</td><td>NX7-S1</td><td></td></tr><tr><td>C-mount adapter HC 0.63x</td><td>Leica Microsystems</td><td>541537</td><td></td></tr><tr><td>camera operating software</td><td>Integrated Design Tools</td><td>MotionPro X Studio 2.02.01</td><td></td></tr><tr><td>polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard-184 silicone elastomer kit</td><td></td></tr><tr><td>Teflon tubing, &lt;em&gt;i.e.&lt;/em&gt; O.D. x I.D. 1/16 in. x 0.031 in.</td><td>Supelco</td><td>58700-U</td><td></td></tr><tr><td>micro glass slide</td><td>Matsunami Glass</td><td>S2215</td><td></td></tr><tr><td>hot plate</td><td>Yeong-Shin</td><td>HP-303DN</td><td></td></tr><tr><td>distilled water, &lt;em&gt;i.e.&lt;/em&gt; HPLC grade</td><td>Alps Chemicals</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ethyl alcohol, &lt;em&gt;i.e.&lt;/em&gt; reagent grade</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>EA448652</td><td></td></tr><tr><td>image processing software</td><td>Mathworks</td><td>MATLAB R2009a</td><td></td></tr><tr><td>computational fluid dynamics package</td><td>ESI group</td><td>CFD-ACE+ 2008</td><td></td></tr></tbody></table>

analyzing mixing inhomogeneity in a microfluidic device by microscale schlieren technique

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.

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 변화 ΔI의 변형 / I가 교차 흐름 방향을 따라 0 정량적 (도 3)에 도시되어있다. 보정 과정에서의 결과가 (도 4a 표현 및 (b)). 나는 사이의 관계 / I 0 승 ∂ / ∂ y는 레이놀즈 NUM의 선형 및 독립적BER. 회귀 분석에서, I / I 0 = -110 ∂ W / 대한 Y + 1.03 ∂ ∂ W / ∂ Y&gt; 0 및 I / I 0 = -160 ∂ W / Y ∂ + 0.83를위한 W / ∂ Y &lt;∂ 0 , ∂ ∂ y는 μm의 -1에 / W. 상대 불확실성은 ± 3.8 %이며, 각각도 4a 및도 4b에서 3.2 % ~ ±. 데이터 포인트가 평준화 여기서 검출 한계에 도달한다. 이 플러스, 마이너스의 기울기 경사에 편차가 3 드물지되는 것은 아니다. 이들 방정식을 사용하여, 마이크로 유체 발진기 4 시간 질량 분율 구배의 변동 (도 5)를 볼 수있다. 혼합 인터페이스 공진 영역으로 편향 및 C 불안정성 유동된다ommences. 이 비디오도 명확 미세 발진기 유동의 진동 특성을 계시하고 미세 유체 소자에 시분 전체 필드 농도 구배를 캡처 마이크로 슐 리렌 기법의 능력을 보여준다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52915/52915fig1.jpg" /> 광 설치의 그림 1. 도식. 칼날의 방향은 굴절률의 긍정적 인 그라데이션 어두운 밴드를 생산하고 있습니다. 광은 굴절률을 증가시키는 방향으로 편향시킨다. 대물 렌즈는 이미지를 반전하기 때문에, 블로킹 - 영역 (Y)은 왜곡 된 광을 차폐하고 어두운 밴드를 생성한다. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/52915/52915fig2.jpg" /> 운데 T-마이크로 채널에서 혼합 그레이 스케일 판독 그림 2. 비율<html> . 다른 흐름 구성을 r에 긍정적이고 부정적인 그라데이션은 각각 어둡고 밝은 밴드가 발생. 레이놀즈 수의 증가함에 따라, 밴드는 더 집중하게된다. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/52915/52915fig3.jpg" /> 도 3 포지티브 및 네거티브 모두 그라디언트 교차 흐름 방향 강도 변화의 변화. 리 = 1 및 R6 = 5. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/52915/52915fig4.jpg" /> 그림 질량 분율의 기울기와 그레이 스케일 비율 사이 4. 관계. 긍정과 부정 모두 그라디언트를 들어, 그레이 스케일 비율은 질량 분율 기울기에 따라 선형 적으로 변화한다. 915 / 52915fig5.jpg &quot;/&gt; <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52915/52915fig5.mp4" target="_blank">그림 5 (비디오 그림).</a> 다시 = (250) 흐름의 진동을 통해 혼합 특성에 미세 유체 발진기의 질량 분율 그라데이션의 발전이 성공적으로 마이크로 슐 리렌 기술에 의해 캡처됩니다.

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Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

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.

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

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K 조회수.  National Taiwan University. 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. 

비디오: Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

연구

공학

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

화학

Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays

Miniaturized microfluidic systems provide simple and effective solutions for low-cost point-of-care diagnostics and high-throughput biomedical assays. Robust flow control and precise fluidic volumes are two critical requirements for these applications. We have developed microfluidic chips featuring elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) microvalve arrays that: 1) need no extra energy source to close the fluidic path, hence the loaded device is highly portable; and 2) allow for microfabricating deep (up to 1 mm) channels with vertical sidewalls and resulting in very precise features.

The PDMS microvalves-based devices consist of three layers: a fluidic layer containing fluidic paths and microchambers of various sizes, a control layer containing the microchannels necessary to actuate the fluidic path with microvalves, and a middle thin PDMS membrane that is bound to the control layer. Fluidic layer and control layers are made by replica molding of PDMS from SU-8 photoresist masters, and the thin PDMS membrane is made by spinning PDMS at specified heights. The control layer is bonded to the thin PDMS membrane after oxygen activation of both, and then assembled with the fluidic layer. The microvalves are closed at rest and can be opened by applying negative pressure (e.g., house vacuum). Microvalve closure and opening are automated via solenoid valves controlled by computer software.

Here, we demonstrate two microvalve-based microfluidic chips for two different applications. The first chip allows for storing and mixing precise sub-nanoliter volumes of aqueous solutions at various mixing ratios. The second chip allows for computer-controlled perfusion of microfluidic cell cultures.

The devices are easy to fabricate and simple to control. Due to the biocompatibility of PDMS, these microchips could have broad applications in miniaturized diagnostic assays as well as basic cell biology studies.

We demonstrate protocols for manufacturing and automating elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS)-based microvalve arrays that need no extra energy to close and feature photolithographically defined precise volumes. A parallel subnanoliter-volume mixer and an integrated microfluidic perfusion system are presented.

Microfluidic 칩은 탄성 Microvalve의 배열을 제어

Miniaturized microfluidic systems provide simple and effective solutions for low-cost point-of-care diagnostics and high-throughput biomedical assays.  ...

생물학

Microfluidic Mixers for Studying Protein Folding

The process by which a protein folds into its native conformation is highly relevant to biology and human health yet still poorly understood. One reason for this is that folding takes place over a wide range of timescales, from nanoseconds to seconds or longer, depending on the protein1. Conventional stopped-flow mixers have allowed measurement of folding kinetics starting at about 1 ms. We have recently developed a microfluidic mixer that dilutes denaturant ~100-fold in ~8 &mu;s2. Unlike a stopped-flow mixer, this mixer operates in the laminar flow regime in which turbulence does not occur. The absence of turbulence allows precise numeric simulation of all flows within the mixer with excellent agreement to experiment3-4.
Laminar flow is achieved for Reynolds numbers Re &le;100. For aqueous solutions, this requires micron scale geometries. We use a hard substrate, such as silicon or fused silica, to make channels 5-10 &mu;m wide and 10 &mu;m deep (See Figure 1). The smallest dimensions, at the entrance to the mixing region, are on the order of 1 &mu;m in size. The chip is sealed with a thin glass or fused silica coverslip for optical access. Typical total linear flow rates are ~1 m/s, yielding Re~10, but the protein consumption is only ~0.5 nL/s or 1.8 &mu;L/hr. Protein concentration depends on the detection method: For tryptophan fluorescence the typical concentration is 100 &mu;M (for 1 Trp/protein) and for FRET the typical concentration is ~100 nM.
The folding process is initiated by rapid dilution of denaturant from 6 M to 0.06 M guanidine hydrochloride. The protein in high denaturant flows down a central channel and is met on either side at the mixing region by buffer without denaturant moving ~100 times faster (see Figure 2). This geometry causes rapid constriction of the protein flow into a narrow jet ~100 nm wide. Diffusion of the light denaturant molecules is very rapid, while diffusion of the heavy protein molecules is much slower, diffusing less than 1 &mu;m in 1 ms. The difference in diffusion constant of the denaturant and the protein results in rapid dilution of the denaturant from the protein stream, reducing the effective concentration of the denaturant around the protein. The protein jet flows at a constant rate down the observation channel and fluorescence of the protein during folding can be observed using a scanning confocal microscope5.

In this work we explain the fabrication and use of a microfluidic mixer capable of mixing two solutions in ~8 &mu;s. We also demonstrate the use of these mixers with spectroscopic detection using UV fluorescence and fluorescence resonance energy transfer (FRET).

단백질 접기 유학을위한 Microfluidic 믹서

The process by which a protein folds into its native conformation is highly relevant to biology and human health yet still poorly understood. One reason ...

생체공학

A Microfluidic Device for Studying Multiple Distinct Strains

The study of cell responses to environmental changes poses many experimental challenges: cells need to be imaged under changing conditions, often in a comparative manner. Multiwell plates are routinely used to compare many different strains or cell lines, but allow limited control over the environment dynamics. Microfluidic devices, on the other hand, allow exquisite dynamic control over the surrounding conditions, but it is challenging to image and distinguish more than a few strains in them. Here we describe a method to easily and rapidly manufacture a microfluidic device capable of applying dynamically changing conditions to multiple distinct yeast strains in one channel. The device is designed and manufactured by simple means without the need for soft lithography. It is composed of a Y-shaped flow channel attached to a second layer harboring microwells. The strains are placed in separate microwells, and imaged under the exact same dynamic conditions. We demonstrate the use of the device for measuring protein localization responses to pulses of nutrient changes in different yeast strains.

We present a simple method to produce microfluidic devices capable of applying similar dynamic conditions to multiple distinct strains, without the need for a clean room or soft lithography.

여러 고유 긴장 유학을위한 마이크로 유체 장치

The study of cell responses to environmental changes poses many experimental challenges: cells need to be imaged under changing conditions, often in a ...

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement during previous phase changes and applied shear. To determine the extent of these changes, we have developed a microfluidic device that enables repeated phase transitions induced by exchange of the surrounding fluid and microrheological characterization while limiting shear on the sample. This technique is &#181;2rheology, the combination of microfluidics and microrheology. The microfluidic device is a two-layer design with symmetric inlet streams entering a sample chamber that traps the gel sample in place during fluid exchange. Suction can be applied far away from the sample chamber to pull fluids into the sample chamber. Material rheological properties are characterized using multiple particle tracking microrheology (MPT). In MPT, fluorescent probe particles are embedded into the material and the Brownian motion of the probes is recorded using video microscopy. The movement of the particles is tracked and the mean-squared displacement (MSD) is calculated. The MSD is related to macroscopic rheological properties, using the Generalized Stokes-Einstein Relation. The phase of the material is identified by comparison to the critical relaxation exponent, determined using time-cure superposition. Measurements of a fibrous colloidal gel illustrate the utility of the technique. This gel has a delicate structure that can be irreversibly changed when shear is applied. &#181;2rheology data shows that the material repeatedly equilibrates to the same rheological properties after each phase transition, indicating that phase transitions do not play a role in microstructural changes. To determine the role of shear, samples can be sheared prior to injection into our microfluidic device. &#181;2rheology is a widely applicable technique for the characterization of soft matter enabling the determination of rheological properties of delicate microstructures in a single sample during phase transitions in response to repeated changes in the surrounding environmental conditions.

We demonstrate the fabrication and use of a microfluidic device that enables multiple particle tracking microrheology measurements to study the rheological effects of repeated phase transitions on soft matter.

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement ...

One-Step Approach to Fabricating Polydimethylsiloxane Microfluidic Channels of Different Geometric Sections by Sequential Wet Etching Processes

Polydimethylsiloxane (PDMS) materials are substantially exploited to fabricate microfluidic devices by using soft lithography replica molding techniques. Customized channel layout designs are necessary for specific functions and integrated performance of microfluidic devices in numerous biomedical and chemical applications (e.g., cell culture, biosensing, chemical synthesis, and liquid handling). Owing to the nature of molding approaches using silicon wafers with photoresist layers patterned by photolithography as master molds, the microfluidic channels commonly have regular cross sections of rectangular shapes with identical heights. Typically, channels with multiple heights or different geometric sections are designed to possess particular functions and to perform in various microfluidic applications (e.g., hydrophoresis is used for sorting particles and in continuous flows for separating blood cells6,7,8,9). Therefore, a great deal of effort has been made in constructing channels with various sections through multiple-step approaches like photolithography using several photoresist layers and assembly of different PDMS thin sheets. Nevertheless, such multiple-step approaches usually involve tedious procedures and extensive instrumentation. Furthermore, the fabricated devices may not perform consistently and the resulted experimental data may be unpredictable. Here, a one-step approach is developed for the straightforward fabrication of microfluidic channels with different geometric cross sections through PDMS sequential wet etching processes, that introduces etchant into channels of planned single-layer layouts embedded in PDMS materials. Compared to the existing methods for manufacturing PDMS microfluidic channels with different geometries, the developed one-step approach can significantly simplify the process to fabricate channels with non-rectangular sections or various heights. Consequently, the technique is a way of constructing complex microfluidic channels, which provides a fabrication solution for the advancement of innovative microfluidic systems.

Several methods are available for the fabrication of channels of non-rectangular sections embedded in polydimethylsiloxane microfluidic devices. Most of them involve multistep manufacturing and extensive alignment. In this paper, a one-step approach is reported for fabricating microfluidic channels of different geometric cross sections by polydimethylsiloxane sequential wet etching.

1 단계 접근입니다 미세 채널 순차적 습식된 에칭 프로세스에 의해 다른 형상 섹션의 조작

Polydimethylsiloxane (PDMS) materials are substantially exploited to fabricate microfluidic devices by using soft lithography replica molding techniques. ...

A Microfluidic Platform for Precision Small-volume Sample Processing and Its Use to Size Separate Biological Particles with an Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. However, to achieve robust sample manipulation it is necessary to address device integration with the macroscale environment. To realize repeatable, sensitive particle separation with microfluidic devices, this protocol presents a complete automated and integrated microfluidic platform that enables precise processing of 0.15&#8211;1.5 ml samples using microfluidic devices. Important aspects of this system include modular device layout and robust fixtures resulting in reliable and flexible world to chip connections, and fully-automated fluid handling which accomplishes closed-loop sample collection, system cleaning and priming steps to ensure repeatable operation. Different microfluidic devices can be used interchangeably with this architecture. Here we incorporate an acoustofluidic device, detail its characterization, performance optimization, and demonstrate its use for size-separation of biological samples. By using real-time feedback during separation experiments, sample collection is optimized to conserve and concentrate sample. Although requiring the integration of multiple pieces of equipment, advantages of this architecture include the ability to process unknown samples with no additional system optimization, ease of device replacement, and precise, robust sample processing.

This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15&#8211;1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.

미세 유체 정밀 작은 볼륨 샘플 처리를위한 플랫폼 및 음향 마이크로 디바이스로 구분 생물 입자 크기의 사용

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. ...

Window on a Microworld: Simple Microfluidic Systems for Studying Microbial Transport in Porous Media

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in the environment, as well as directly for the transmission of pathogens to drinking water supplies. Natural porous media is composed of an intricate physical topology, varied surface chemistries, dynamic gradients of nutrients and electron acceptors, and a patchy distribution of microbes. These features vary substantially over a length scale of microns, making the results of macro-scale investigations of microbial transport difficult to interpret, and the validation of mechanistic models challenging. Here we demonstrate how simple microfluidic devices can be used to visualize microbial interactions with micro-structured habitats, to identify key processes influencing the observed phenomena, and to systematically validate predictive models. Simple, easy-to-use flow cells were constructed out of the transparent, biocompatible and oxygen-permeable material poly(dimethyl siloxane). Standard methods of photolithography were used to make micro-structured masters, and replica molding was used to cast micro-structured flow cells from the masters. The physical design of the flow cell chamber is adaptable to the experimental requirements: microchannels can vary from simple linear connections to complex topologies with feature sizes as small as 2 &mu;m. Our modular EcoChip flow cell array features dozens of identical chambers and flow control by a gravity-driven flow module. We demonstrate that through use of EcoChip devices, physical structures and pressure heads can be held constant or varied systematically while the influence of surface chemistry, fluid properties, or the characteristics of the microbial population is investigated. Through transport experiments using a non-pathogenic, green fluorescent protein-expressing Vibrio bacterial strain, we illustrate the importance of habitat structure, flow conditions, and inoculums size on fundamental transport phenomena, and with real-time particle-scale observations, demonstrate that microfluidics offer a compelling view of a hidden world.

Microfluidic devices can be used to visualize complex natural processes in real time and at the appropriate physical scales. We have developed a simple microfluidic device that mimics key features of natural porous media for studying growth and transport of bacteria in the subsurface.

다공성 매체에서 미생물 교통 유학에 대한 간단한 Microfluidic 시스템 : 미생물의 창

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in ...

Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under combinations of chemical and oxygen gradients. Both chemical and oxygen gradients can greatly affect cell migration in vivo; however, due to technical limitations, very little research has been performed to investigate their effects in vitro. The device developed in this research takes advantage of a series of serpentine-shaped channels to generate the desired chemical gradients and exploits a spatially confined chemical reaction method for oxygen gradient generation. The directions of the chemical and oxygen gradients are perpendicular to each other to enable straightforward migration result interpretation. In order to efficiently generate the oxygen gradients with minimal chemical consumption, the embedded PC thin film is utilized as a gas diffusion barrier. The developed microfluidic device can be actuated by syringe pumps and placed into a conventional cell incubator during cell migration experiments to allow for setup simplification and optimized cell culture conditions. In cell experiments, we used the device to study migrations of adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells, A549, under combinations of chemokine (stromal cell-derived factor, SDF-1&#945;) and oxygen gradients. The experimental results show that the device can stably generate perpendicular chemokine and oxygen gradients and is compatible with cells. The migration study results indicate that oxygen gradients may play an essential role in guiding cell migration, and cellular behavior under combinations of gradients cannot be predicted from those under single gradients. The device provides a powerful and practical tool for researchers to study interactions between chemical and oxygen gradients in cell culture, which can promote better cell migration studies in more in vivo-like microenvironments.

The control of chemical and oxygen gradients is essential for cell cultures. This paper reports a polydimethylsiloxane-polycarbonate (PDMS-PC) microfluidic device capable of reliably generating combinations of chemical and oxygen gradients for cell migration studies, which can be practically utilized in biological labs without sophisticated instrumentation.

셀 마이그레이션 연구에서 수직 화학 산소 그라디언트에 대한 폴리 디메틸 실록산 - 폴리 카보네이트 미세 유체 장치

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under ...