Name: analyzing mixing inhomogeneity in a microfluidic device by microscale schlieren technique
Uploaded: 2015-06-12T14:00:00
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マイクロ流体デバイスの作製1。 <ol><li> T-マイクロチャネルの輪郭を描画する図形レイアウトソフトウェア（ 例えば、AutoCADの）を使用します。 T-マイクロチャンネルでは、2つの供給チャネルは、90ミクロン、幅2,500μmの長さ、および合流チャネルは180ミクロン、幅3000ミクロンの長さです。 1100ミクロンの直径を有する個々の円に、各チャネルの端を接続します。 </li><li>マーク「クリ?...

<ol>
	<li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow Visualization. , (1974).</li><li>Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Schlieren and Shadowgraph Techniques. , (2001).</li><li>Sun, C. -. l., Hsiao, T. -. h. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+analysis+of+microfluidic+mixing+using+microscale+schlieren+technique.">Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 15 (2), 253-265 (2013).</li><li>Sun, C. -. l., Sun, C. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+mixing+in+a+microfluidic+oscillator+using+an+impinging+jet+on+a+concave+surface.">Effective mixing in a microfluidic oscillator using an impinging jet on a concave surface.</a> Microsystem Technologies. , (2011).</li><li>Strook, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chaotic+mixer+for+microchannels.">Chaotic mixer for microchannels.</a> Science. 295 (5555), 647-651 (2002).</li><li>Wheat, P. M., Posner, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+mixing+using+equilibrium+reactions.">Quantifying mixing using equilibrium reactions.</a> Physics of Fluids. 21 (3), 037101 (2009).</li><li>Liu, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Passive+mixing+in+a+three-dimensional+serpentine+microchannel.">Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 9 (2), 190-197 (2000).</li><li>Munson, M. S., Yager, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+quantitative+optical+method+for+monitoring+the+extent+of+mixing+applied+to+a+novel+microfluidic+mixer.">Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic mixer.</a> Analytica Chimica Acta. 507 (1), 63-71 (2004).</li><li>Bradfield, W. S., Sheppard, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microschlieren-a+technique+for+the+study+of+details+in+compressible+flow.">Microschlieren-a technique for the study of details in compressible flow.</a> Aero/Space Engineering. 5 (18), 37-56 (1959).</li><li>Scroggs, S. D., Settles, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+experimental+study+of+supersonic+microjets.">An experimental study of supersonic microjets.</a> Experiments in Fluids. 21, 401-409 (1996).</li><li>Phalnikar, K. A., Alvi, F. S., Shih, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 31st AIAA Fluid Dynamics Conference &amp; Exhibit. , (2001).</li><li>Phalnikar, K. A., Kumar, R., Alvi, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+free+and+impinging+supersonic+microjets.">Experiments on free and impinging supersonic microjets.</a> Experiments in Fluids. 44 (5), 819-830 (2008).</li><li>Naughton, J. W., Bishop, D. S., Walrath, D. E., Lindberg, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-schlieren+characterization+of+a+high+momentum+micro-fluidic+actuator.">Micro-schlieren characterization of a high momentum micro-fluidic actuator.</a> , (2002).</li><li>Chen, H. -. M., Wu, H. -. W., Lee, J. -. N., Ting, C. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> 23th National Conference of the Chinese Society of Mechanical Engineers. , (2006).</li><li>Davidson, G. P., Emmony, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+schlieren+probe+method+for+the+measurement+of+the+refractive+index+profile+of+a+shock+wave+in+a+fluid.">A schlieren probe method for the measurement of the refractive index profile of a shock wave in a fluid.</a> Journal of Physics E: Scientific Instruments. 13, 92-97 (1980).</li><li>Xie, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Schlieren+confocal+microscopy+for+phase-relief+imaging.">Schlieren confocal microscopy for phase-relief imaging.</a> Optics Letters. 39, 1238-1241 (2014).</li><li>Inou&#233;, S., Spring, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Video Microscopy: The Fundamentals. , (1997).</li><li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Gray, M. H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Volume+illumination+for+two-dimensional+particle+image+velocimetry.">Volume illumination for two-dimensional particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 11 (6), 809-814 (2000).</li><li>Olsen, M. G., Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Out-of-focus+effects+on+particle+image+visibility+and+correlation+in+microscopic+particle+image+velocimetry.">Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry.</a> Experiments in Fluids. 29 (1), S166-S174 (2000).</li><li>Friend, J., Yeo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+microfluidic+devices+using+polydimethylsiloxane.">Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane.</a> Biomicrofluidics. 4 (2), 026502 (2010).</li><li>Wohlfarth, C., Lechner, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Landolt-B&#246;rnstein:+Numerical+Data+and+Functional+Relationships+in+Science+and+Technology.">Landolt-B&#246;rnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology.</a> Optical Constants: Refractive Indices of Pure Liquids and Binary Liquid Mixtures (Supplement to III/38). 47, (2008).</li><li>Heller, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remarks+on+refractive+index+mixture+roles.">Remarks on refractive index mixture roles.</a> Journal of Physical Chemistry. 69 (4), 1123-1129 (1965).</li><li>Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+unsteadiness+of+the+rates+of+flow+on+the+dynamics+of+formation+of+droplets+in+microfluidic+systems.">Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems.</a> Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).</li><li>Dreher, S., Engler, M., Kockmann, N., Woias, P., Bockhorn, H., Mewes, D., Peukert, W., Warnecke, H. .. -. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+and+experimental+investigations+of+convective+micromixers+and+microreactors+for+chemical+reactions.">Theoretical and experimental investigations of convective micromixers and microreactors for chemical reactions.</a> Micro and Macro Mixing: Analysis, Simulation and Numerical Calculation. , (2010).</li><li>Huang, C. Y., Gregory, J. W., Sullivan, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Modified+schlieren+technique+for+micro+flow+visualization.">A Modified schlieren technique for micro flow visualization.</a> Measurement Science &amp; Technology. 18 (5), N32-N34 (2007).</li><li>Tyn, M. T., Calus, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+and+concentration+dependence+of+mutual+diffusion+coefficients+of+some+binary+liquid+systems.">Temperature and concentration dependence of mutual diffusion coefficients of some binary liquid systems.</a> Journal of Chemicaland Engineering Data. 20 (3), 310-316 (1975).</li><li>Celik, I. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Procedure+for+estimation+and+reporting+of+uncertainty+due+to+discretization+in+CFD+applications.">Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications.</a> Journal of Fluids Engineering. 130 (7), 078001 (2008).</li><li>Tasi&#263;, A. &. #. 3. 8. 1. ;., Djordjevi&#263;, B. D., Grozdani&#263;, D. K., Radojkovi&#263;, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+mixing+rules+in+predicting+refractive+indices+and+specific+refractivities+for+some+binary+liquid+mixtures.">Use of mixing rules in predicting refractive indices and specific refractivities for some binary liquid mixtures.</a> Journal of Chemical and Engineering Data. 37 (3), 310-313 (1992).</li><li>Hsiao, P. -. J., Chen, S. -. T., Hsiao, T. -. H., Sun, C. -. l. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+of+coarse-resolution+numerical+simulation+with+experimental+measurements+of+wind+turbine+aerodynamic+performance.">A comparison of coarse-resolution numerical simulation with experimental measurements of wind turbine aerodynamic performance.</a> , (2013).</li><li>Sun, C. -. l., Huang, C. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscale+schlieren+visualization+of+near-bubble+mass+transport+during+boiling+of+2-propanol/water+mixtures+in+a+square+capillary.">Microscale schlieren visualization of near-bubble mass transport during boiling of 2-propanol/water mixtures in a square capillary.</a> Experiments in Fluids. 55 (7), 1778 (2014).</li><li>Panigrahi, P. K., Muralidhar, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Schlieren and Shadowgraph Methods in Heat and Mass Transfer. , (2012).</li></ol>

マイクロ流体デバイス内の流体の混合のために、マイクロスケールのシュリーレン法は、光強度の変化を定量化することを介して濃度勾配の大きさを測定することができます。この技術の原理は、光伝播の交代を検出することに依存しているため、作動流体とマイクロ流体デバイスは、入射光に対して透明でなければなりません。作動流体の予備的評価が不可欠となるように加えて、プロト?...

流体混合は、多くの工業プロセス及び生物系に見られる重要な問題です。マイクロフルイディクスの出現により、マイクロスケールでの混合による質量輸送機構の間で拡散支配でその課題に多くの注意をもたらしています。定量的な検証が必要な有効マイクロミキサーを設計しているので、いくつかの測定方法は、5-7を開発しました。それにもかかわらず、一般的に効率的なマイクロミキサ5に見られる三次元構造は、一般的な測定技術は、配信に失敗濃度フィールドのより正確な表現を必要とします。による角度8または反応速度6の視聴制限のために、上記の方法は、正確に、混合物の均質性を考慮していない誤った結果を生成することができます。 光学的に透明な微細構造中での混合、光学的に透明な流体、マイクロシュリーレン技術3,9-14用</SUP&gt;不均一性とを混合し、分析するための魅力的な代替手段を提供します。過去において、マイクロシュリーレン法は、主に圧縮性流れ9-13、15または位相勾配16を可視化するために使用されています。簡単な光学レイアウトと高感度の両方からマイクロスケールシュリーレン技術​​の利点と、光障害を引き起こすが、混合を評価するのに使用するのに適している特定のフロー機能の非侵襲的な調査だけでなく、を可能にします。本稿では、顕微鏡の対物レンズの後焦点面でのナイフエッジを挿入することにより、マイクロスケールシュリーレンシステムを構築し、定量的な分析を実現するためのキャリブレーション手順を説明し、マイクロ流体発振器4での検証測定を報告しています。混合流体の屈折率は、組成物に対して直線的に変化し、ターゲットのマイクロ流体デバイスの厚さは、上と同じになるように測定を実施するために、作動流体が適切に選択されますeは、キャリブレーションに使用されます。種の濃度に加えて、マイクロシュリーレン法は、温度や塩分などの線形屈折率に相関している他のスカラ量の傾きを測定するために拡張することができます。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<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, diameter: 100&#177;0.5 mm, thickness: 525 &#177;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, i.e. 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, i.e. 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, i.e. 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, i.e. HPLC grade</td>
			<td>Alps Chemicals</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ethyl alcohol, i.e. 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

本稿では、マイクロ流体デバイス内の不均一性を測定するために、混合マイクロシュリーレン技術​​の使用を紹介します。マイクロシュリーレンシステムはスリット板を除去し、ナイフエッジで変調器を置き換えることにより、対物レンズの後側焦点面への容易なアクセスを提供するホフマンモジュレーションコントラスト顕微鏡、から構成されています。マイクロシュリーレン技術の動作原理は、屈折率1-3のばらつきに起因する光偏向を検出することに依存しています。偏向光が逃げるか、それぞれ、明るいまたは暗い帯を生成するためにナイフエッジによって妨害されますか。混合物の屈折率は、その組成物を用いて直線的に変化する場合、像面における光強度の局所的な変化は、光軸に対して垂直な濃度勾配に比例します。マイクロシュリーレン画像は、三次元不均質性によって生成される乱れた光の2次元投影を提供します。 定量的な分析を達成するために、我々は、T-マイクロチャネルで二つの流体を混合する較正手順を説明します。我々は、対応するマイクロシュリーレン画像と密接に相関するT-マイクロチャンネル内の濃度勾配を得るために、数値シミュレーションを行っています。比較すると、マイクロシュリーレン画像のグレースケールの読み出し及びマイクロ流体デバイスにおいて提示濃度勾配との間の関係が確立されます。この関係を用いて、準マイクロシュリーレン画像から混合の不均一性を分析し、マイクロ流体発振器4での測定でマイクロシュリーレン技術の能力を実証することができます。光学的に透明な流体は、マイクロシュリーレン法は、混合プロセスの三次元の特徴を保持する瞬間フルフィールド情報を提供するための魅力的な診断ツールです。

質量分率の正および負の勾配の両方について異なるレイノルズ数下のグレースケール比率I / I 0は、T-マイクロ流路の途中に現れる対称バンドと（ 図2）が示されています。低レイノルズ数では、シュリーレンバンドの尾が原因ミキシングインターフェースを介して分散液に拡大し、ぼやけます。レイノルズ数が増加するにつれて、拡散長は、より狭い帯域に?...

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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.

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