DE102005036106B4 - Method and apparatus for determining the velocity profile of a dilute suspension in a microfluidic channel - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils einer in einem Mikrofluidik-Kanal
fließenden
Suspension, das die folgenden Schritte umfasst:
Erlangen von
Bilddaten durch Photographieren des Innenraums des Mikrofluidik-Kanals
durch ein Fluoreszenzmikroskop (a);
Erlangen von durch eine
Farbe des Lichts repräsentierten Bilddaten
durch Filtern der Bilddaten, um zwei Farben unter drei Grundfarben
des Lichts zu eliminieren (b);
Bilden einer Matrix durch Verarbeiten
der Farbintensität
in dem ausgewählten
Teil des entsprechenden Farbstreifenbildes aus Rohbilddaten (c);
numerisches
Differenzieren der Matrix längs
der Strömungsrichtung
eines Teilchens (d);
Bilden eines Mittelwertes jedes Elements
in der numerisch differenzierten Matrix, um das Rauschen zu eliminieren
(e);
Berechnen einer Farbstreifenlänge zwischen einem Pixelpunkt
mit einem maximalen Wert und einem Pixelpunkt mit einem minimalen
Wert, wobei diese Werte um das Rauschen verminderte Werte sind (f);
und
Bestimmen der Geschwindigkeit des Teilchens aus der berechneten
Farbstreifenlänge
(g).Method for determining a velocity profile of a suspension flowing in a microfluidic channel, comprising the following steps:
Obtaining image data by photographing the interior of the microfluidic channel through a fluorescence microscope (a);
Obtaining image data represented by a color of the light by filtering the image data to eliminate two colors among three primary colors of the light (b);
Forming a matrix by processing the color intensity in the selected part of the corresponding color stripe image from raw image data (c);
numerically differentiating the matrix along the flow direction of a particle (d);
Forming an average of each element in the numerically differentiated matrix to eliminate the noise (e);
Calculating a color stripe length between a pixel point having a maximum value and a pixel point having a minimum value, which values are noise reduced values (f); and
Determine the velocity of the particle from the calculated color stripe length (g).
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils einer in einem Mikrofluidik-Kanal fließenden Suspension.The The present invention relates to a method for determining a velocity profile of one in a microfluidic channel flowing Suspension.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of technology
Informationen über das Geschwindigkeitsprofil einer Suspension werden beim Entwerfen eines Mikrofluidik-Chips oder Lab-on-a-Chip unter Berücksichtigung einer Durchflussregelung entsprechend den Lösungseigenschaften, der Dispersion der Lösung, die für das Trenn- und Analysevermögen relevant ist, und einer effizienten Strömungsverteilung in jedem Kanal sehr stark einbezogen. Insbesondere können die Muster des Geschwindigkeitsprofils, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Kanalwände entsprechend dem Werkstoff des Chips verändert werden, eine Basis für das Verständnis der Beziehung zwischen den Werkstoffeigenschaften des Chips und dem Trennvermögen schaffen.Information about that Speed profile of a suspension when designing a Microfluidic chips or lab-on-a-chip, taking into account a flow control according to the solution properties, the dispersion of the solution, the for the separation and analysis ability relevant, and an efficient flow distribution in each channel very strongly involved. In particular, the patterns of the velocity profile, the dependent from the properties of the canal walls be changed according to the material of the chip, a basis for understanding the Relationship between the material properties of the chip and the releasability create.
Beispielsweise besitzt das Fluid, das in einem Mikrofluidik-Kanal eines Polydimethylsiloxan-(PDMS)-Glas-Mikrofluidik-Chips, der aus einer PDMS-Kopie und einer Glasabdeckung besteht, fließt, wegen der hydrophoben Eigenschaft von PDMS und der hydrophilen Eigenschaft von Glas eine ungleichmäßige Ausprägung. Folglich weist die Strömung der Suspension, die in dem Mikrofluidik-Kanal strömt, ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil auf. An der Oberfläche der PDMS-Wand gilt nämlich die Randbedingung des Gleitens, während an der Oberfläche der Glaswand die Randbedingung des Nichtgleitens gilt. Daher ist es erforderlich, beim Entwerfen eines Mikrofluidik-Kanals ein Geschwindigkeitsprofil von Teilchen entsprechend den Lösungsumgebungen zu bestimmen, das für eine Analysevorrichtung (z. B. Chromatographie oder Elektrophorese) oder zum Steuern des Durchflusses in dem Mikrofluidik-Chip verwendet wird.For example has the fluid contained in a microfluidic channel of a polydimethylsiloxane (PDMS) glass microfluidic chip, the one from a PDMS copy and a glass cover flows, because of the hydrophobic property PDMS and the hydrophilic property of glass an uneven expression. consequently shows the flow the suspension flowing in the microfluidic channel asymmetric speed profile. On the surface of the PDMS wall is true the boundary condition of sliding, while on the surface of the Glass wall, the boundary condition of non-slip applies. Therefore, it is required when designing a microfluidic channel a velocity profile of particles according to the solution environments to determine that for an analyzer (eg chromatography or electrophoresis) or used to control the flow in the microfluidic chip becomes.
Es ist durch den MEMS-Prozess und die Mikrobearbeitungstechnologie ohne weiteres möglich, den Mikrofluidik-Kanal mit einer gewünschten Kanalbreite herzustellen. Die Lab-on-a-Chip-Technologie mit einer auf dem MEMS-Prozess und der Mikrobearbeitungstechnologie basierenden Kategorie des Mikrofluidik-Chips ermöglicht das Verwirklichen des Mikro-Gesamtanalysesystems (micro total analysis system, μ-TAS) sowie des Hochdurchsatzsystems (high throughput system, HTS). Gerade die winzige Größe des Lab-on-a-Chip schafft eine Portabilität, die es ermöglicht, eine Probe in dem Feld sofort zu analysieren [D.R. Reyes, D. Iossifidis, P.-A. Auroux, A. Manz "Micro Total Analysis Systems. 1. Indroduction, Theory, and Technology" Anal. Chem., 74, 2623-2636, 2002; P.-A Auroux, D. Iossifidis, D.R. Reyes, A. Manz "Micro Total Analysis Systems. 2. Analytical Standard Operations and Applications" Anal. Chem., 74, 2637-2652, 2002].It is through the MEMS process and the micromachining technology readily possible, to produce the microfluidic channel with a desired channel width. Lab-on-a-chip technology with one on the MEMS process and micromachining technology based category of the microfluidic chip enables the realization of the Micro Total Analysis Systems (micro total analysis system, μ-TAS) and the high throughput system (HTS). Just the tiny size of the lab-on-a-chip creates a portability, which makes it possible to immediately analyze a sample in the field [D.R. Reyes, D. Iossifidis, P.-A. Auroux, A. Manz "Micro Total Analysis Systems. 1. Indroduction, Theory, and Technology "Anal. Chem., 74, 2623-2636, 2002; P.-A Auroux, D. Iossifidis, D.R. Reyes, A. Manz "Micro Total Analysis System. 2. Analytical Standard Operations and Applications "Anal. Chem., 74," 2637-2652, 2002].
Bis Mitte der 1990er Jahre sind Mikrofluidik-Bausteine durch Anwendung einer siliciumbasierten Mikrobearbeitungstechnologie entwickelt worden. In der zweiten Hälfte der 1990er Jahre war die Mikrobearbeitungstechnologie, die Bausteine mit entsorgbaren Kunstoffen herstellte, erfolgreich. Dank dieser Mikrobearbeitungstechnologie kann der Baustein ohne weiteres in Massenfertigung kopiert werden. Unter diesen Technologien ist das am weitesten verbreitete Verfahren die Herstellung mit dem PDMS und dem photoresistenten SU8. Um die PDMS-Mikrofluidik-Kanäle zu erzeugen, wird zuerst auf einem Wafer eine dem Mikrofluidik-Kanal entsprechende Gießstruktur erzeugt. Danach wird eine PDMS-Lösung auf einen Wafer gegossen, gefolgt von dem Aushärten. Danach wird das ausgehärtete PDMS herausgeschält und zur richtigen Größe zugeschnitten. Danach wird es auf eine Glasabdeckung bondiert. Nach der Untersuchung von McDonald und Whitesides [J.C. McDonald, G.M. Whitesides "Poly(dimethylsiloxane) as a Material for Fabricating Mikrofluidic Devices" Acc. Chem. Res., 35(7), 491-498, 2002] ist dieses Verfahren bei geringen Kosten zweckmäßiger als das herkömmliche Verfahren des Ätzens eines Wafers bei der Herstellung vieler Mikrofluidik-Chips.To Mid-1990s are microfluidic devices by application developed a silicon-based micromachining technology Service. In the second half In the 1990s, micromachining technology was the building blocks made with disposable plastic, successful. thanks to this Micromachining technology, the block can easily in Mass production to be copied. Among these technologies is that most widely used method of preparation with the PDMS and the photoresistant SU8. To generate the PDMS microfluidic channels, is first on a wafer corresponding to the microfluidic channel cast structure generated. Then a PDMS solution poured onto a wafer, followed by curing. Thereafter, the cured PDMS peeled and tailored to the right size. After that it is bonded to a glass cover. After the investigation of McDonald and Whitesides [J.C. McDonald, G.M. Whitesides "poly (dimethylsiloxanes) as a Material for Fabricating Microfluidic Devices "Acc. Chem. Res. 35 (7), 491-498, 2002], this method is more convenient at low cost than the conventional one Method of etching a wafer in the manufacture of many microfluidic chips.
Von Bedeutung für die Strömungsvisualisierungsstudie im Hinblick auf die Mikroströmung war, dass Taylor und Yeung die Teilchenfarbstreifen-Geschwindigkeitsmessung (particle streck velocimetry, PSV) anwandten, um sowohl die elektrokinetische Strömung als auch die druckgesteuerte Strömung eines fluoreszierenden Teilchens, dessen Größe kleiner als 1 Mikrometer war, zu untersuchen [J.A. Taylor, E.S. Yeung [Imaging of Hydrodynamic and Elektro-kinetic Flow Profiles in Capillaries", Anal. Chem., 65, 2929-2932, 1993]. Im Geschwindigkeitsprofil der druckgesteuerten Strömung wurde eine parabolische Grundform erhalten. In der elektrokinetischen Strömung war an der Wand eine elektroosmotische Geschwindigkeit vorhanden, jedoch trat in der Mitte der Kapillare wegen eines durch die elektrophoretische Bewegung geladener Teilchen eingeführten viskosen Rücktriebs ein kleiner Geschwindigkeitsfehler auf. Da die Farbstreifenlänge bzw. Schlierenlänge eines schwimmenden bzw. strömenden Teilchens ohne genaue numerische Verarbeitung für das Farbstreifenbild erhalten wurde, ist es notwendig, die Genauigkeit des Ergebnisses des Geschwindigkeitsprofils zu verbessern.Significant to the microflow flow visualization study was that Taylor and Yeung applied particle stretch velocimetry (PSV) to both the electrokinetic flow and pressure controlled flow of a fluorescent particle whose size was less than 1 micron , [Ya Taylor, ES Yeung [Imaging of Hydrodynamic and Electro-kinetic Flow Profiles in Capillaries ", Anal. Chem., 65, 2929-2932, 1993].) In the velocity profile of the pressure-controlled flow, a parabolic basic shape was obtained electrokinetic flow had an electroosmotic velocity on the wall, but occurred in the middle of the capillary because of a particle introduced by the electrophoretic motion viscous recoil a small speed error. Since the stripe length of a floating particle has been obtained without accurate numerical processing for the color stripe image, it is necessary to improve the accuracy of the result of the velocity profile.
Unlängst ist die Mikroteilchenbild-Geschwindigkeitsmessung (micro-particle image velocimetry, μ-PIV) entwickelt worden, um das Geschwindigkeitsprofil in Mikrofluidik-Kanälen zu erhalten. Bei der μ-PIV kann das Verfahren zum Erlangen eines Geschwindigkeitsprofils von Teilchen aus einem Teilchenbild in zwei Arten von Verfahren klassifiziert werden: die Musterübereinstimmungs-Geschwindigkeitsmessung (pattern matching velocimetry, PMV) und die Teilchenverfolgungs-Geschwindigkeitsmessung (particle tracking velocimetry, PTV).The longest is microparticle image velocity measurement (micro-particle image velocimetry, μ-PIV) to obtain the velocity profile in microfluidic channels. In the μ-PIV For example, the method of obtaining a velocity profile from Particles from a particle image classified into two types of process will: the pattern match speed measurement (pattern matching velocimetry, PMV) and the particle tracking velocity measurement (particle tracking velocimetry, PTV).
Zuerst ein anfängliches Bild I1, das keine Teilchenfarbstreifen enthält, durch Einbetten einer Lichtschicht in einen Kanal, in dem Teilchen strömen. Dann ein zweites Bild I2, das keine Teilchenfarbstreifen enthält, durch Einbetten einer Lichtschicht nach einer bestimmten Zeitspanne. Î1 und Î2 sind die Ergebnisse der schnellen Fourier-Transformation für die jeweiligen Bilder. Danach wird eine konjugiert komplexe Multiplikation am Ergebnis an derselben örtlichen Position bezüglich Î1 und Î2 ausgeführt. Danach werden durch Ausführen der inversen schnellen Fourier-Transformation Kreuzkorrelationsdaten erhalten.First, an initial image I 1 containing no particle streaks by embedding a light layer in a channel in which particles flow. Then, a second image I 2 containing no particle streaks by embedding a light layer after a certain period of time. Î 1 and Î 2 are the results of the fast Fourier transform for the respective images. Thereafter, a conjugate complex multiplication is performed on the result at the same local position with respect to Î 1 and Î 2 . Thereafter, cross-correlation data is obtained by performing the inverse fast Fourier transform.
Die genaue Geschwindigkeit jedes Teilchens kann durch Verwendung der Daten erhalten werden. Jedoch erfordert der obige Prozess eine wesentliche Menge an numerischer Verarbeitung, da er für jede lokale Position sowohl die Fourier-Transformation als auch die inverse Fourier-Transformation ausführt [M. Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans, "particle Image Velocimetry: A Practical Guide" Springer, Berlin, 1998; J.G. Santiago, S.T. Wereley, C.D. Meinhardt, D.J. Beebe, R.J. Adrian "A Particle Image Velocimetry System for Microdfluidics" Exp. Fluids, 25, 316-319, 1998].The exact speed of each particle can be determined by using the Data will be obtained. However, the above process requires substantial Amount of numerical processing, as it is for each local position both performs the Fourier transform as well as the inverse Fourier transform [M. Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans, "Particle Image Velocimetry: A Practical Guide "Springer, Berlin, 1998; J.G. Santiago, S.T. Wereley, C.D. Meinhardt, D.J. Beebe, R.J. Adrian "A Particle Image Velocimetry System for Microdfluidics "Exp. Fluids, 25, 316-319, 1998].
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der Patentschrift
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Fast alle durch den Lab-on-a-Chip behandelten Lösungen sind eine Suspension, worin Teilchen mit verdünnter Konzentration dispergiert sind. In diesem Fall ist es effektiver, anstelle der PIV, die eine große Menge an Datenverarbeitung und teure Werkzeuge benötigt, die PSV anzuwenden. Jedoch ist es beim Anwenden der PSV notwendig, die Genauigkeit durch numerische Verarbeitung der Versuchsdaten zu verbessern.Nearly all solutions treated by the Lab-on-a-Chip are a suspension, wherein particles with dilute Concentration are dispersed. In this case it is more effective instead of the PIV, which is a big one Amount of data processing and expensive tools needed Apply PSV. However, it is necessary when applying the PSV, the Improve accuracy by numerically processing the experimental data.
Daher ist es notwendig, ein Verfahren zum Bestimmen eines genauen Geschwindigkeitsprofils der Mikroströmung in dem Mikrofluidik-Kanal mittels einer effektiven numerischen Verarbeitung zu entwickeln.Therefore it is necessary to have a method for determining an accurate velocity profile the microflow in the microfluidic channel by means of effective numerical processing to develop.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Probleme, die beim Stand der Technik auftreten, zu lösen. Die Erfinder bilden zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils einer Suspension eine eindimensionale Strömung unter Verwendung eines PDMS-Glas-Lab-on-a-Chip mit schlitzartigen Kanälen, wobei die Kanaltiefe wesentlich größer als die Kanalbreite ist, verarbeiten die aus Versuchen erhaltenen Farbstreifenbilddaten von fluoreszierenden Teilchen eines Modells und erlangen das Geschwindigkeitsprofil genauer und schneller als das herkömmliche Verfahren. Die numerische Berechnung bei der Datenverarbeitung ist durch Implementierung des MATLAB-Programms (Mathworks, MA) ausgeführt worden. Anhand der durch Fluoreszenzmikroskopbetrachtung erhaltenen Teilchenfarbstreifen kann das asymmetrische Geschwindigkeitsprofil in Abhängigkeit von den Suspensionsbedingungen erhalten werden, indem die Geschwindigkeit von fluoreszierenden Teilchen entlang der seitlichen Position von der Mitte des Mikrofluidik-Kanals bis zu den Wandbereichen bestimmt wird.The The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems, which occur in the prior art to solve. The inventors form the Determining the velocity profile of a suspension a one-dimensional flow using a PDMS glass lab-on-a-chip with slit-like channels, wherein the channel depth is much larger than is the channel width, processes the color stripe image data obtained from experiments of fluorescent particles of a model and obtain the velocity profile more accurately and faster than the conventional one Method. The numerical calculation in the data processing is by implementing the MATLAB program (Mathworks, MA). From the particle color stripes obtained by fluorescence microscopic observation can the asymmetric velocity profile depending on be obtained from the suspension conditions by the speed of fluorescent particles along the lateral position of the Center of the microfluidic channel up to the wall areas determined becomes.
Daher ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils einer in dem Mikrofluidik-Kanal fließenden Suspension zu schaffen.Therefore The object of the invention is a method for determining the velocity profile to create a suspension flowing in the microfluidic channel.
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen
des Geschwindigkeitsprofils einer in dem Mikrofluidik-Kanal fließenden Suspension.
Genauer umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Schritte:
Erlangen
von Bilddaten durch Photographieren des Innenraums des Mikrofluidik-Kanals
mit einem Fluoreszenzmikroskop (a);
Erlangen von durch eine
Farbe des Lichts repräsentierten
Bilddaten durch Filtern der Bilddaten, um zwei Farben unter drei
Grundfarben des Lichts zu eliminieren (b);
Bilden einer Matrix
durch Verarbeiten der Farbintensität in dem ausgewählten Teil
des entsprechenden Farbstreifenbildes aus Rohbilddaten (c);
numerisches
Differenzieren der Matrix längs
der Strömungsrichtung
des Teilchens (d);
Bilden eines Mittelwertes jedes Elements
in der numerisch differenzierten Matrix, um das Rauschen zu eliminieren
(e);
Berechnen einer Farbstreifenlänge zwischen einem Pixelpunkt
mit einem maximalen Wert und einem Pixelpunkt mit einem minimalen
Wert, wobei diese Werte um das Rauschen verminderte Werte sind (f);
Bestimmen
der Geschwindigkeit des Teilchens aus der berechneten Farbstreifenlänge (g).The present invention relates to a method for determining the velocity profile of a suspension flowing in the microfluidic channel. More specifically, the present invention includes the following steps:
Obtaining image data by photographing the interior of the microfluidic channel with a fluorescence microscope (a);
Obtaining image data represented by a color of the light by filtering the image data to eliminate two colors among three primary colors of the light (b);
Forming a matrix by processing the color intensity in the selected part of the corresponding color stripe image from raw image data (c);
numerically differentiating the matrix along the flow direction of the particle (d);
Forming an average of each element in the numerically differentiated matrix to eliminate the noise (e);
Calculating a color stripe length between a pixel point having a maximum value and a pixel point having a minimum value, which values are noise reduced values (f);
Determine the velocity of the particle from the calculated color stripe length (g).
In dem Verfahren zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofil einer Teilchensuspension wird vorzugsweise ein Mikrofluidik-Chip, bestehend aus einem oberen Substrat und einem unteren Substrat, verwendet. Das obere Substrat ist mit einem Einlassloch, durch das die Suspension eingeleitet wird, einer ⊓-Form des Mikrofluidik-Kanals, in dem die Suspension fließt, und einem Auslassloch, aus dem die Suspension herausfließt, versehen.In the method for determining the velocity profile of a particle suspension is preferably a microfluidic chip consisting of an upper Substrate and a lower substrate used. The upper substrate is with an inlet hole through which the suspension is introduced becomes, a ⊓-shape the microfluidic channel in which the suspension flows, and an outlet hole from which the suspension flows out, provided.
Im Mikrofluidik-Chip ist die seitliche Seitenwand des oberen Substrats, die zu einem Deckel des schlitzartigen Mikrofluidik-Kanals wird, mit einer richtigen Dicke hergestellt, um einen optischen Zugang für die Strömungsbilderzeugung zu erlauben.In the microfluidic chip, the lateral sidewall of the upper substrate, which becomes a lid of the microfluidic slot-like channel, is made with a proper thickness to provide optical access for the microfluidic channel Allow flow imaging.
Ein
derartiger Mikrofluidik-Chip kann mit einem Herstellungsverfahren
hergestellt werden, das die folgenden Schritte umfasst:
Ablagern
eines Photoresists auf einem Substrat;
Mustern des Substrats,
auf dem ein Photoresist abgelagert ist, indem es Ultraviolett-(UV)-Strahlung
entsprechend einem Maskenmuster ausgesetzt wird;
Herstellen
einer Grundgießform
durch Entwickeln des Substrats und Herausschneiden des Substrats
parallel zur seitlichen Seite des Photoresistmusters und an einem
Punkt, der in einem gewissen Abstand von dieser Seite entfernt liegt;
Sondieren
eines Glases als Seitenwand auf die Oberfläche, an der das Substrat herausgeschnitten
worden ist;
Gießen
von PDMS in die Grundgießform,
bei der die Glasseitenwand bondiert worden ist, und Herausschälen des
gegossenen PDMS aus der Grundgießform; und
Abspülen der
PDMS-Kopie und einer Glasabdeckung sowie Verbinden von diesen miteinander
durch Anwenden des reaktiven Ionenätzens (reactive ion etching,
RIE).Such a microfluidic chip can be produced by a manufacturing method comprising the following steps:
Depositing a photoresist on a substrate;
Patterning the substrate on which a photoresist is deposited by exposing it to ultraviolet (UV) radiation according to a mask pattern;
Forming a base mold by developing the substrate and cutting out the substrate parallel to the lateral side of the photoresist pattern and at a point some distance away from that side;
Probing a glass as a side wall on the surface where the substrate has been cut out;
Pouring PDMS into the base mold in which the glass side wall has been bonded, and peeling the cast PDMS out of the base mold; and
Rinse off the PDMS copy and a glass cover, and bond them together by using reactive ion etching (RIE).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden genauen Beschreibung, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung erstellt worden ist, worin:The above and other objects, features and advantages of the present invention Invention will become more apparent from the following detailed description, in which which was created in conjunction with the accompanying drawing is, in which:
die
die
- 11
- Mikrofluidik-ChipMicrofluidic chip
- 22
- Objektlinse eines Fluoreszenzmikroskopsobject lens a fluorescence microscope
- 33
- digitale CCD-Kameradigital CCD camera
- 44
- FluoreszenzlichtquelleFluorescent light source
- 55
- optisches Filteroptical filter
- 66
- Spritzenpumpesyringe pump
- 88th
- Druckmesserpressure gauge
- 99
- elektronische Waageelectronic Libra
- 1010
- Computercomputer
- 100100
- Siliciumwafersilicon wafer
- 200200
- Photoresistphotoresist
- 300300
- einleitende Rohrleitungintroductory pipeline
- 350350
- Einströmungslochinflow hole
- 360360
- Ausströmungslochoutflow hole
- 400400
- GlasseitenwandGlass side wall
- 500500
- PDMS-KopiePDMS Copy
- 600600
- Glasabdeckungglass cover
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Im Folgenden werden die Ausführungsformen des Verfahrens zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils einer Teilchensuspension, die in einem Mikrofluidik-Kanal fließt, unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung genau beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt.in the Following are the embodiments of the method for determining a velocity profile of a Particle suspension flowing in a microfluidic channel, under With reference to the accompanying drawings described in detail. however For example, the present invention is not limited to these embodiments.
Zuerst wird die auf der vorliegenden Erfindung basierenden Teilchenfarbstreifen-Geschwindigkeitsmessung (PSV) erläutert.First becomes the particle color strip velocity measurement based on the present invention (PSV) explained.
Es werden eine Koordinate des Maximumpunkts Mx und eine Koordinate des Minimumpunkts mx des Teilchenfarbstreifens in Strömungsrichtung des Fluids (d. h. in x-Richtung) für die Teilchen, die in dem Mikrofluidik-Kanal strömen, bestimmt, wobei die Kanaltiefe H ist, die Kanalbreite W ist und die Kanallänge L ist. Das Verhältnis der wirklichen Strecke zur Anzahl von Pixeln ist γ, der Teilchenradius ist Rp und die Belichtungszeit der Kamera ist tE. Dann kann die Teilchengeschwindigkeit vx durch die folgende Gleichung 1 erhalten werden: A coordinate of the maximum point M x and a coordinate of the minimum point m x of the particle color stripe in the flow direction of the fluid (ie in the x direction) for the particles flowing in the microfluidic channel are determined, the channel depth being H, the channel width W is and the channel length is L. The ratio of the actual distance to the number of pixels is γ, the particle radius is R p and the exposure time of the camera is t E. Then, the particle velocity v x can be obtained by the following equation 1:
Wenn der Farbstreifen von Teilchen in dem Mikrofluidik-Kanal als solcher beobachtet wird, wird vorzugsweise die Bewegung von Teilchen in dem Bereich, der durch die oben liegende Wand des Mikrofluidik-Kanals nicht beeinflusst wird, (idealerweise an der Position H/2) beobachtet. Die Koordinate in vertikaler Richtung des Maximumpunkts Mx in der Strömungsrichtung des Fluids repräsentiert die Teilchenposition in dem Kanal.When the color stripe of particles in the microfluidic channel is observed as such, it is preferable to observe the movement of particles in the region unaffected by the top wall of the microfluidic channel (ideally at position H / 2). The coordinate in the vertical direction of the maximum point M x in the flow direction of the fluid represents the particle position in the channel.
Zuerst werden durch Photographieren des Innenraums des Mikrofluidik-Kanals mit einem Fluoreszenzmikroskop die Bilddaten erhalten. (1) in der Figur sind die Rohbilddaten, die einen Teilchenfarbstreifen und seinen Umgebungsbereich unter den gesamten durch das Fluoreszenzmikroskop photographierten Bilddaten zeigen. Diese Bilddaten enthalten abhängig von ihrer Größe n×m Pixel.First are photographed by photographing the interior of the microfluidic channel with a Fluorescence microscope received the image data. (1) in the figure the raw image data, which is a particle color band and its surrounding area among the whole photographed by the fluorescence microscope Show image data. These image data contain n × m pixels depending on their size.
Danach wird das Farbstreifenbild nach drei Grundfarben des Lichts, rot (R), grün (G) und blau (B), unterteilt. (2) in der Figur ist ein Graph, der die Intensität der grünen Farbkomponente unter den drei Grundfarben wiedergibt. Bilder können auf Computern mit einer gewünschten Farbe gezeigt werden, indem die Intensität der drei Grundfarben des Lichts eingestellt wird und die Grundfarben gemischt werden. Die Bilddaten werden außerdem durch die jeweiligen Intensitätsdaten für die rote, die grüne und die blaue Farbe für jedes Pixel gespeichert. Daher können die Intensitätsdaten der roten, der grünen und der blauen Farbe getrennt werden. Diese Intensitätsdaten der roten, der grünen und der blauen Farbe können durch eine n×m-Matrix wiedergegeben werden.After that turns the color stripe image into three primary colors of light, red (R), green (G) and blue (B), divided. (2) in the figure is a graph that the intensity the green Color component among the three primary colors. Pictures can be up Computers with a desired one Color can be shown by the intensity of the three primary colors of the Light is set and the basic colors are mixed. The Image data will also be added through the respective intensity data for the red, the green and the blue color for every pixel stored. Therefore, you can the intensity data the red, the green and the blue color are separated. This intensity data the red, the green and the blue color can through an n × m matrix be reproduced.
Der auf der rechten Seite und der linken Seite von (2) gezeigte Graph gibt die Intensität von rotem Licht bzw. von blauem Licht, die aus den Bilddaten von (1) herausgelöst wurde, wieder. Da Rot eine Hintergrundfarbe ist, wird es nicht zum Berechnen der Farbstreifenlänge von Teilchen verwendet. Da die blaue Farbe durch ein Fluoreszenzfilter herausgesiebt wird, ist die Intensität von blauem Licht stets null.Of the on the right side and the left side of (2) shown graph gives the intensity of red light or blue light resulting from the image data of (1) removed was again. Since red is a background color, it does not become Calculate the color stripe length used by particles. Because the blue color through a fluorescent filter is screened out, the intensity of blue light is always zero.
Daher entsprechen die zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils von Teilchen bei der vorliegenden Erfindung ausschließlich den Bilddaten (2) mit der grünen Farbe. Die n×m-Matrix, die Daten für die Grünintensität von (2) pixelweise wiedergibt, wird mit G bezeichnet. Die Intensität der grüner Farbe für jedes Pixel wird mit gij bezeichnet, wobei i und j für Zeilen- und Spaltenindizes stehen. In dem Abschnitt, in dem die Teilchenfarbstreifen beginnen, nimmt die Intensität grüner Farbe zu. In dem Abschnitt, in dem die Teilchenfarbstreifen enden, nimmt die Intensität grüner Farbe ab.Therefore, in the present invention, those for determining a velocity profile of particles correspond only to the green color image data (2). The n × m matrix representing data for the green intensity of (2) pixel by pixel is denoted by G. The intensity of the green color for each pixel is denoted by g ij , where i and j represent row and column indices. In the section where the particle color stripes start, the intensity of green color increases. In the section where the particle color stripes end, the intensity of green color decreases.
Daher wird beim Differenzieren der Matrix G längs der Strömungsrichtung von Teilchen der differenzierte Wert an dem Punkt, an dem die Intensität des Lichts zunimmt, maximiert und an dem Punkt, an dem die Intensität des Lichts abnimmt, minimiert.Therefore when differentiating the matrix G along the flow direction of particles the differentiated value at the point where the intensity of the light increases, maximizes and at the point where the intensity of light decreases, minimizes.
Es wird angenommen, dass die Strömungsrichtung des Teilchens x die Zeilenrichtung der G-Matrix ist. Der Wert, der ein Element gij-1 von gij subtrahiert, (d. h. gij – gij-1) ist ein numerischer Differentiationswert in der Zeilenrichtung.It is assumed that the flow direction of the particle x is the row direction of the G matrix. The value subtracting an element g ij-1 from g ij (ie, g ij -g ij-1 ) is a numerical differentiation value in the row direction.
Um
eine numerische Differentiation für die gesamte Matrix G zu erhalten,
kann der Rückwärtsdifferenzoperator
X, der die Berechnung durch Subtrahieren jedes Elements von dem
rechten Element (d. h. ein Matrixsubtrahieren des linken Spaltenvektors
von einem rechten Spaltenvektor) ausführt, definiert werden. Danach
kann die Differentiation von G durch Anwendung von Gleichung 2 erhalten
werden: (3) in
In dem Differentiationswert ist in einem lokalen Bereich Rauschen vorhanden. Das Rauschen erzeugt eine unerwünschte Verzerrung in dem Bild. Folglich sollte das Rauschen an lokalen Punkten durch lokale Mittelwertbildung minimiert werden.In the differentiation value has noise in a local area. The noise creates an undesirable Distortion in the picture. Consequently, the noise should be local Points are minimized by local averaging.
Die lokale Matrix G'L(ij), die neun Elemente für einen spezifizierten Punkt g'ij enthält, kann durch die Gleichung 3 ausgedrückt werden: The local matrix G ' L (ij) containing nine elements for a specified point g' ij can be expressed by Equation 3:
Ferner wird ein neuer, um das Rauschen verminderter Punkt g'N(ij) erhalten, indem der Mittelwert um den Punkt g'ij nach der Gleichung 4 geschätzt wird: Further, a new noise-reduced dot g ' N (ij) is obtained by estimating the mean value around the point g' ij according to Equation 4:
Wenn
der obige Mittelwertbildungsprozess für alle Elemente von G'x ausgeführt worden
ist, wird G'x zu einer neuen, um das Rauschen verminderten
Matrix, die aus g'N(ij) zusammengesetzt ist. (4) in
Die Intensität des Rauschens in spezifischen Bereichen ist relativ stärker als jenes von benachbarten Bereichen. Jedoch macht der Mittelwertbildungsprozess des Rauschens in den spezifischen Bereichen und den benachbarten Bereichen die Intensität schwächer als den Abschnitt des Farbstreifens, in dem die Lichtintensität stark ist. Nach diesem Prinzip kann der Graph von (4) als Ergebnis des Rauschdämpfungsprozess in den spezifischen Bereichen erhalten werden. In (4) ist der Maximumpunkt der Startpunkt des Teilchenfarbstreifens und der Minimumpunkt der Endpunkt des Farbstreifens. Anhand dieses Ergebnisses kann die Länge des Teilchenfarbstreifens und die Teilchengeschwindigkeit berechnet werden.The intensity of noise in specific areas is relatively stronger than that of neighboring areas. However, the averaging process does of the noise in the specific areas and the neighboring ones Areas the intensity weaker as the section of the color strip in which the light intensity is strong is. According to this principle, the graph of (4) as a result of Noise reduction process in the specific areas. In (4) is the maximum point the starting point of the particle color band and the minimum point of the End point of the color strip. Based on this result, the length of the particle color strip and the particle velocity can be calculated.
Dieser Prozess wird in wiederholender Weise auf jedes Teilchen in durch Photographieren des Innenraums des Mikrofluidik-Kanals mit einem Fluoreszenzmikroskop erhaltenen Bilddaten angewandt. Dann kann das Geschwindigkeitsprofil von zum Vorschein kommenden Teilchen in einer eindimensionalen Ebene erhalten werden.This process is applied repetitively to each particle in image data obtained by photographing the inside of the microfluidic channel with a fluorescence microscope. Then the velocity profile of emergent particles can be obtained in a one-dimensional plane become.
Im Folgenden wird ein in dem Verfahren zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils vorzugsweise verwendeter Mikrofluidik-Chip und sein Herstellungsverfahren erläutert.in the The following will be incorporated in the method for determining a velocity profile preferably used microfluidic chip and its manufacturing method explained.
In dieser Ausführungsform ist die Länge des Mikrofluidik-Kanals auf 3 cm festgelegt. Diese Länge reicht aus, damit das Fluid in dem Kanal, nachdem der Kanal zu der "L"-Form gebogen worden ist, eine voll entwickelte Strömung ab dem Einlassloch aufrechterhalten kann. Die Kanalbreite ist auf 100 μm festgelegt und die Kanaltiefe auf 1000 μm.In this embodiment is the length of the microfluidic channel is set to 3 cm. This length is enough to allow the fluid in the channel to become fully developed after the channel has been bent to the "L" shape flow can maintain from the inlet hole. The channel width is up 100 μm fixed and the channel depth to 1000 microns.
Die
Zuerst
wird in einer Höhe
von etwa 100 μm
durch das Rotieren bei der Drehzahl von 1150 min–1 mittels einer
Rotations-Auftragsmaschine ein SU8-Negativ-Photoresist (
Danach
wird das auf den Wafer (
Danach
wird die einleitende Rohrleitung (
Danach
wird der Wafer (
Danach
wird PDMS-Lösung
(
Danach
wird das ausgehärtete
PDMS aus der Gießform
herausgeschält
und zur richtigen Größe zugeschnitten.
Danach wird die PDMS-Kopie (
Danach
wird, wie in
Das
Verfahren zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils kann unter
Verwendung des hergestellten Mikrofluidik-Chips ausgeführt werden.
Unter
Verwendung einer Spritzenpumpe (
Das
von der Fluoreszenzlichtquelle (
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Geschwindigkeitsprofil genauer bestimmt werden, da die Teilchengröße im Vergleich zur Kanalbreite kleiner ist. Speziell kann das Geschwindigkeitsprofil unter der Annahme, dass der Teilchenradius Rp ist und die Kanalbreite W ist, genauer bestimmt werden, falls 2Rp/W ≤ 0,1. Ferner kann ein genaueres Geschwindigkeitsprofil erhalten werden, wenn die vorliegende Erfindung auf eine verdünnte Suspension angewandt wird.In the present invention, the velocity profile can be more accurately determined because the particle size is smaller compared to the channel width. Specifically, assuming that the particle radius is R p and the channel width is W, the velocity profile can be more accurately determined if 2R p / W ≤ 0.1. Further, a more accurate velocity profile can be obtained when the present invention is applied to a dilute suspension.
Die
KCl
wird bei jeder Lösung
als Elektrolyt verwendet. Der pH-Wert wird durch HCl und NaOH eingestellt. In
den
Gemäß dem Verfahren zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils der Erfindung ist es möglich, das Geschwindigkeitsprofil in dem Mikrofluidik-Kanal ohne Ausführung einer übermäßigen numerischen Verarbeitung genau und effizient zu bestimmen. Das Verfahren zum Bestimmen des Geschwindigkeitsprofils kann für die Durchflussregelung in Abhängigkeit von Fluideigenschaften in dem Mikrofluidik-Kanal und eine effiziente Strömungsverteilung angewandt werden.According to the procedure For determining the velocity profile of the invention, it is possible to determine the velocity profile in the microfluidic channel without execution an excessive numerical Accurately and efficiently determine processing. The procedure for Determining the velocity profile can be used for flow control in dependence of fluid properties in the microfluidic channel and efficient flow distribution be applied.
Obwohl zum Zweck der Veranschaulichung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist Fachleuten auf diesem Gebiet klar, dass verschiedene Modifikationen, Zufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Umfang und vom Leitgedanken der Erfindung, die in den begleitenden Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.Even though for illustrative purposes, preferred embodiments of the present invention Invention have been described to those skilled in the art clear that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention, as set forth in the accompanying drawings claims is disclosed departing.
Claims (7)
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