采用微尺度纹影技术分析微流控芯片中的混合不均匀性

本实验的总体目标是利用微尺度 schlieren 技术，以非侵入方式测量微流控装置中的浓度梯度。首先，通过霍夫曼调制对比显微镜构建微尺度 schlieren 系统来实现该目标。移除聚光镜中的狭缝板，并将物镜后焦平面处的调制器替换为刀口。

第二步是安装一个T型微通道并启动校准混合程序。对T型通道进行成像，以获得灰度微流控图像。接下来，将微流控图像与计算流体动力学模拟结果进行比较。

为了确定灰度与浓度梯度之间的关系，最后的步骤是加载目标微流控装置。获取混合区域的微尺度薛林图像，并利用校准曲线将灰度值转换为浓度梯度。最终，微尺度薛林技术被用于实时定量展示微流控装置内混合的非均一性。

与现有的荧光成像或阴影法等技术相比，该方法的主要优势在于能够对浓度梯度进行非稳态的完整测量，从而揭示微流控装置中的三维非均匀性。演示此实验步骤的将是实验室中一位近期获得博士学位的博士。第一步是准备实验中将要使用的微流控装置。

该微通道装置通过模塑聚二甲基硅氧烷制备而成。装置示意图显示了其进样通道和汇流通道。每个通道均连接至一个圆形区域，该区域将作为流体连接的位点。

进行实验时，将微流控装置固定在玻璃载片上，并插入聚四氟乙烯管。为建立流体连接，请先将装置放置一旁。在准备实验的同时，使用霍夫曼调制对比显微镜构建微尺度 schlein 系统。

准备一把刀口边缘，以便放入光路中。该刀口边缘为此系统定制，表面经黑化处理以降低反射率。将刀口边缘置于手边，并开始调整显微镜的脉冲光束。

移除位于聚光镜焦平面前方的狭缝板。接着，从五倍物镜的后焦平面移除调制器。取出刀口刃，将其插入调制器的位置。

为了采集视频，使用高速摄像机连接至显微镜的三目镜筒，并将摄像机连接到计算机。打开光源，开始向计算机传输灰度视频。随后，采集并处理图像。

从视频流中采集一幅图像，并使用图像处理软件获取其灰度值。返回显微镜并从计算机上移除刀口边缘。在调节照明和光圈的同时，监测平均灰度读数。

当图像的平均灰度读数比最大值低约10%时停止。此值即为0%截止时的背景强度。现在插入刀口以完全阻挡入射光。

在计算机上记录图像的平均灰度读数。此值为100%截断的背景强度。

接下来，在监测所捕获图像的平均灰度读数的同时，逐步调整刀口边缘的位置。当图像的平均灰度读数处于0%与100%值的中间位置时，停止调整，此时切割程度即设定为50%。现在返回显微镜处，安装T型微通道装置。将其放置在载物台上，使汇流通道与刀口边缘平行。

设备就位后大致调整焦距。为实验准备修复用液体。选择两种透明液体，其折射率彼此之间完全无显著差异。

本实验以水作为参考流体，另一种流体为乙醇水溶液，并利用折射率随浓度变化的线性关系。选择乙醇水溶液的质量分数，使其处于线性范围内。本实验采用质量分数为0.05的乙醇水溶液进行流体配制。

使用两个相同的注射器，一个装入水，另一个装入稀释的乙醇水溶液，并将注射器连接至T型微通道。用聚四氟乙烯（Teflon）管将T型微通道的两个入口分别连接至两个注射器。准备两台注射泵，用于向微通道入口输送液体。

用参考流体的注射器装载一台泵。用稀释乙醇的注射器装载另一台泵，但将出流管末端放入容器中，并将其固定在容器壁上。通过设定注射泵的流速开始校准，以获得雷诺数。

启动注射泵，以相同的体积流量同时输送工作流体。使用相机仔细观察微通道，调节焦距并等待直至流动稳定，以观察到静止的液-液界面（SL）和稳定图案作为流动稳定的信号。

以每秒30帧的帧率记录20帧流体混合图像。这些帧即为所获取的图像。完成后，准备泵以获取另一组帧。

停止稀释乙醇的注射泵，继续通过一个入口泵入水。观察流动情况，并等待流动稳定，直至无液滴且模式稳定。以每秒30帧的速度记录20帧图像。

这些图像帧作为参考图像。接下来，针对每个感兴趣的雷诺数，依次采集乙醇和水的图像，然后仅采集水的图像。当所有数据采集完成后，转向计算机进行后续的校准工作。

使用图像处理软件，将每个雷诺数误差下获取的图像除以参考图像。当水合乙醇从图像顶部通道进入时，获取的样本图像与参考图像相除，可得到沿流动方向指定距离处的灰度比数据。在横向方向上选择若干点，并提取每个点处的灰度比值。

沿流动方向选择多个点进行操作，并绘制数据以进行比较。对该实验进行计算流体动力学模拟，利用该模拟结果计算质量分数相对于横流方向导数的导数。

接下来，利用灰度比与导数之间的预期线性关系，通过线性回归进行分析。校准后，使用微裂解技术研究目标装置以确定回归直线。首先，从样品台断开并取下T型微通道装置。

更换为深度大致相同的靶向微流控装置。将该装置连接至水和乙醇水溶液，并在计算机上以相等的体积流速记录输入的水和稀乙醇，同时用摄像头进行录制。等待流动稳定后，采集图像并记录20帧。

接下来，停止向微流控装置输入乙醇水溶液的注射泵，仅输入水。返回计算机以获取参考图像。在较低雷诺数下，正负质量分数梯度在T形微通道中间位置出现一条带状区域，其不同雷诺数下的灰度比亦可观察到。

由于在混合界面处的分散作用，Schlein 带的尾部被展宽并变得模糊。随着雷诺数的增加，扩散长度缩短，导致带变窄。在本视频中，利用灰度比与质量分数导数之间的线性关系，捕捉到了雷诺数为 250 时微流体振荡器中流动的振荡特性。

观看本视频后，您应能充分理解如何在微流控装置中采用微尺度分层技术来定量分析浓度梯度。