快速测量电渗流速——芯片和尖端

电渗流速的快速测量

2008年5月29日

通过弗朗切斯卡·伯戈因.

motohiko nohmi和juan santiago提出了一种简单的方法来估算至少有一个交叉点的渠道几何中的电渗流速。

诺米冈，流体机械研究中心，埃布拉研究公司有限公司。，日本
胡安G圣地亚哥，机械工程部斯坦福大学，CA美国

为什么这个有用？

我们提出了一种估计具有至少一个交叉点的通道几何中的电渗流速的简单方法。该方法适用于定义明确的中性染料离散插头的电动注射（典型方法，[1]）是不容易获得的给定可用设备（例如，使用原始电压定序器或不灵敏的CCD时）。

我需要什么？

具有至少一个交叉点的微流体装置（图1）
CCD／CMOS摄像机
EPI荧光显微镜
可在两个节点上切换电位的电压控制装置
中性染料（例如，100μm罗丹明b）
全血有五种缓冲系统

: 图1。具有简单Y通道拓扑结构的电动微通道器件。终端通道电位为v1，V2，V3。

我该怎么办？

1。我们假设通道有负壁电荷，但荧光溶液的简单观察可以证实这一点。我们将染色溶液添加到储液罐1。对于对称网络（例如，图1）保持总和V _一+V _二常数将保持出口通道3中的均匀电场。

2。作为初步观察，变化V_一V_二并测试将在通道1或2中启动反向流动的限制。图2显示了给定最大电位（A）V的示例限制_一＝1175 V，V_二=925 V和（b）V_一＝925 V，V_二=1175 V.我们将这些电压限制称为V。_1，高，V_2，低，V_1，低V_2，高.（预测这些电压见[2]）

: 图2。给定最大（方便）电压限制v1，高=v2，高，voltages V1 and V2 can be adjusted to find suitable combinations of V1 and V2 which lead to zero back flow.（a）v1、high和v2、low（b）v1、low和v2、high。

3.电压控制器应交替使用V_一V_二如图3（a）试验t_一and t_二因此，如图3的电影所示，气流具有明显的扰动传播到通道3。3（b）（下载如下）。图3（b），T_一and t_二都是1秒，V高＝1100 V，VLOW=900 V，图像序列用50 ms曝光时间和64.6 ms帧间时间捕获。

图3。（a）一个控制电压周期v_一V_二.两个州的持续时间分别为t_一and t_二，分别（通常为t_一= t_二）可使用三角形或正弦波，但需要更好的设备和更复杂的设置。（b）显示流向通道3的干扰传播的流动可视化（见下面的视频）。

4。在通道3入口附近捕获调制流的图像序列（4-5个周期应足够）。沿通道的近似中心线提取图像强度值。为了获得更好的结果，沿通道中心线取几个像素行的平均值。图4显示了第一个中心线染料强度的原始数据，图3（b）电影图像序列的第5帧和第9帧。对于简单的速度估计，将第二个峰值分析到通道中（速度场大致平行且完全展开）。从图4，三帧上的峰值位移约为capital deltap1=20像素或u=k*capital deltap1/capital deltatf=131μm/s（公式（1））这里k是每个像素的成像微米数，大写Deltap1=20像素，资本德尔塔夫是电影框架的时间间隔。你也可以根据扰动的波长（以及已知的周期时间）来估算速度。2 s）：u=k*大写Deltap2/（T1+T2）=138μm/s（式（2）。Capital Deltap2（=165像素）是单个图像中两个染料峰值之间的长度，T1+T2是电压调制的周期时间。这两个近似速度测量值一般在8%左右。后一种方法在只有一个图像可用时特别有用。

方程（1）。

方程（2）。

图4。沿第1条中心线的染色强度，通道入口附近传播波图像序列的第5帧和第9帧。

5。上述方法对图像数据中的噪声很敏感，除其他因素外，一种更可靠的技术使用多重测量和综合平均值。实现这一点的一种方法是使用拟合程序分析图的波形。4.我们选择以下功能：

方程（3）。

式的系数。（3）可以对每个电影帧进行估算，如图5（下载如下）使用高斯牛顿非线性最小二乘数据拟合程序“nlinfit”在matlab中。平均波长资本deltap2ave计算为2pi/c3ave=166.8像素，平均速度使用公式140μm/s计算。（2）速度也由方程式（3）中的相速度c4确定，如下所示。

方程（4）。

在Eq.（4）DC4/DT的计算采用C4数据与200张图片的时间。C4随时间线性变化，利用C4数据与实验数据的线性回归拟合，可以计算出相速度dc4/dt。200张图片的时间。波的传播波长为2pi/（dc4/dt）。因此，流体的速度被确定为平均波长除以2pi/（dc4/dt），如等式所述。（4）。

图5。单个图像沿通道中心线的空间图像强度变化，作为沿分离通道距离的函数（像素）。与数据一起显示的是等式形式的曲线。（3）。（参见下面的.avi文件）。

工具书类

〔1〕SDevaseNathipathy和J.G.圣地亚哥中的“电动流量诊断” 微纳尺度诊断技术，预计起飞时间。K布鲁尔纽约，斯普林格Verlag，2004。
〔2〕K.v.诉SharpR.J阿德里安JG.圣地亚哥J.一。Molho“液体在微通道中流动” CRC微机电系统手册，预计起飞时间。迈格拉德，CRC出版社，纽约，2001，聚丙烯。6-1～6－38。

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