RU2620985C1 - Method for measuring fluid flow rates in microchannels - Google Patents
Method for measuring fluid flow rates in microchannels Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620985C1 RU2620985C1 RU2016106491A RU2016106491A RU2620985C1 RU 2620985 C1 RU2620985 C1 RU 2620985C1 RU 2016106491 A RU2016106491 A RU 2016106491A RU 2016106491 A RU2016106491 A RU 2016106491A RU 2620985 C1 RU2620985 C1 RU 2620985C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluorescence
- fluid flow
- composition
- microchannels
- time
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технической физике, а именно к области микрофлюидики и микрофлюидных устройств, использующих небольшие количества жидкости, текущих в каналах с характерными размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров, и, в частности, к оптическим способам исследования структуры течения жидкости в микроканалах. Изобретение может быть использовано в научных и лабораторных исследованиях, в вузах.The invention relates to technical physics, in particular to the field of microfluidics and microfluidic devices using small amounts of fluid flowing in channels with characteristic sizes from a few microns to several millimeters, and, in particular, to optical methods for studying the structure of a fluid flow in microchannels. The invention can be used in scientific and laboratory research, in universities.
Микрофлюидные устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники: от микроэлектроники (охлаждение микрочипов) до биологических и медицинских исследований, таких как выращивание кристаллов белков, ДНК-микрочипы, биологический и химический анализ и синтез (биомикрочипы и лаборатория на чипе). Многие типы микрофлюидных устройств изготавливаются на полимерных подложках, в которых, применяя различные методы макетирования, создают системы микроканалов, клапанов, силовых приводов и прочих элементов. В микрофлюидных устройствах основные процессы течения жидкости развиваются в тонком слое размером от нескольких микрон в пристеночных областях микроканалов, что осложняет или делает невозможным использование контактных методов измерения. В связи с этим получили развитие бесконтактные оптические методы для измерения различных характеристик жидкостей в таких устройствах.Microfluidic devices are widely used in various fields of science and technology: from microelectronics (cooling of microchips) to biological and medical research, such as growing protein crystals, DNA microchips, biological and chemical analysis and synthesis (biomicrochips and a laboratory on a chip). Many types of microfluidic devices are made on polymer substrates, in which, using various prototyping methods, they create systems of microchannels, valves, power drives and other elements. In microfluidic devices, the main processes of fluid flow develop in a thin layer of a few microns in size in the near-wall regions of microchannels, which complicates or makes impossible the use of contact measurement methods. In this regard, non-contact optical methods have been developed for measuring various characteristics of liquids in such devices.
Широко известны оптические способы измерения скоростей потока жидкостей по изображениям частиц (Particle Image Velocimetry (PIV)).Optical methods for measuring fluid flow rates from particle images (Particle Image Velocimetry (PIV)) are widely known.
Применительно к микрофлюидике эти способы были адаптированы к малым размерам микроканалов и получили название микро-PIV. Их подробный обзор может быть найден в таких публикациях, как: D. Sinton Microscale flow visualization [Microfluid Nanofluid (2004) 1: 2-21] и Steven T. Wereley et al. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry [Annu. Rev. Fluid Mech. 2010. 42:557-76]. В патенте US 6653651 Micron resolution particle image velocimeter описывается метод и аппарат для измерения движения жидкости с высоким пространственным разрешением. Микроканал с жидкостью и флуоресцирующими частицами микронного и субмикронного размера освещается импульсами света определенной длины волны и продолжительности. С помощью специального микроскопа и цифровой камеры делается как минимум два последовательных снимка движущихся флуоресцирующих частиц. Полученные изображения разделяются на равные области, которые коррелируются между разными изображениями с целью измерения наиболее вероятного локального перемещения частиц и их скоростей. Микроскоп используется как для освещения жидкости в микроканале, так и для регистрации флуоресцирующих микрочастиц. Микроскоп обладает известной глубиной фокусировки и фокусируется на определенную область внутри микроканала. Четко сфокусированные изображения получаются только для тех микрочастиц, которые в момент съемки находятся в области фокусировки, что и определяет высокое пространственное разрешение положения микрочастиц. Главными недостатками приведенного в патенте и других похожих микро-PIV методов являются: 1) сложность применяемых оптических систем, которые требуют точной настройки как для возбуждения флуоресценции частиц, так и для ее регистрации с целью получения четкого изображения микрочастиц по всему полю наблюдения, и 2) использование программных алгоритмов корреляции и анализа изображений движения частиц и усреднения скоростей их движения, которые приводят к увеличению системной погрешности измерений, особенно для пограничных течений возле стенок микроканалов.As applied to microfluidics, these methods were adapted to the small sizes of microchannels and were called micro-PIV. Their detailed review can be found in publications such as: D. Sinton Microscale flow visualization [Microfluid Nanofluid (2004) 1: 2-21] and Steven T. Wereley et al. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry [Annu. Rev. Fluid Mech. 2010. 42: 557-76]. No. 6,565,651 to the Micron resolution particle image velocimeter describes a method and apparatus for measuring fluid motion with high spatial resolution. A microchannel with a liquid and fluorescent particles of micron and submicron size is illuminated by light pulses of a certain wavelength and duration. Using a special microscope and a digital camera, at least two consecutive pictures of moving fluorescent particles are taken. The resulting images are divided into equal areas that are correlated between different images in order to measure the most likely local movement of particles and their velocities. The microscope is used both to illuminate the liquid in the microchannel and to register fluorescent microparticles. The microscope has a known depth of focus and focuses on a specific area inside the microchannel. Clearly focused images are obtained only for those microparticles that are in the focus area at the time of shooting, which determines the high spatial resolution of the position of the microparticles. The main disadvantages of the patent and other similar micro-PIV methods are: 1) the complexity of the optical systems used, which require fine tuning both for excitation of fluorescence of particles and for its registration in order to obtain a clear image of microparticles throughout the observation field, and 2) the use of software algorithms for correlation and analysis of images of particle motion and averaging of their velocities, which lead to an increase in the systematic error of measurements, especially for boundary flows near microchannel enok.
Известен также способ измерения скорости потока жидкости, основанный на явлении фотообесцвечивания флуоресцентных красителей. В рассматриваемом методе краситель теряет способность флуоресцировать по мере облучения раствора светом в полосе поглощения красителя. Например, в Патенте US 7283215 Method and apparatus for fluid velocity measurement based on photobleaching скорость потока измеряется и вычисляется с помощью калибровочной зависимости интенсивности флуоресценции красителя от скорости потока. Чем больше скорость потока, тем меньше фотообесцвечивание и больше интенсивность флуоресценции красителя. Предложенные в патенте способ и устройство позволяют измерять локальную скорость потока в точке измерения и распределение скоростей по сечению канала с высоким пространственным и временным разрешением. Существенным недостатком этого способа является низкий уровень отношения сигнала к шуму (контраст изображения), который на порядок ниже по сравнению с другими оптическими методами. Измерение яркого сигнала на темном фоне фундаментально дает более точные результаты по сравнению с измерением темного сигнала (обесцвеченного раствора) на ярком фоне. Погрешность измерения также увеличивается, когда движение флуоресцирующих областей раствора накладывается на области с обесцвеченным красителем вследствие локальных градиентов скоростей движения жидкости. Особенно это проявляется при измерении пограничных потоков около стенок микроканала, где используются эванесцентные волны, интенсивность которых очень слаба и экспоненциально убывает от поверхности, что еще больше сказывается на погрешности измерения.There is also a known method of measuring fluid flow rate, based on the phenomenon of photobleaching of fluorescent dyes. In the method under consideration, the dye loses its ability to fluoresce as the solution is irradiated with light in the dye absorption band. For example, in Patent US 7283215 Method and apparatus for fluid velocity measurement based on photobleaching, the flow rate is measured and calculated using the calibration dependence of the dye fluorescence intensity on the flow rate. The higher the flow rate, the less photobleaching and the greater the dye fluorescence intensity. The method and device proposed in the patent allow measuring the local flow velocity at the measurement point and the velocity distribution over the channel cross section with high spatial and temporal resolution. A significant disadvantage of this method is the low signal-to-noise ratio (image contrast), which is an order of magnitude lower compared to other optical methods. Measuring a bright signal against a dark background fundamentally gives more accurate results compared to measuring a dark signal (bleached solution) against a bright background. The measurement error also increases when the movement of the fluorescent regions of the solution is superimposed on areas with a bleached dye due to local gradients of the fluid velocity. This is especially evident when measuring boundary flows near the walls of a microchannel, where evanescent waves are used, the intensity of which is very weak and decreases exponentially from the surface, which further affects the measurement error.
Задачей настоящего изобретения является создание нового способа, позволяющего упростить оптическую систему регистрации движения жидкости в микроканалах микрофлюидных устройств, устранить недостатки инерционных измерений и снизить систематическую погрешность измерения скорости течения жидкости.The objective of the present invention is to provide a new method to simplify the optical system for detecting fluid motion in the microchannels of microfluidic devices, to eliminate the disadvantages of inertial measurements and to reduce the systematic error in measuring the velocity of a fluid.
Решение поставленной задачи достигается тем, что используется принципиально новый способ измерения течения жидкости.The solution to this problem is achieved by using a fundamentally new way to measure the fluid flow.
Способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах, характеризующийся тем, что готовят композицию в виде концентрированного раствора антрахинона не менее 10-3 моль/л в алифатическом спирте или концентрированного раствора антрахинона в смеси воды и алифатического спирта в отношении 3:7, которую вводят в микроканал, облучаемый ультрафиолетовым светом постоянной мощности, инициирующим в этой композиции фотохимические реакции с образованием флуоресцирующего фотопродукта, время появления которого зависит от скорости потока жидкости, регистрируют время появления флуоресценции фотопродукта и по предварительно построенной калибровочной зависимости времени появления флуоресценции от скорости определяют значение средней по сечению скорости потока в канале.A method of measuring fluid flow rates in microchannels, characterized in that the composition is prepared in the form of a concentrated solution of anthraquinone of at least 10 -3 mol / L in aliphatic alcohol or a concentrated solution of anthraquinone in a mixture of water and aliphatic alcohol in a ratio of 3: 7, which is introduced into the microchannel irradiated with constant power ultraviolet light, initiating photochemical reactions in this composition with the formation of a fluorescent photoproduct, the time of appearance of which depends on the flow rate of the liquid In addition, the time of the appearance of fluorescence of the photoproduct is recorded, and the value of the average cross-sectional flow velocity in the channel is determined from the velocity dependence of the time of appearance of fluorescence on the preliminary constructed calibration.
Ультрафиолетовый свет, применяемый для освещения микроканала с жидкостью, может быть непрерывным или пульсирующим, а также сфокусированным или несфокусированным. Ультрафиолетовый свет может быть сфокусирован в определенной области по сечению микроканала с целью ускорения времени формирования флуоресцирующего фотопродукта в этой области.The ultraviolet light used to illuminate the microchannel with the liquid can be continuous or pulsating, as well as focused or unfocused. Ultraviolet light can be focused in a certain area along the cross-section of the microchannel in order to accelerate the formation time of the fluorescent photo product in this area.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
фиг. 1 - блок-схема установки для реализации предлагаемого способа измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах;FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for implementing the proposed method for measuring flow rates of liquids in microchannels;
фиг. 2 - временные зависимости показаний фотодиода, регистрирующего время появления флуоресценции фотопродукта;FIG. 2 - time dependences of the readings of a photodiode recording the time of appearance of fluorescence of the photoproduct;
фиг. 3 - пример калибровочной зависимости времени появления флуоресцирующего фотопродукта от скорости потока жидкости.FIG. 3 is an example of a calibration dependence of the appearance time of a fluorescent photoproduct on the fluid flow rate.
Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере измерения скорости течения жидкости, приготовленной на основе композиции в виде концентрированного спиртового раствора антрахинона (10-3 моль/л), в кварцевой трубке (1) с внутренним диаметром менее 3 мм на установке, блок-схема которой приведена на фиг. 1. Композиция поступает в изначально пустую трубку (1) через резиновые шланги (2) с помощью насоса центробежного типа (3). Скорость течения композиции варьируется путем изменения напряжения на источнике питания двигателя (4). Возбуждение образца, поступившего в трубку, производится ультрафиолетовым светом (длина волны 337 нм), поступающим от лазера (5). Лазером облучается произвольный фиксированный участок трубки. Длительность возбуждения составляет 1 секунду и регулируется электромеханическим затвором (8), который синхронизирован с другим затвором (9), определяющим время экспозиции цифровой камеры (6).The implementation of the proposed method, we consider the example of measuring the flow rate of a liquid prepared on the basis of a composition in the form of a concentrated alcoholic solution of anthraquinone (10 -3 mol / l), in a quartz tube (1) with an inner diameter of less than 3 mm on a plant, the block diagram of which is shown in FIG. 1. The composition enters the initially empty tube (1) through rubber hoses (2) using a centrifugal pump (3). The flow rate of the composition varies by changing the voltage at the motor power source (4). The excitation of a sample entering the tube is produced by ultraviolet light (wavelength 337 nm) coming from a laser (5). The laser irradiates an arbitrary fixed portion of the tube. The excitation duration is 1 second and is regulated by an electromechanical shutter (8), which is synchronized with another shutter (9), which determines the exposure time of a digital camera (6).
Время возникновения флуоресценции фотопродукта в зоне облучения потока регистрируется фотодиодом (7). Начальный момент времени t0 облучения композиции, то есть момент, когда композиция попадает в зону облучения трубки, фиксируется и определяется резким снижением интенсивности излучения, попадающего на фотодиод (фиг. 2). В результате инициируемых фотохимических реакций, протекающих в течение некоторого времени τi, в композиции генерируется флуоресцирующий фотопродукт, флуоресценция которого вносит вклад в сигнал, регистрируемый фотодиодом. Измеренные значения начального момента времени t0 облучения композиции и времени t1 появления флуоресценции фотопродукта в композиции позволяют с высокой точностью определить время генерации флуоресцирующего фотопродукта как τi=t1-t0.The time of fluorescence of the photoproduct in the irradiation zone of the flow is recorded by the photodiode (7). The initial moment of time t 0 of irradiation of the composition, that is, the moment when the composition falls into the irradiation zone of the tube, is fixed and is determined by a sharp decrease in the intensity of the radiation incident on the photodiode (Fig. 2). As a result of the initiated photochemical reactions that occur for some time τ i , a fluorescent photo product is generated in the composition, the fluorescence of which contributes to the signal recorded by the photodiode. The measured values of the initial instant of time t 0 for irradiating the composition and the time t 1 for the appearance of fluorescence of the photoproduct in the composition make it possible to determine with high accuracy the generation time of the fluorescent photoproduct as τ i = t 1 -t 0 .
Полученная зависимость времени возникновения флуоресценции фотопродукта антрахинона от скорости течения раствора в трубке при постоянной мощности лазерного излучения 3 мВт приведена на фиг. 3. Как видно из графика, полученная зависимость τi=ƒ(Vср) с хорошим приближением является линейной.The obtained dependence of the time of occurrence of fluorescence of the anthraquinone photoproduct on the solution flow rate in the tube at a constant laser radiation power of 3 mW is shown in FIG. 3. As can be seen from the graph, the obtained dependence τ i = ƒ (V sr ) with a good approximation is linear.
Предложенное техническое решение обеспечивает устранение недостатков инерционных измерений и высокий контраст изображения, что способствует снижению систематической погрешности и позволяет упростить как оптическую схему, так и процесс измерения скорости течения жидкости.The proposed technical solution eliminates the disadvantages of inertial measurements and high image contrast, which helps to reduce the systematic error and allows us to simplify both the optical scheme and the process of measuring the fluid flow rate.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016106491A RU2620985C1 (en) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | Method for measuring fluid flow rates in microchannels |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016106491A RU2620985C1 (en) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | Method for measuring fluid flow rates in microchannels |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2620985C1 true RU2620985C1 (en) | 2017-05-30 |
Family
ID=59032036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016106491A RU2620985C1 (en) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | Method for measuring fluid flow rates in microchannels |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2620985C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1305582A1 (en) * | 1985-08-27 | 1987-04-23 | Пермский политехнический институт | Method of determining anthraquinone |
| SU1651171A1 (en) * | 1989-01-31 | 1991-05-23 | Р.П.Селегин, В.П.Выскребенцев и А.А.Цукерваник | Method of fluorescence recording for liquid chromatography |
| US5093866A (en) * | 1990-02-09 | 1992-03-03 | Hamilton Equine Associates Limited | Fluorescence and motility characterization system for cells, bacteria, and particles in fluids |
| US20060049369A1 (en) * | 1998-12-09 | 2006-03-09 | Meinhart Carl D | Depth-of-field micron resolution velocimetry with pulsed images of injected solid particles |
| US7515268B1 (en) * | 2006-02-02 | 2009-04-07 | E.I. Spectra, Llc | Fluorescence-activated cell detector |
-
2016
- 2016-02-24 RU RU2016106491A patent/RU2620985C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1305582A1 (en) * | 1985-08-27 | 1987-04-23 | Пермский политехнический институт | Method of determining anthraquinone |
| SU1651171A1 (en) * | 1989-01-31 | 1991-05-23 | Р.П.Селегин, В.П.Выскребенцев и А.А.Цукерваник | Method of fluorescence recording for liquid chromatography |
| US5093866A (en) * | 1990-02-09 | 1992-03-03 | Hamilton Equine Associates Limited | Fluorescence and motility characterization system for cells, bacteria, and particles in fluids |
| US20060049369A1 (en) * | 1998-12-09 | 2006-03-09 | Meinhart Carl D | Depth-of-field micron resolution velocimetry with pulsed images of injected solid particles |
| US7515268B1 (en) * | 2006-02-02 | 2009-04-07 | E.I. Spectra, Llc | Fluorescence-activated cell detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12352673B2 (en) | Manipulation of microfluidic droplets | |
| Sinton | Microscale flow visualization | |
| Williams et al. | Advances and applications on microfluidic velocimetry techniques | |
| Khodaparast et al. | A micro particle shadow velocimetry (μPSV) technique to measure flows in microchannels | |
| Meinhart et al. | Micron-resolution velocimetry techniques | |
| Zhao et al. | Measurement of velocity fluctuations in microfluidics with simultaneously ultrahigh spatial and temporal resolution | |
| CN101122610A (en) | A measuring device and measuring method for the velocity distribution of a microfluidic channel | |
| RU2620985C1 (en) | Method for measuring fluid flow rates in microchannels | |
| JP2003270261A (en) | Local spatial average particle tracking method | |
| Kanda et al. | Measurement of particle distribution in microchannel flow using a 3D-TIRFM technique | |
| Brigo et al. | Water slip and friction at a solid surface | |
| Wereley et al. | Microresolution particle image velocimetry | |
| Kikuchi et al. | Velocity profile of thin film flows measured using a confocal microscopy particle image velocimetry system with simultaneous multi depth position | |
| Tsuji et al. | Optically-Trapped Particle Tracking Velocimetry | |
| Wang et al. | Calibration-Free Travel Time After Photobleaching Velocimetry | |
| Wang et al. | Travel time after photobleaching velocimetry | |
| CN113692528A (en) | Fluidic device for optical interrogation of individual microorganisms | |
| Beushausen et al. | 2D-measurement technique for simultaneous quantitative determination of mixing ratio and velocity field in microfluidic applications | |
| Cao et al. | Micro-particle image velocimetry in biomedical applications | |
| Hosokawa et al. | Measurement of bubbly flow using spatiotemporal filter velocimetry coupled with molecular tagging | |
| Nobes et al. | Image-based photonic techniques for microfluidics | |
| Sugii et al. | Stabilization of interface between two liquid phases on a microchip by means of micro PIV technique | |
| Papautsky et al. | Microscale flow visualization | |
| Andersson | Measuring a three-dimensional parabolic flow profile inside a microchannel using the General defocusing particle tracking laboratory | |
| Heinzel et al. | Flow Pattern Measurement by PIV in the Microchannels of a Heat Exchanger and Associated Problems Due to Fouling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180225 |