CN103675333A - 一种实时测量微流体速度场的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时测量微流体速度场的装置及方法，包括照明光源、自制的光路处理器、感光元件、同步控制器、数据采集和分析系统。测量方法为将待测微流控元件固定于支架上，根据CCD相机中的实时图像调整待测元件位置，通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入待测微流控元件中，在流动稳定后，开启双脉冲激光器和CCD相机进行拍摄，经光路处理器对光源进行过滤以保证特定波长光源进入感光元件；CCD相机通过同步器与脉冲激光器保持同步，将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中。本发明采用自制的光路处理器替代了现有Micro-PIV技术中的显微镜，降低了测量装置的成本，同时提高了整套测量装置的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流体混合过程的测量装置及方法，尤其是针对特征尺寸在100μm-1000μm的微流控元件内流体速度场的实时测量。
背景技术
随着微电子机械制造技术的发展,近年来反应器的微小化已经成为化学化工等领域的一个研究热点。微尺度流动在精细化工、制药、生命科学等领域中有着广泛的应用。按照国际流体动力学界的习惯划分，将特征尺度在1μm到lmm之间的流动界定为微尺度流动。对如此小尺度的流动进行速度场的定量测量，传统的皮托管、热线风速仪等已经无能为力。
20世纪90年代末，国际上在传统的PIV（Particle Image Velocimetry）技术基础上发展了一种对微尺度流动进行全场测量的实验方法，即Micro-PIV技术。目前，此技术仍是微流体领域速度场测量最为有效且使用较为广泛的测量方法。与传统PIV测速的原理一样，目前采用的Micro-PIV也是在流场中播撒流动跟随性很好的示踪粒子，对粒子进行激光照明，由CCD（Charge Coupled Device）相机记录连续两次曝光时间间隔粒子的位移情况，最后通过计算机图像分析技术给出瞬时速度场。但由于所研究问题的特殊性，Micro-PIV技术与传统的PIV存在较大差别，主要表现在如下几个方面：（1）获取图像的方式不同。由于流动尺度在数十微米到亚毫米量级，普通CCD相机没有办法获取如此小尺度下的粒子图像，因此必须采用显微观测技术才能够得以实现。（2）光照方式不同。传统PIV测量流场的照明方式采用片光源技术仅对测量平面进行照明，为了获得较高的测量精度，光片厚度要求小于照相系统的景深。对Micro-PIV技术而言，由于待测流场尺度微小，无论采用何种方式对流场进行照明，光照区域都可能超出流动通道截面的尺度。此外，由于加工条件的限制，流体元件往往仅有一个开窗面能够通过光路，作为进光与采集图像共同的窗口。因此，对于Micro-PIV测量流场是被通体照亮，称为体照明方式。（3）播撒粒子的要求高。在微尺度条件下，粒子的选择更为严格。示踪粒子应不对流场产生干扰，也不能够对流道造成堵塞，所以粒径大小一般控制在数百纳米，这样容易受到布朗运动的影响，造成较大的随机误差，需要采用有效方法减小这种误差；另外，由于普通粒子的散射光强度无法满足成像要求，必须采用荧光粒子作为示踪粒子，选择的荧光物质激发光波长应和照明光波长匹配。
正是基于上述差别，现有对微流体速度场的测量装置均是以显微镜为测量平台附加PIV测量元件而构成的。中国发明专利申请CN101122610A公开了一种基于显微镜测量平台的微流道速度分布测量装置。中国发明专利申请CN101710131A公开了一种基于倒置荧光显微镜的离焦数字三维微流场荧光测试仪。Lindken等(Lab on chip,2009,9:2551-2567)综述了基于倒置荧光显微镜的Micro-PIV测量技术的应用和研究进展。然而，对于现有Micro-PIV技术而言，围绕倒置显微镜构造测量平台尽管解决了光源和图像获取的问题，但是整套装置成本较高，且整个测量装置的灵活性受到显微镜光源以及载物台的限制，对于较复杂形状的立体微流控芯片无法实现多角度测量。
发明内容
本发明技术解决问题：克服对现有Micro-PIV测量技术存在不足的分析，提供了一种微流体速度场的实时测量装置及方法，本发明采用自制的光路处理器替代了现有Micro-PIV技术中的显微镜，降低了测量装置的成本，同时提高了整套测量装置的灵活性。
本发明技术解决方案：一种实时测量微流体速度场的装置，包括：照明光源、自制的光路处理器、CCD相机、同步控制器、数据采集和分析系统；所述照明光源为双脉冲激光器；同步控制器同步控制光源及感光元件保持同步；采用CCD相机作为感光元件；双脉冲激光器发出的激光直接照射在微流控测量元件表面，微流控测量元件固定于支架上；所述自制的光路处理器对透过微流控测量元件且进入CCD相机前的光路进行处理，经处理后的光路由所述CCD相机所捕捉，CCD相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步，触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中；所述自制的光路处理器包括图像放大装置和滤光片：图像放大装置由显微镜头和接管构成，选用图像放大4倍-100倍的显微镜头，显微镜头与接管之间采用螺纹连接；接管的一端与显微镜头相连接，另一端与CCD相机相连接；滤光片采用560nm以上高通滤光片，滤光片内置于接管中，且直径与接管内径相等。
所述接管长度为50-150mm，外径为25mm，内径为20mm。
一种实时测量微流体速度场的方法，步骤为：首先将微流控测量元件固定于支架上，根据CCD相机中的实时图像调整微流控测量元件位置；设定CCD相机的跨帧时间，使其大于双脉冲激光器脉冲间隔时间；通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入微流控测量元件中，待流动稳定后，开启双脉冲激光器和CCD相机进行拍摄，经光路处理器对光源进行过滤以保证特定波长光源进入CCD相机；图像的放大倍率通过显微镜头与接管长度共同调节；CCD相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步，触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中。
所述测量过程所采用的示踪粒子粒径尺寸为1μm-3μm。
所述微流控测量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃，微流控测量元件内微通道的特征尺寸为100μm-1000μm。
本发明的有益效果为：采用自制的光路处理器替代了现有Micro-PIV技术中的显微镜，使整套测量装置得以简化，并大幅降低了整套测量装置的成本。此外，本发明克服了基于显微镜平台的Micro-PIV技术中光路以及感光元件的拍摄角度受制于显微镜的缺点，提高了测量的灵活性，可实现多角度、多方位测量。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图；
图2为本发明中光路处理器示意图；
图3为螺旋通道内速度场测量结果矢量图
图4为T型通道入口处流体混合过程速度场测量结果矢量图；
图5为Y型通道入口处流体混合过程速度场测量结果矢量图。
其中：1-照明光源；2-微流控测量元件；3-支架；4-自制的光路处理器；5-感光元件；6-数据采集和处理系统；7-同步控制器；8-显微镜头；9-滤光片；10-接管。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种实时测量微流体速度场的装置，包括：照明光源1、自制的光路处理器4、感光元件5、同步控制器7、数据采集和分析系统6。采用Nd:YAG双脉冲激光器作为照明光源1，照明光源1发射波长为532nm，光斑直径可为1-5mm，该光源发出的激光直接照射在微流控测量元件2表面；采用自制的光路处理器4对透过微流控测量元件2且进入感光元件5前的光路进行处理；采用CCD相机作为感光元件，采用同步控制器（MicroPulse725，北京立方天地科技）同步控制照明光源1以及感光元件5。
本发明中自制的光路处理器4包括图像放大装置和滤光片9；图像放大装置由显微镜头8和接管10构成，可选用图像放大4倍（×4镜头）-100倍（×100油镜）的显微镜头8，显微镜头8与接管10之间采用螺纹连接；接管10一端与显微镜头8相连接，另一端与感光元件5相连接，接管10的长度为50-150mm，外径为25mm，内径为20mm；光路中滤光片9采用560nm以上高通滤光片，滤光片9内置于接管10中，且滤光片9的直径与接管10的内径相等。
本发明中的一种实时测量微流体速度场的方法，步骤为：首先将待测微流控元件2固定于支架3上，根据CCD相机中的实时图像调整微流控测量元件2位置；设定CCD相机的跨帧时间，使其小于激光器双脉冲间隔时间；通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入待测微流控元件2中，待流动稳定后，开启双脉冲激光器和CCD相机进行拍摄，经光路处理器对照明光源进行过滤以保证特定波长光源进入CCD相机；图像的放大倍率通过显微镜头8与接管10长度共同调节。CCD相机通过同步控制器7与脉冲激光器保持同步，触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统6中，数据采集和分析系统6采用商业软件,得出的结果就是所测量的速度场信息。
测量过程所采用的示踪粒子尺寸为1μm-3μm。
微流控测量元件2选择透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃加工而成，微流控测量元件内微通道的特征尺寸可为200μm-1000μm。
实施例1：螺旋式微通道内单液相流动速度场测量。
测量元件采用内置挡板的螺旋式微通道，通道的矩形截面宽1000μm，深300μm。示踪粒子为罗丹明B，粒子尺寸为3μm，激光脉冲宽度为50μm，激光强度为30mJ,液相进口表观流速均为0.1m/s，挡板处最高流速为0.14m/s。螺旋通道挡板附近流场矢量图如图3所示。
实施例2：T型通道入口处流体混合过程速度场测量
测量元件采用错流T型微通道，通道的矩形截面宽200μm，深100μm。示踪粒子为罗丹明B，粒子尺寸为1μm，激光脉冲宽度为50μm，激光强度为30mJ，液相进样表观流速均为0.15m/s，通道入口混合区流体最高流速达0.24m/s。错流T型通道入口处流场矢量图如图4所示。
实施例3：Y型通道入口处流体混合过程速度场测量
测量元件采用夹角为60度的Y型微通道，通道的矩形截面宽200μm，深100μm。示踪粒子为罗丹明B，粒子尺寸为1μm，激光脉冲宽度为50μm，激光强度为30mJ，液相进样表观流速均为0.2m/s，通道入口混合区流体最高流速达0.32m/s。Y型通道入口处流场矢量图如图5所示。
Claims (6)
1.一种实时测量微流体速度场的装置，其特征在于包括：照明光源、自制的光路处理器、感光元件、同步控制器、数据采集和分析系统；所述照明光源为双脉冲激光器；同步控制器同步控制光源及感光元件保持同步；采用CCD相机作为感光元件；双脉冲激光器发出的激光直接照射在微流控测量元件表面，微流控测量元件固定于支架上；所述自制的光路处理器对透过微流控测量元件且进入CCD相机前的光路进行处理，经处理后的光路由所述CCD相机所捕捉，CCD相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步，触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中；所述自制的光路处理器包括图像放大装置和滤光片：图像放大装置由显微镜头和接管构成，选用图像放大4倍-100倍的显微镜头，显微镜头与接管之间采用螺纹连接；接管的一端与显微镜头相连接，另一端与CCD相机相连接；滤光片采用560nm以上高通滤光片，滤光片内置于接管中，且滤光片直径与接管内径相等。
2.根据权利要求1所述的实时测量微流体速度场的装置，其特征在于：所述接管长度为50-150mm，外径为25mm，内径为20mm。
3.根据权利要求1所述的实时测量微流体速度场的装置，其特征在于：所述微流控测量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃。
4.一种实时测量微流体速度场的方法，其特征在于实现步骤为：首先将微流控测量元件固定于支架上，根据CCD相机中的实时图像调整微流控测量元件位置；设定CCD相机的跨帧时间，使其大于双脉冲激光器脉冲间隔时间；通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入微流控测量元件中，待流动稳定后，开启双脉冲激光器和CCD相机进行拍摄，经光路处理器对光源进行过滤以保证特定波长光源进入CCD相机；图像的放大倍率通过显微镜头与接管长度共同调节；CCD相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步，触发一次瞬间捕捉两帧图像，同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中。
5.根据权利要求4所述的一种实时测量微流体速度场的方法，其特征在于：所述测量过程所采用的示踪粒子粒径尺寸为1μm-3μm。
6.根据权利要求4所述的一种实时测量微流体速度场的方法，其特征在于所述微流控测量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃，微流控测量元件内微通道的特征尺寸为100μm-1000μm。
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