Analyse mikrofluidischer Strömungen mit Molecular Tagging Velocimetry und planarer Ramanstreuung

: Abbildung 1: Ergebnis einer Tagging Messung, gemittelte Daten

In diesem Projekt werden eine modifizierte MTV (Molecular Tagging Velocimetry) mit einer Auswertung durch die „Methode des optischen Flusses“ und planare spontane Raman-Streuung eingesetzt, um mikrofluidische Systeme zu analysieren. Für die MTV-Aufnahmen werden dem Fluid sehr geringe Mengen eines Fluoreszenzfarbstoffes zugesetzt, der zunächst, durch eine zusätzliche funktionale Gruppe im Molekül, deaktiviert vorliegt (ein sog. „caged dye“). Durch eine flächig strukturierte, gepulste Beleuchtung mit UV-Laserlicht eines XeF-Excimer Lasers wird der Farbstoff an den beleuchteten Stellen innerhalb der Fluidströmung freigesetzt. Nach diesem „Schreibpuls“ kann die Bewegung des so eingeschriebenen Musters durch Anregung der Fluoreszenz mit einem zweiten Laser verfolgt werden. Ein kontinuierlicher Ar(+)-Laser beleuchtet den Fluidfilm dazu großflächig, während eine Kamera das Fluoreszenzlicht des freigesetzten Farbstoffes zeitaufgelöst registriert. Die erstellten Bildserien werden durch eine angepasste Variante der Methode des optischen Flusses ausgewertet.

Zur Auswertung der Bilddaten wird die Methode des optischen Flusses genutzt, die insbesondere Intensitätsgradientenfelder verarbeiten kann, wie sie in den Aufnahmen generiert werden. Der Algorithmus ist dabei in der Lage, auch die auftretende Farbstoffdiffusion zu modellieren, die der Verschiebung des Musters durch das Strömungsfeld überlagert ist.

: Abbildung 2: Ramanaufnahme einer Mischung von Ethanol und Wasser. Ethanol fließt von unten aus mehreren Zuläufen in Wasser ein. Der Ramanfilter wurde zur Detektion von Ethanol optimiert.

Eine weitere wichtige Information für die Optimierung von mikrofluidischen Mischern und Reaktoren ist die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Gemischbildung bzw. der Reaktion. Um Informationen über die Verteilung der verschiedenen beteiligten Gemischkomponenten zu erhalten wird die spontane Ramanstreuung genutzt. Bei diesem Messverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass verschiedene Spezies anhand ihrer charakteristischen „spektralen Fingerabdrücke“ (ihrer Ramanspektren) unterscheidbar sind. Mit schmalbandigen Filtern ist es möglich, das Ramanstreulicht der interessierenden Spezies zu selektieren und unbeeinflusst vom Ramanstreulicht anderer Spezies zu detektieren. Die so gewonnenen lokalen Streulichtintensitäten sind ein direktes Maß für die Dichteverteilung der untersuchten Spezies.

Die Kombination der beiden präsentierten Techniken liefert wichtige Informationen für die Optimierung von Strömungsphänomenen in mikrofluidischen Systemen.

Förderung:

Fördermaßnahme der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogrammes 1147 "Bildgebende Messverfahren zur Strömungsanalyse"

Kooperationspartner:

Universität Heidelberg, Prof. Dr. K. Jähne
Universität Münster, Prof. Dr. C. Denz
Institut für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe

Weiterführende Informationen:

Roetmann K, Garbe CS, Beushausen V, 2005, „2D-Molecular Tagging Velocimetry zur Analyse Mikrofluidischer Strömungen“, Tagungsband Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 26/1 – 26/10, ISBN 3-9805613-2-1

Roetmann K, Schmunk W, Garbe CS, Beushausen V, 2006, „Analyse Mikrofluidischer Strömungen mit Molecular Tagging Velocimetry und Planarer Ramanstreuung“, Tagungsband Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 31/1 – 31/8, ISBN 3-9805613-3-X

Roetmann K, Garbe CS, Schmunk W, Beushausen V, 2006, “Micro-Flow Analysis by Molecular Tagging Velocimetry and Planar Raman-Scattering”, Proc. of 12th International Symposium on Flow Visualization

Roetmann K, Schmunk W, Garbe CS, Beushausen V, 2007, “Micro-Flow Analysis by Molecular Tagging Velocimetry and Planar Raman-Scattering”, Experiments in Fluids, DOI: 10.1007/s00348-007-0420-1

Garbe CS, Roetmann K, Beushausen V, Jähne B, 2007, “An optical flow MTV based technique for measuring microfluidic flow in the presence of diffusion and Taylor dispersion”, Experiments in Fluids, DOI: 10.1007/s00348-007-0435-7