同軸流体力学的集束ミキサーにおける混合速度と均一性の競合について

On the competition between mixing rate and uniformity in a coaxial hydrodynamic focusing mixer.

• Diego A Huyke
• Ashwin Ramachandran
• Diego I Oyarzun
• Thomas Kroll
• Daniel P DePonte
• Juan G Santiago

抄録

視線積分検出方式で使用するための高速マイクロ流体ミキサーは、独自の課題を抱えています。このような検出器は、一般的に、流体の流れの遅い動き（例えば、内壁付近）と速い動きの部分から信号を識別することができません。これは、反応速度のダイナミクスと流体の流れの滞留時間のダイナミクスを複雑にします。さらに、典型的な三次元流体力学的集束装置では、断面積が小さいため、検出信号が小さくなってしまいます。現在の研究では、混合の小さな時間スケールと均質な滞留時間の両方を達成することに焦点を当てています。これは、中央のキャピラリから試料を注入し、テーパー状の第二キャピラリ内のシース流を用いて流体力学的に集束することで達成されます。現在の設計では、3 番目の大きな同軸キャピラリも使用しています。この第 3 キャピラリの大きな断面に混合流が流れ込むことで、流速を最大 14 倍に減速・拡大し、反応生成物の視線方向の信号強度を向上させています。流体力学的な集束、混合、膨張については、解析モデルと数値モデルを用いて研究し、フルオレセイン-ヨウ化物消光反応を用いて実験的に研究しました。実験的に検証されたモデルを用いて、混合速度と均一性のトレードオフを調べた。本研究では、初めて、混合の不均一性を測定するために、同軸毛細管内での混合中の種の輸送のラグランジュ時間履歴を詳細に解析しました。混合領域では、次数100μsの混合時間と同じ次数(140μs)の滞留時間幅が可能である。

Fast microfluidic mixers for use with line-of-sight integrating detection schemes pose unique challenges. Such detectors typically cannot discriminate signal from slow moving (e.g. near internal walls) and fast-moving portions of the fluid stream. This convolves reaction rate dynamics with fluid flow residence time dynamics. Further, the small cross sections of typical three-dimensional hydrodynamic focusing devices lead to lower detection signals. The current study focuses on achieving both small time scales of mixing and homogenous residence times. This is achieved by injecting sample through a center capillary and hydrodynamically focusing using a sheath flow within a tapered second capillary. The current design also features a third, larger coaxial capillary. The mixed stream flows into the large cross-section of this third capillary to decelerate and expand the stream by up to 14-fold to improve line-of-sight signal strength of reaction products. Hydrodynamic focusing, mixing, and expansion are studied using analytical and numerical models and also studied experimentally using a fluorescein-iodide quenching reaction. The experimentally validated models are used to explore trade-offs between mixing rate and uniformity. For the first time, this work presents detailed analysis of the Lagrangian time history of species transport during mixing inside coaxial capillaries to measure mixing nonuniformity. The mixing region enables order 100 μs mixing times and residence time widths of the same order (140 μs).

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