界面上的傳輸現(xiàn)象常常決定或限制流程的整體性能。直接研究微米尺度界面上動(dòng)量惯悠、質(zhì)量和熱的界面輸運(yùn)邻邮，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化各種微觀和宏觀尺度技術(shù)具有重要意義。荷蘭特文特大學(xué)(University of Twente, The Netherlands)的軟物質(zhì)小組由教授Dr. Rob Lammertink領(lǐng)導(dǎo)克婶，本文中構(gòu)建了一種微流體饶囚，通過熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）原位測(cè)量流經(jīng)氧泡的水溶液中溶解氧濃度分布，研究了氣體吸收的凈速率鸠补。旨在更好地理解邊界附近的傳輸現(xiàn)象萝风，以便改進(jìn)各種過程，如脫鹽紫岩、物種分離和(圖)催化反應(yīng)规惰。
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LIFA熒光壽命成像在微流體中的運(yùn)用——研究氧在濕滑氣液界面上的輸運(yùn)
微流體提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，允許集成“可控”的表面和直接測(cè)量附近的傳輸現(xiàn)象泉蝌。Elif Karatay在特文特大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間使用微流體氣泡墊層歇万，制作了其中一個(gè)微通道壁作為由交替固體壁和微氣泡組成的超疏水表面(圖1)。她通過熒光壽命成像顯微鏡實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值估計(jì)了在短接觸時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定氣液界面上氣體吸收的動(dòng)態(tài)傳質(zhì)勋陪。
圖1 (a)微流控氣泡墊贪磺。(b)FLIM實(shí)驗(yàn)中相同設(shè)置下水中溶解氧的數(shù)值模擬，顏色條表示氧的濃度诅愚。(c)由FLIM解析的壽命場(chǎng)疊加在亮場(chǎng)顯微鏡圖像上寒锚，顯示氣泡進(jìn)入到水中，顏色條表示熒光壽命违孝，以納秒為單位刹前。
通過頻域熒光壽命成像(FD-FLIM)顯微鏡對(duì)流經(jīng)氧泡的水溶液中的溶解氧濃度分布進(jìn)行原位測(cè)量，研究了氣體吸收到水中的速率雌桑。利用FLIM對(duì)氧濃度進(jìn)行成像喇喉，采用釕基氧敏發(fā)光染料ruthenium tris(2,2’ -dipyridyl) dichloride hexahydrate(RTDP)，符合氧猝滅的單衰變函數(shù)校坑。在FLIM實(shí)驗(yàn)中拣技，在蔡司Axio Observer倒置顯微鏡上使用了擴(kuò)展Lambert Instruments的FLIM附件(LIFA-X)系統(tǒng)千诬。LIFA-X由一個(gè)LED光源和一個(gè)Lambert像增強(qiáng)相機(jī)(TRiCAM)組成，在門控模式下操作可以獲得熒光壽命膏斤。
為了校準(zhǔn)測(cè)量徐绑，分別在無氧(N2飽和)、空氣和氧飽和水溶液中測(cè)量氧敏RTDP的壽命掸绞，其中微氣泡分別由氮?dú)狻⒖諝夂脱鯕鈿怏w組成耕捞。在下面的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中衔掸，在微通道的邊界處建立氧氣微氣泡，工作液為脫氧RTDP水溶液俺抽，通過橫向排列的氧氣氣泡(圖1c和圖2)敞映。
在不同的軸向位置測(cè)量了RTDP在溶液側(cè)微通道H方向上的壽命(圖2)。通過在交替微通道壁附近測(cè)量最小熒光壽命數(shù)據(jù)磷斧，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定了氣泡界面的輪廓和位置振愿。圖2顯示了在同一微泡微通道的不同軸向位置用FLIM測(cè)量的連續(xù)壽命場(chǎng)，可以觀察到沿下游流動(dòng)邊界層厚度的增加弛饭。這里冕末，在圖2c中，擴(kuò)散邊界層的厚度為微流道高度H的23%侣颂，由于雷諾數(shù)Re為7.5档桃，擴(kuò)散邊界層沒有進(jìn)一步延伸到微流道內(nèi)部。
圖2 軸向位置x的連續(xù)壽命場(chǎng)憔晒。圖中表示了沿下游流動(dòng)時(shí)邊界層厚度增加的定量可視化(45 μl/min)藻肄。流動(dòng)方向?yàn)閺淖蟮接摇ｎ伾珬l指的是生命周期拒担，以納秒為單位嘹屯。虛線箭頭表示軸向位置，在該位置上獲得了微通道高度上的局部氧濃度分布从撼。
利用FLIM測(cè)量的局部濃度梯度州弟，得到了氣相到液相氧通量的局部分布。此外低零，根據(jù)這些局部通量分布可以計(jì)算相對(duì)于的空間平均總吸氧通量呆馁。
FLIM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在氣液接觸時(shí)間較短的情況下毁兆，光滑微氣泡對(duì)氣體溶解具有額外的傳質(zhì)阻力浙滤。這種傳質(zhì)阻力導(dǎo)致氣體吸收比傳統(tǒng)公認(rèn)的平衡界面模型——亨利定律所預(yù)測(cè)的要慢。在非平衡條件下气堕，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好纺腊。結(jié)果表明畔咧，短接觸時(shí)間可能無法建立相平衡態(tài)。
相關(guān)文獻(xiàn)：
[1]Karatay, E.,Tsai, P.A.,Lammertink, R.G.H.. Rate of gas absorption on a slippery bubble mattress[J]. Soft matter,2013,9(46).
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