显微粒子图像测速技术Micro-PIV研究进展

DOC
1 2

( n
4 5.95( M 1) 2 2 n 0 2 2 4 4NA 16M NA 2 0 2 dp
1/ 2
（2）
其中， d p 为粒子直径， 为激光波长， M 为放大倍数， n0 物镜浸润液体的折射率， NA 为数值孔径。 为权重极限值，一般设置为 0.01。从公式（2）中可以发现，数值孔径 NA 和粒子直径 d p 对 DOC 值影响较 大，放大倍数 M 影响较小，与实验结果比较符合，测量厚度与物镜参数及粒子直径关系如表 1 所示[12]。 表 1 不同参数下测量厚度的实验结果 粒子直径 d p (µm) 0.10 0.20 0.50 1.00 3.00 显微物镜参数
M =10 NA =0.25
2.9 4.3 9.4 18 55
M =20 NA =0.5
2.3 2.8 5.0 9.3 27
M =40 NA =0.6
2.2 2.6 4.3 7.9 23
M =40 NA =0.75
2.2 2.4 3.7 6.4 18
M =60 NA =0.1.4
2.1 2.2 2.6 3.9 10
4பைடு நூலகம்
3.1.3 隐失波照明 采用隐失波（Evanescent wave）对微通道照明是一种新的流场照明技术，最早是由 Zetter 等[39]报道 的。当光从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质（如从玻璃进入液体） ，且入射角大于临界角时， 光线全部被界面反射，发生全内反射现象。实际中由于光的波动效应，一部分光的能量会穿过界面到达液 体中，沿界面传播，这部分光就是所谓的隐失波。隐失波强度随离开界面距离增加呈现指数衰减，照明厚 度一般为 100nm-200nm，远小于物镜观测厚度。这种照明方式可以只照亮壁面附近的粒子，大大减小了观 测平面厚度[39,42,43]， 也被称为纳米 PIV。 采用这种方法， Zettner 等[39]和 Li 等[43]分别报道了对 40400.38µm3 和 154240.2µm3 体积测量。由于隐失波强度随距离成指数衰减，使得照明厚度不一致，对测量精度有很 大影响。同时，由于近壁面粒子数目相对较少，且粒子在近壁面受到布朗运动、电场力和粘附现象的影响， 为提高测量精度，图像处理时需要采用较大的积分窗口[42-44]。当需要研究近壁面流动特性时(如滑移问题)， 这种照明方式较体照明更加合适。 3.2 示踪粒子 Micro-PIV 作为一种光学测速技术，要求待测流体介质必须是透明的，并在其中散布跟随性良好的荧光 示踪粒子。Micro-PIV 采用的示踪粒子比传统 PIV 要求更加严格，示踪粒子多使用荧光标记的聚苯乙烯小 球（Polystyrene Latex，PSL） ，直径一般 200nm-2µm，根据观测视场大小合理选择，一般示踪粒子直径约 小跟随性越好，但是直径小于 1µm 时，布朗运动产生的影响将引起测量速度产生较大误差。图像处理时可 以采用图像互相关平均（Correlation averaging）算法减小布朗运动引起的误差。水中一般使用聚苯乙烯粒 子（200nm-2µm）作为示踪粒子[12]。 当研究纳米尺度流动时，Pouya 等[45]采用量子点（Quantum dots，QD）作为一种新的示踪粒子。与荧 光示踪粒子相比，量子点具有许多有点，首先其直径非常小，一般 2-25nm，不会发生光漂白现象，多种发 射波长可以选择使用，还可以通过表面处理控制其在不同溶液中的可溶性[46,47]。但是采用量子点作为示踪 粒子有三个缺点，即量子点自身具有闪光性，布朗运动明显和荧光信号弱。Freudenthal 等[48]报道了将多个 量子点固定在直径 70nm 的粒子表面作为示踪粒子，可以有效克服量子点闪光性的影响，并增加了信号强 度。 无论选择那种示踪粒子，都要求根据观测微通道的特征尺度对粒子直径进行优化选择，使其跟随性好， 对流场干扰尽量小，不能堵塞微通道[49]。同时，粒子直径不能太小，要保证其荧光信号足够强，能在 CCD 相机上成像，并且有效减小布朗运动影响。Santiago 等[50]分析了布朗运动引起的随机热噪声对测速结果带 来的误差为：
2
面，获得 2 维粒子图像，只能实现 2 维速度测量。
v
s t
（1）
但由于微器件特征尺度十分微小，对其内部流动进行测量提出了许多新的挑战。因此，与传统 PIV 相 比，Micro-PIV 在粒子图像获取方法、示踪粒子和图像处理三方面存在较大差别[12]，下面将对这三方面差 别及关键技术的最新研究进展进行介绍。
2
视场为 50 50 m 。目前，其空间分辨率可以达到 1µm 量级，通过提高物镜的数值孔径（NA）和放大倍
2
数（如 100 倍油浸物镜） ，甚至可以达到 100nm [25]。 Micro-PIV 粒子图像测速原理：在待观测流体中散布（或流体中已存在）跟随性良好的固体粒子、液 体或气泡，作为示踪粒子，对示踪粒子进行激光照明，由 CCD 相机记录连续两次曝光时间间隔（ t ）的 两幅粒子图像，将这两幅带有时间信息的粒子图像一起存储到计算机，通过计算机图像相关处理技术获得 位移（ s ） ，进而获得全场的速度矢量[12,25,33]。应该指出，由于拍摄时可能将 3 维粒子位移投射到 2 维平
3
为了获得较高质量的粒子图像， 需要采用最高灵敏度 （量子效率） CCD 相机， 一般采用较大像素 （large format）行间转移面阵 CCD 相机具有空间动态范围宽，两帧图像时间间隔短（~200ns）的优点。如果荧光 信号太弱， 也可以使用加强型 CCD， 但是会使的图像质量变差。 采用双快门相机可以将拍摄间隔缩短到 1µs， 适用于高放大倍数下的高速流动测量。 Micro-PIV 一般使用荧光示踪粒子，拍摄到的是荧光粒子图像。荧光示踪粒子有单色激光（532nm） 激发，发出更长波长的荧光。由于微通道壁面及内部反射和散射激光信号较激发荧光信号强，必须在 CCD 与物镜之间光路增加截止滤光片（>570nm） ，有效的阻止激光，而通过荧光信号，极大地减小了背景噪声 干扰，提高了信噪比。 3.1.2 体照明 在传统 PIV 流场测量中，采用的片光照明方式确定待测平面位置，而 Micro-PIV 采用的是体照明方式 （Volume illumination） ，也有报道采用采用隐失波照明[39]） 。由于激光片光最小厚度（0.5mm）很可能超出 微流动区域截面尺度，因此，在 Micro-PIV 中无法无法使用片光形式定位待观测流场平面，而是通过调节 物镜聚焦平面位置来定位待观测平面。体照明中，观测到的流体厚度由物镜景深决定，它对获得的粒子图 像效果有重要影响。只有在观测平面内的粒子才能对获得的粒子图像和互相关处理结果有重要影响，因此 也称为互相关深度（Depth of correlation，DOC） 。Olsen 等[40]和 Bourdon 等[41]报道的互相关深度公式为：
显微粒子图像测速技术 Micro-PIV 研究进展 1)
申 峰 2), 刘赵淼
(北京工业大学机械电子与应用工程学院，北京 100124)
摘 要：随着微流动器件(Microfluidic devices)应用领域更加广泛，包括生命科学、微流控芯片和微加工制造等相关领域，微 流体器件内部的流体力学特性成为了重要的研究内容。 微尺度下低雷诺数流动中的表面力作用相对增强， 流动行为与宏观尺 度有很大不同。Micro-PIV 是一种整场、瞬态、定量的微尺度速度场测量方法，已达到相当高的分辨率（0.1µ m） ，成为重要 的微流动研究手段之一，引起了广泛的研究关注。本文讨论了 Micro-PIV 技术近年来在基本理论、关键技术等方面的发展状 况，并与其它流动显示方法进行了比较，并介绍了在近壁面流动，电渗流，微混合等研究中的应用。 关键词：Micro-PIV；微流动；荧光粒子；壁面滑移；流动可视化
图 1 每年文章发表情况（截止到 2011.5）
2 Micro-PIV 测速原理
Micro-PIV 作为一种光学测速技术，一般借助显微镜系统和计算机数字图像处理技术实现的。显微物 镜是图形获得中的重要光学部件，它具有同时聚焦激光和收集荧光信号的作用，所以只需要在微流动器件 上有一个光学观测窗口即可。经典 Micro-PIV 可以实现平面 2 维速度测量，其测量的视场范围由显微镜的 物镜放大倍数决定，最小放大倍数为 5 倍的物镜，视场范围为 1 1mm ，最大放大倍数为 100 倍的物镜，
1 引言
近年来，微流动器件(Microfluidic devices)应用成为国内外研究的热点[1,2]，微流动器件结构和功能也越 来越复杂，微流动器件内部的流动行为问题成为了研究的重要内容[3,4]，引起来了广泛关注[5,6]。已有研究 表明，由于流动特征尺度的微小，流体分子间作用力、静电力等表面力效应相对增强，同时流动还受到微 流体器件构型、壁面粗糙度和浸润性等因素影响，微尺度流动行为表现得非常复杂，目前还无法对这些复 杂流动现象进行合理的解释[7,8]。流动可视化技术是微尺度流动研究的重要实验方法[9,10]。显微粒子图像测 速技术(Micro-scale particle image velocimetry, Micro-PIV or µ PIV)是 20 世纪 90 年代发展起来的一种微尺度 流动测量与显示技术[11]，可以实现无干扰、整场、瞬态、定量的微尺度速度场测量，有效测量的尺度范围 为 0.1-100µm[12]，目前已达到相当高的分辨率（<1µ m） ，测速范围从每秒数纳米到数米，成为重要的微流 动研究手段，受到了研究者的广泛关注。目前，其它的微尺度流场测速技术，如磷光显示测速[13]、光漂白 测速[14]、分子标记测速[15]和拉曼散射技术[16]等，只能获得定性研究结果，也被称作流动定性可视化研究， 其分辨率和测量精度都无法和 Micro-PIV 相比。 Micro-PIV 是在 PIV 技术基础上发展起来的，两者基本原理相同，都是通过观测流场中散布的示踪粒 子，获得两副或多幅粒子图像，并对这些粒子图像进行空间相关性分析得到流场速度[17-24]。但是由于两者 的光路设计及组成部件有重大不同，一般认为这是两种相互独立流场测速技术[12,25,26]。最早的利用示踪粒 子进行微流动可视化研究的技术也被称作微尺度粒子跟踪技术(Micro-scale particle tracking, PTV)[27]，最初 被应用于生物和医学研究中[28]。利用 PTV 技术，Taylor 等人[29]和 Brody 等人[30]使用超荧光显微镜对直径 900nm 的荧光示踪粒子进行长时间照明观测，获得粒子运动轨迹图像。这种方法获得的速度场具有不准确