Abbildendes Raman Deuterium Stable Isotope Probing von Fluidgemischen in Tropfen und Mikrokanälen

Die Verdunstung von komplexen Gemischen ist im täglichen Leben allgegenwärtig. Beim Malen, Tintenstrahldrucken und Kleben verdunsten Lösemittel, während andere relevante Bestandteile der Farbe, Tinte oder des Klebstoffs auf der Oberfläche haften bleiben. Auch wenn Flüssigkeiten auf Oberflächen (ungewollt) eintrocknen und Rückstände zurückbleiben, spielt die Verdunstung bei diesen Trocknungsprozessen eine große Rolle. Die einzelnen Komponenten verdampfen unterschiedlich schnell, wodurch sich Konzentrationsgradienten in den Gemischen bilden, die mithilfe der Ramanspektroskopie charakterisiert werden können.Werden chemisch ähnliche Substanzen untersucht, muss eine Komponente davon chemisch markiert werden, damit die Substanzen mit der Ramanspektroskopie unterschieden werden können. Diese Methode wird zum Beispiel auch beim Raman Deuterium Stable Isotope Probing praktiziert. Eine Art der Markierung kann die Substitution von Wasserstoffatomen durch Deuteriumatome sein. Mit dieser Arbeit konnte die Raman Deuterium Stable Isotope Probing Methode zur Untersuchung chemisch ähnlicher Substanzen an zwei Beispielsystemen und -versuchsaufbauten etabliert werden.

Um Mischungsverhältnisse und Mischungsverhalten von Fluiden auch in derMikrofluidik untersuchen zu können, wurden Experimente mit Ramanspektroskopie in Mikrokanälen durchgeführt. Für die Ramanspektroskopie benötigen die verwendeten Mikrosysteme eine hohe Transparenz, weshalb eine Methode für den 3D Druck transparenter Mikrosysteme entwickelt wurde. Das Drucken transparenter Bauteile (für verschiedene Anwendungen) ist mit stereolithographischem 3D Druck möglich. Ein kommerziell erhältlicher 3D Drucker wurde modifiziert, um die Transparenz der gedruckten Bauteile zu erhöhen. Mithilfe dieser Konfiguration wurde die Transparenz der Bauteile so weit erhöht, dass sie für die Ramanspektroskopie verwendet werden können.

Durch die Kombination beider Methoden – Raman Deuterium stable isotope probing und transparenter 3D Druck – wurde eine Möglichkeit geschaffen, das Mischungsverhalten chemisch ähnlicher Substanzen in 3D gedruckten Mikrokanälen zu charakterisieren.

The evaporation of droplets of complex fluid mixtures are present in daily life. In painting, inkjet printing, and gluing the solvents evaporate while other components of the paint, ink, or glue remain applied on the surface. Even though liquids dry on surfaces undersireably and leave residues, evaporation plays a major role in this drying process. The components do not evaporate at the same rate, creating concentration gradients in the mixture that can be characterised using Raman spectroscopy. When characterising chemically similar substances one component needs to be chemically marked to distinguish them in Raman spectra. This method is used for example in Raman Deuterium stable isotope probing technique. One type of labelling can be the substitution of hydrogen atoms with deuterium atoms. With this work the Raman deuterium stable isotope probing method was demonstrated to be suitable to study chemically similar substances using two example systems and experimental setups.

In order to be able to investigate mixing ratios and mixing behaviours of fluids in microfluidics, the experiments were carried out in microchannels using Raman spectroscopy. For the characterisation via Raman spectroscopy the microchannels require a high degree of transparency; therefore a method for transparent 3D printing was developed. Printing transparent components (for various applications) is possible with stereolithographic 3D printing. A commercially available 3D printer was configured to increase the transparency of the printed components. With this configuration, the transparency of the components was increased to such an extent that they could be used for Raman spectroscopy.

By combining both methods — the Raman Deuterium stable isotope probing and transparent printing — an approach to characterise mixing behaviours of chemically similar substances in 3D printed microchannels was established.