Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали оптическую систему, которая точно измеряет поток необычайно малых количеств жидкостей - всего 10 миллиардных долей литра (нанолитров) в минуту.
С такой скоростью литровая бутылка воды будет вытекать примерно за 190 лет. (Одна капля воды содержит 50 000 нанолитров.) Новые измерения являются значительным улучшением по сравнению с технологией, о которой команда NIST сообщила в 2018 году.
Точное измерение и контроль мизерных скоростей потока стало критически важным в растущей области микрофлюидики, которая включает в себя доставку мельчайших количеств лекарств, приготовление крошечных количеств жидкостей, формирование микрокапель и биотехнологические исследования, которые контролируют поступление питательных веществ к клеткам. При лечении рака и других заболеваний помпы для доставки лекарств вводят в кровоток всего несколько десятков нанолитров (нл) в минуту. Этот поток должен быть чрезвычайно точным, чтобы общая доза, которую получает пациент, точно соответствовала назначению врача.
Низкие скорости потока также играют роль в разделении смеси на химические составляющие в зависимости от того, насколько медленно они проходят через гель или другую среду.
Новый метод основан на одном лазере, который освещает светочувствительные молекулы в жидкости, протекающей через микроканал - силиконовую трубку диаметром с человеческий волос. Взаимодействие лазерного излучения с молекулами зависит от скорости течения жидкости.
Если жидкость течет по микроканалу относительно быстро, лазер просто заставляет светочувствительные молекулы светиться или флуоресцировать. Но для жидкостей, которые текут медленнее и, следовательно, подвергаются воздействию лазерного излучения в течение более длительного времени, дело обстоит сложнее: после того как определенное количество света попадает на молекулы, они сгорают и больше не флуоресцируют. Таким образом, чем медленнее поток, тем большее число светочувствительных молекул гаснет и тем слабее флуоресценция.
Команда откалибровала свои измерения, сравнивая их с измерениями гораздо более высоких скоростей потока, зарегистрированными установленными расходомерами, для которых не требуется лазер.
Greg Cooksey, Paul Patrone и их коллеги из NIST, а также летний научный сотрудник NIST из колледжа Монтгомери в Джермантауне, штат Мэриленд, сообщили о результатах в недавнем выпуске Analytical Chemistry. Исследование следует за статьей Physical Review Applied, описывающей теоретическое доказательство метода.
Ключевым преимуществом нового метода является то, что измерения расхода не зависят от размера и формы канала, по которому движется жидкость. Новый метод является ответвлением предыдущей системы, разработанной группой NIST, которая требовала знания геометрии канала и интенсивности лазера, что добавляло значительные погрешности в измерения.
Новый метод достаточно чувствителен, чтобы определить самую низкую скорость потока, которую можно измерить для данной экспериментальной установки. Ниже этой скорости беспорядочное движение частиц во всех направлениях - диффузия - искажает измерения упорядоченного потока частиц.
Самая низкая скорость потока, которую можно было отличить от диффузии, составляла 0,2 нл, или 200 триллионных долей литра в минуту. Точное определение этого предела, известного как нулевой поток, позволяет исследователям контролировать скорость потока более точно, чем ее можно измерить. Команда NIST сейчас экспериментирует с использованием более крупных молекул, которые диффундируют медленнее, и более узких каналов, чтобы повысить способность отличать обычный поток от случайной диффузии.
Команда также сообщила, что она может контролировать скорость потока до 2 нл в минуту с погрешностью всего 5%.
Метод измерения предоставляет несколько потенциальных возможностей для дополнительных технологий и может позволить производителям микрофлюидных устройств разработать датчики расхода нового поколения, сказал Кукси. Команда подала заявку на патент на эту технику. В целом, более совершенные измерения расхода приводят к повышению точности химических датчиков и безопасности устройств для доставки лекарств.
Новый метод измерения низких скоростей потока напрямую связан с одной из ключевых программ NIST, NIST on a Chip. Программа направлена на разработку набора точных квантовых измерительных технологий, предназначенных для развертывания практически в любом месте и в любое время, при этом производителю не нужно останавливать производство, пока датчик или другое устройство отправляется в NIST для калибровки. Новая система измерения микропотока может помочь дозировать точное количество микрожидкостей, используемых во множестве технологий NIST on a Chip.