Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett optiskt system som noggrant mäter flödet av utomordentligt små mängder vätskor - så små som 10 miljarddelar av en liter (nanoliter) per minut.

I den takten, det skulle ta en liters flaska vatten cirka 190 år att rinna av. (En enda droppe vatten innehåller 50, 000 nanoliter.) De nya mätningarna är en stor förbättring jämfört med tekniken som NIST-teamet rapporterade 2018.

Att exakt mäta och kontrollera minimala flödeshastigheter har blivit kritiskt viktigt inom det växande området för mikrofluidik, som inkluderar leverans av små mängder läkemedel, beredning av små mängder vätskor, bildandet av mikrodroppar och biotekniska studier som övervakar flödet av näringsämnen till celler. Vid behandling av cancer och andra sjukdomar, läkemedelspumpar doserar så lite som tiotals nanoliter (nL) per minut i blodomloppet. Det flödet måste vara extremt exakt så att den totala dosen som patienten får är exakt vad läkaren ordinerat.

Låga flödeshastigheter spelar också en roll för att separera en blandning i dess kemiska beståndsdelar baserat på hur långsamt de färdas genom en gel eller annat medium.

Den nya metoden förlitar sig på en enda laser som lyser på ljuskänsliga molekyler i en vätska som strömmar genom en mikrokanal - ett silikonrör eller rör som är ungefär samma som ett människohår. Laserljusets interaktion med molekylerna beror på vätskans flödeshastighet.

Om vätskan strömmar relativt snabbt genom mikrokanalen, lasern får helt enkelt de ljuskänsliga molekylerna att lysa eller fluorescera. Men för vätskor som flyter långsammare och därför utsätts för laserljus under en längre tid, historien är mer komplex:efter att en viss mängd ljus träffar molekylerna, de brinner ut och fluorescerar inte längre. Således, ju långsammare flödet, ju fler ljuskänsliga molekyler som släcks och desto svagare blir fluorescensen.

Teamet kalibrerade sina mätningar genom att jämföra dem med mätningar av mycket högre flödeshastigheter registrerade av etablerade flödesmätare, som inte kräver laser.

Greg Cooksey, Paul Patrone och deras NIST-kollegor, tillsammans med en NIST sommarforskare från Montgomery College i Germantown, Maryland, rapporterade fynden i ett färskt nummer av Analytisk kemi . Studien följer upp en Fysisk granskning gäller d papper som beskriver det teoretiska beviset, av metoden.

En viktig fördel med den nya metoden är att flödesmätningarna är oberoende av storleken och formen på kanalen genom vilken vätskan färdas. Den nya metoden är en utlöpare av ett tidigare system utvecklat av NIST-teamet, som krävde kunskap om kanalens geometri och laserintensitet, tillför avsevärda osäkerheter i mätningarna.

Den nya metoden är tillräckligt känslig för att bestämma den mycket långsammaste flödeshastigheten som faktiskt kan mätas för en given experimentell uppställning. Under denna kurs, den slumpmässiga rörelsen av partiklar i alla riktningar – diffusion – förvirrar mätningar av det ordnade flödet av partiklar.

Den lägsta flödeshastigheten som kunde särskiljas från diffusion var 0,2 nL, eller 200 biljondelar av en liter per minut. Exakt bestämning av denna gräns, känd som nollflöde, gör det möjligt för forskare att kontrollera flödeshastigheter mer exakt än vad de kan mätas. NIST-teamet experimenterar nu med att använda större molekyler, som diffunderar långsammare, och smalare kanaler, för att förbättra förmågan att skilja vanligt flöde från slumpmässig diffusion.

Teamet rapporterade också att det kunde kontrollera en flödeshastighet så liten som 2 nL per minut, med en osäkerhet på bara 5 %.

Mätmetoden ger flera potentiella möjligheter för spinoff-teknologier och kan göra det möjligt för tillverkare av mikrofluidiska enheter att utveckla en ny generation flödessensorer, sa Cooksey. Teamet har lämnat in en patentansökan på tekniken. Övergripande, bättre flödesmätning leder till förbättringar i precisionen hos kemiska avkänningsinstrument och säkerheten för läkemedelsleveransanordningar.

Den nya metoden för att mäta låga flödeshastigheter är direkt relaterad till ett av NIST:s nyckelprogram, NIST på ett chip. Programmet syftar till att utveckla en uppsättning exakta, kvantbaserad mätteknik avsedd att användas nästan var som helst och när som helst, utan att en tillverkare behöver stoppa produktionen medan en sensor eller annan enhet skickas till NIST för kalibrering. Det nya mikroflödesmätsystemet kan hjälpa till att dispensera exakta mängder mikrovätskor som används i en mängd NIST-on a Chip-teknologier.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.