مقدمة

إن قياس سرعة السائل في الميكانيكيات الدقيقة هو حجر الزاوية في الميكروفلورات الحديثة، مما يؤثر مباشرة على أوجه التقدم في التشخيص الطبي الحيوي، وتلقي الأدوية، والتوليف الكيميائي، والنقل الحراري في أجهزة الدمج، وفي هذه المقاييس الفرعية، يُناقش سلوك التدفق بشكل حاد عن الحد الأقصى للأشعة: حيث تكون أعداد الوصل منخفضة، وثبات التدفق اللامغنطيسية، والقوى السطحية الناشئة مثل تقنيات الازدهار

ومن أجل تقدير سبب عمل كل تقنية، يساعد ذلك على التذكير أولاً بالقيود الأساسية لتدفق الميكانيكيات الدقيقة، ويعني هيمنة القوى المتبصرة أن سمات السرعة هي عادة مفارقة في القنوات المستقيمة، مع عدم وجود أي خلل في الجدران، غير أن الترسبات الأرضية المعقدة، أو التدفقات المتعددة المراحل، أو السوائل البيولوجية يمكن أن تنتج أنماطاً من الفلور أو ثلاثة مستويات تستهلك فيها أدوات قياس متقدمة.

الاعتبارات الأساسية في قياس تدفق الميكانيكيات الدقيقة

وتتميز تدفقات الميكانيكيات الصغيرة بمقياسات صغيرة )مقاسات إلى مليمترات( وبأرقام منخفضة للبيع )مبلغ ١٠٠، غالبا ما < ١( وفي ظل هذه الظروف، يكون التدفق ضئيلاً واضطرابات سمية، وهذا التوقع الذي يخفف من سرعة التواؤم، ولكنه يعني أيضاً أن أي أسلوب قياسي للعمق يجب أن يعطل التدفق بقدر الإمكان.

وثمة اعتبار هام آخر هو الحاجة إلى بيانات السرعة بأبعاد متعددة، وفي حين أن القياسات (مثلا في موقع واحد) كافية لبعض التطبيقات، فإن مجالات السرعة الكاملة ذات البعدين أو الثلاثة الأبعاد توفر رؤية أكثر ثراءً للخلط، وتكوين الدوافع، ونقل الجسيمات، إذ أن العديد من التقنيات الحديثة تستخدم المسح الضوئي أو التصوير الكمي لإعادة بناء ميدان التدفق.

التقنيات البصرية

ولا تزال الأساليب البصرية هي الفئة الأكثر استخداماً في قياس العجلات الدقيقة، مما يبث الضوء المرئي للتفاعل مع السائل نفسه أو مع الجسيمات الإضافية للتعقب، وهي تعرض قدراً كبيراً من الحل، وعدم التفشي، والقدرة على جمع البيانات في جميع المواقع.

قياس الجسيمات (PIV) والمايكرو - PIV

(أ) إنَّ المقياسَ المُحدَّدَ في المادة 3 (PIV) هو تقنية ناضجة تُحدَّد فيها السائل بذورٍ صغيرة من الجسيمات المركَّبة (مثلاً، تُحدِّدُ البوليسترين من البيوت، أو قطرات الكمّي، أو الغلاف الجوي الفلوري)

Laser Doppler Velocimetry (LDV) and Micro-LDV

(أ) [الإطارات المميتة:] استخدامات المقياس المصغر (Dppler Velocimetry) مع ذلك، استخدام التحول في الأشعة المتناثرة بواسطة الجسيمات التي تعبر مجموعة من كسور التدخل.

مقياس الموجة إيفانيسنت

For measurements extremely close to the channel wall (within 100-500 nm), evanescent wave techniques exploit total internal reflection. A laser is directed at the wall-fluid interface beyond the critical angle, generating an exponentially decaying electromagnetic field that penetrates only hundreds of nanometers into the liquid. Fluorescently labeled tracerarticles within this layer are motivated and imaged.

Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Cross-Correlation

فبدلاً من تتبع مواقع الجسيمات، ] Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) ] يرصد التقلبات في كثافة العمل من حجم صغير (المتمثل في خلايا) كجسيمات الفلور أو كثافة نانوية، ومن ثم يُمكن للمرء أن يستخرج من خلاله القدرة على كشف الإشارات قدر ضئيل من النسية.

أساليب مجزأة فيما بعد الشريحة

تحليل تتبع الجسيمات النانوية

وفي حين أن اتفاق التجارة الحرة الوطني يستخدم في كثير من الأحيان لقياس توزيع حجم الجسيمات، فإنه يمكن أن يوفر في الوقت نفسه معلومات سريعة إذا كان التدفق معروفا أو متحكما فيه، وتتتبع الكاميرا حركة براونيان وتثبت وجود الجسيمات النانوية (20-1000 نانو متر) في مجال صغير، وتنتج عن مسارات كل مادة من الجسيمات عوامل سرعة من صافي تشردها عبر الزمن.

قياس الجسيمات المميتة

وفي PSV، يسجل التصوير الموضعي الطويل المدى السلاسل التي تشكلها الجسيمات المتحركة التي يُشع بها مصدر الضوء المستمر، حيث أن طول وتوجيه كل عجلات الترميز وتوجهها لا يمكن أن يؤدي إلى تداخل دقيق بين الوصلات ودرجة التدفق، حيث أن الأشعة السينية ليست بسيطة من النوع PIV، لأنها لا تتطلب تزامن نبضات؛ ويمكن أن تؤدي صورة واحدة طويلة المدى إلى تداخل الوصلات.

الأساليب الكهربائية والمغنطيسية

قياس الصوت المغناطيسي (MRV)

وتكيف المقاييس الصوتية المغناطيسية مع مبادئ الميكانيكيات الدقيقة باستخدام التصوير المكون من مراحل، وتتم مواءمة الأشعة المتطورة في ثلاث مقاييس ذات قيمة في المقاييس الحرارية، وتتمحور حول المقاييس الضوئية في المناطق المتحركة، وتتكون النسيجات الميدانية المغناطيسية من مواقع فضائية صعبة.

قياس الأشعة الفلكية

وهذه التقنية تستخدم أجهزة الكهرباء المصغرة المثبتة في جدار القناة لقياس معدل النقل الجماعي للأنواع الكهرومغناطيسية، ويتوقف هذا على سرعة التدفق بالقرب من سطح الكهروود (التكليف - التشفير) حيث إن من شأن هذه المركبات أن تحدد السرعة أو النموذج النظري، وأن تكون أفضل الوسائل المتطورة في مجال الأشعة هي أجهزة الميكانيكية، ويمكن أن تدمج في ذلك.

Impedance-Based Velocimetry

وفي هذا النهج، يطبق جهاز كهرباء مصغرة مجموعة من الصواريخ، ويُعَدَّل الاختراق بين هذه المواد بالجسيمات أو الآيون في التدفق، إذ إن استخدام زوجين في قياس جغرافي معروف (مثل ترتيب زمني للرحلات)، فإن وقت العبور للاضطرابات يمكن تحويله إلى سرعة.

أجهزة الاستشعار الدقيقة

توفر النظم الميكانيكية الدقيقة الاستشعار المباشر في القنوات باستخدام بصري خارجيين ضئيلين، وهناك نوعان رئيسيان: ] جهازاً قياسياً حرارياً و] أجهزة الاستشعار التي تستخدم في استخدام أجهزة الاستشعار التي تستخدم في كل مكان .

Thermal anemometers] rely on a heated element (e.g., a platinum resistanceor) that is cooled by the moving liquid. The power required to maintain a constant temperature (or the temperature change at constant power) correlates with flow velocity.

(أ) قياس قوة سحب التدفق على متناول صغير، ونسبة الرش (العملية الافتراضية أو التجميلية) متناسبة مع السرعة المحلية المربع، وهذه الحساسات حساسة للغاية في سرعة الكشف المنخفضة، ولكنها يمكن أن تكون هشة وقد تعطل ميدان التدفق.

النُهج الناشئة والهاجينة

وتجمع أحدث التطورات المثيرة بين مبادئ القياس المتعددة وبين الاستخبارات الاصطناعية لاستخراج المعلومات عن السرعة من البيانات الخام التي ستكون غامضة لولا ذلك.

مقياس أشعة الماكين - التعلم المثبت

ويمكن أن تؤدي الشبكات العصبية الملتوية، حتى في حالة التسلسلات، تتبع الجسيمات من التسلسلات الصورية، ومعالجة قضايا مثل العزل، والكثافة العالية للجسيمات، والضبابية خارج التركيز.

المسببات الضوئية

وتحتاج أجهزة إعادة الصمود إلى أجهزة قياس ذات سعر مضاعف، وهي تُشكل من خلال أجهزة التليفزيون المصغرة أو أجهزة الصعق، إلى تغييرات في الرقم القياسي للانحلال الناجم عن حركة السوائل بالقرب من سطحها، حيث إن الجسيمات أو درجات الحرارة تُعدّ من خلال جهاز الفرز، فإن النسيجات ذات البصمة العالية، التي تُعرض حالياً، بواسطة قياس نمط الارتفاع الزمني.

قياس حرفي فوق الصوتي في ميكروك

ويمكن تركيز الموجات فوق الصوتية العالية التردد على أحجام دون مليترات، وتستخدم لكشف التحولات التي تتحول من أجهزة البعث (مثل الخلايا والزرقات الدقيقة) وفي حين أن الموجات فوق الصوتية لها عمق ممتاز من خلال مواد الأوعية، فإن حلها المكاني في الميكانيكيات الدقيقة هو عادة ما يرتفع إلى مئات من أجهزة القياس - غير المزودة بمقياسات.

التحليل المقارن للتكنولوجيا

ويعتمد اختيار طريقة القياس الصحيح على المفاضلات بين القرار والتدنيس والسرعة والتعقيد، ويبرز الموجز التالي أوجه التباين الرئيسية:

  • ميكروسيب : يوفر حقول كاملة من 2D أو من الصور النمطية 3D مع حلول مكانية دون ميكرومتر وحل مؤقت ثانوي دون ميلي، ويحتاج إلى الوصول البصري وجسيمات البذور الفلورية.
  • LDV]: أعلى قرار مؤقت (الثانيات الوسطى) ودقة نقاط ممتازة، أفضل لرصد عمليات النقل السريع أو المحاكاة المرجعية.
  • MRV]: غير متفشي، ثلاثة ديمن، يعمل من خلال مواد غامضة، وحل مكاني أدنى (~10-100 ميكروم) وتكلفته مرتفعة، مثالي للتدفقات البيولوجية والجيولوجية.
  • MEMS sensors: Low cost, compact, easily integrated intoرق-based devices. Provide point or averaged measurements; can alter local temperature or flow. Useful for real-time flow control.
  • Machine-learning reconstruction: يمكن أن يقلل بشكل كبير من الاحتياجات من البيانات التجريبية، ويحتاج إلى مجموعات تدريبية أو قيود فيزيائية، ولا يزال يبرز في الفلوريدية الدقيقة ولكنه يبشر بالتكدس في الجيولوجيا المعقدة.

وبالنسبة للعديد من التطبيقات، فإن الجمع بين التقنيات يحقق أفضل النتائج، على سبيل المثال، باستخدام ميكرو بي فيو من أجل رسم خرائط ميدانية واسعة النطاق وأجهزة الاستشعار التابعة لوزارة البيئة البحرية من أجل الرصد المستمر.

التطبيقات في المجالات الرئيسية

وقد أدت القدرة على قياس سرعة الميكانيكيات الدقيقة إلى إحراز تقدم في مجالات عديدة:

(أ) في أجهزة الفلوريك لتحليل الدم، فإن ملامح السرعة بالقرب من جدران السفن تؤثر على صعود الخلايا وتجميعها، وقد استخدمت خلايا البوليفيين لدراسة كيف يغيّر مرض الخلايا المرضية تشوه خلايا الدم الحمراء ومقاومة التدفق، وبالمثل، تعتمد منابر فحص المخدرات على ضبط دقيق للتدفق في إطار دوامات ثابتة.

Chemical Processing]: Microreactors for nanoparticle synthesis or continuous flow chemistry require precise residence time distributions. Velocity mapping helps identify dead zones or recirculation regions that affect product uniformity. MRV is particularly attractive here because many chemical reactions occur in opaque metal or silicon reactors.

Electronics Coling]: مع ارتفاع كثافة الطاقة الشريحة، تصبح مصارف الحرارة الدقيقة حرجة، ويسمح قياس سرعة التبريد (المياه، والسوائل الدائية) للمهندسين بتحسين مستويات قياس الهواء في القنوات والصفوف ذات الزعانف الدافئة القصوى مع انخفاض الضغط الأدنى مباشرة.

Environmental Monitoring: Microfluidic sensors for water quality flow velocity to control sample injection and detect analytes. Accurate velocity measurement is necessary to calibrate concentration readings.

الاتجاهات المستقبلية

(أ) الاتجاهات العديدة التي ستشكل الجيل التالي من قياسات الميكانيكيات الدقيقة: الأولى هي الانتقال إلى أساليب خالية من العلامات لا تتطلب جسيمات إضافية، وتقليص وقت الإعداد، وتفادي الشواغل المتعلقة بالقابلية للتنافس البيولوجي، وتشمل الأمثلة على ذلك تركيبات الأشعة المقطعية القريبة من الحقول وأجهزة الاستشعار الضوئية.

خاتمة

ومن الأساليب البصرية القائمة على الجسيمات إلى السمع المغناطيسي والآلية المتعددة الأطراف، فإن مجموعة الأدوات لقياس سرعة السائل في الميكانيكيات الدقيقة غنية وممتدة باستمرار، وكل تقنية توفر توازناً فريداً من حيث الاختبارات المكانية، والرد الزمني، والتفريغ، والتكلفة، ويتوقف اختيار الأسلوب على السؤال العلمي أو الهندسي المحدد في الموقع الذي يتطلبه رسم خرائط للمركبات، والقياس، والرصد المستمر.

External references for further reading:]
- Annual Review of Fluid Mechanics - Micro-PIV
-