Introduzione

La misura della velocità dell'articolo in microcanale è una pietra angolare di microfluidici moderni, che influiscono direttamente sui progressi nella diagnostica biomedica, nella somministrazione di farmaci, nella sintesi chimica e nel trasferimento di calore in dispositivi compatti.

Per apprezzare il motivo per cui ogni tecnica funziona, aiuta a ricordare in primo luogo i vincoli fondamentali del flusso microcanale. Il dominio delle forze viscose significa che i profili di velocità sono tipicamente parabolici (flusso Poiseuille) in canali rettilinei, con zero scivolamento alle pareti. Tuttavia, geometrie complesse, flussi multifase, o fluidi biologici possono produrre modelli transienti o tridimensionali che richiedono strumenti di misura avanzati.

Considerazioni fondamentali nella misura del flusso del microcanale

I flussi di microcanale sono caratterizzati da piccole scale di lunghezza (micrometri a millimetri) e da bassi numeri di Reynolds (tipicamente Re < 100, spesso < 1). In tali condizioni, il flusso è laminare e deterministico—la turbolenza è praticamente assente. Questo semplifica la previsione del profilo di velocità ma significa anche che qualsiasi tecnica di misura deve disturbare il flusso il meno possibile.

Un'altra considerazione importante è la necessità di dati di velocità in dimensioni multiple. Mentre le misurazioni dei punti (ad esempio, in un'unica posizione) sono sufficienti per alcune applicazioni, i campi di velocità bidimensionali o tridimensionali completi forniscono una più ricca comprensione della miscelazione, formazione del vortice e trasporto delle particelle.

Tecniche ottiche

I metodi ottici rimangono la categoria più utilizzata per la velocità del microcanale, sfruttando la luce visibile per interagire con il fluido stesso o con le particelle di tracer ad alta risoluzione, non invasivi, e la capacità di catturare i dati del campo intero.

Velocimetria Particella Immagine (PIV) e Micro-PIV

La tecnologia di ingrandimento di un microscopio (PV) è una tecnica matura in cui il fluido viene semizzato con piccole particelle di tracer (ad esempio, perle di polistirene, punti quantici, o nanosfere fluorescenti).

Velocimetria del Doppler del laser (LDV) e Micro-LDV

Laser Doppler Velocimetry (LDV)] utilizza il passaggio Doppler di luce sparpagliato da particelle che attraversano una serie di frange di interferenze. Due travi laser coerenti si intersecano al punto di misura, creando un modello di frangia.

Velocimetria d'onda Evanescent

Per le misurazioni estremamente vicine alla parete del canale (nel raggio di 100-500 nm), le tecniche d'onda evanescenti sfruttano la riflessione interna totale. Un laser è diretto all'interfaccia a parete-fluido oltre l'angolo critico, generando un campo elettromagnetico che penetra solo centinaia di nanometri nel fluido.

Spettroscopia di correlazione della fluorescenza (FCS) e Crocifissione della fluorescenza

Invece di tracciare posizioni di particella, ]La spettroscopia di correlazione (FCS)] monitora le fluttuazioni di intensità da un piccolo volume di osservazione (femtoli) come molecole fluorescenti o nanoparticelle diffuse e fluiscono attraverso di essa.

Metodi basati su particelle oltre il PIV

Analisi di tracciamento nanoparticella (NTA)

Mentre NTA è spesso usato per misurare la distribuzione delle dimensioni delle particelle, può fornire simultaneamente informazioni sulla velocità se il flusso è noto o controllato. Una fotocamera traccia il movimento Brownian e l'avanzata delle nanoparticelle (20–1000 nm) in un piccolo campo di vista. La traiettoria di ogni particella produce un vettore di velocità dalla sua dislocazione netta nel tempo.

Velocimetria a compressione (PSV)

In PSV, l'immagine a lungo termine registra le striature formate da particelle in movimento illuminate da una sorgente luminosa continua. La lunghezza e l'orientamento di ogni striscia codificano la magnitudine e la direzione della velocità. PSV è più semplice di PIV perché non richiede la sincronizzazione a due poli; un'immagine a lungo termine può produrre un campo vettoriale, a condizione che le particelle siano abbastanza scarse da evitare di sovrapporre i flussi fluorescenti.

Metodi elettrici e magnetici

Velocimetria di risonanza magnetica (MRV)

I microscopi a bassa frequenza sono in grado di adattarsi ai microcanali, utilizzando le immagini a contrasto di fase. I giri nucleari di protoni (in acqua o altri fluidi spaziali adatti) sono allineati in un campo magnetico forte e quindi perturbati da impulsi radio-frequenza.

Velocimetria elettrochimica

Questa tecnica utilizza microelettrodi incorporati nella parete del canale per misurare il tasso di trasferimento di massa di una specie elettroattiva. La corrente dipende dalla velocità di flusso vicino alla superficie dell'elettrodo (convezione-diffusione).

Velocimetria a base di impedenza

In questo approccio, un paio di microelettrodi applica una tensione AC, e l'impedenza tra loro è modulata da particelle o ioni nel flusso. Utilizzando due coppie in una geometria nota (ad esempio, un accordo di tempo di volo), il tempo di transito di una perturbazione può essere convertito alla velocità. La velocità di impedenza è senza etichette, veloce e compatibile con fluidi biologici, ma la sua risoluzione spaziale è solo grossolana.

Sensori microfabbricati (MEMS)

I sistemi microelettromeccanici offrono un rilevamento diretto e in canale della velocità con ottica esterna minima. Esistono due tipi principali: ] anemometro termici e sensori basati su contatori[]].

Gli anemometro termici si basano su un elemento riscaldato (ad esempio, un resistore al platino) che viene raffreddato dal fluido in movimento. La potenza necessaria per mantenere una temperatura costante (o il cambiamento di temperatura a potenza costante) correla con la velocità di flusso.

I sensori basati sul magnetotermia[[] misurano la forza di trascinamento esercitata dal flusso su un minuscolo cantilever. La deflezione (misurata otticamente o piezoresistivamente) è proporzionale alla velocità locale quadrata. Questi sensori sono estremamente sensibili a basse velocità, ma possono essere fragili e possono disturbare il campo di flusso.

Approcci emergenti e ibridi

I più eccitanti sviluppi recenti combinano più principi di misura con intelligenza artificiale per estrarre le informazioni sulla velocità da dati grezzi che altrimenti sarebbero ambigui.

Velocimetria assisata a macchina

L'apprendimento approfondito sta trasformando l'estrazione della velocità in diversi modi. Le reti neurali convoluzionali (CNN) possono eseguire il monitoraggio delle particelle end-to-end dalle sequenze di immagini, trattare problemi come l'occlusione, l'alta densità di particelle e sfocatura fuori-fondo. Le reti neurali a punti veloci (PINN) incorporano l'equanto equando l'equazione dei dati sperimentali

Resonatori Optofluidici

I risonatori di Whispering-gallery-mode (WGM) – piccole cavità ottiche formate da microsfere o rifattori ad anello – sono squisitamente sensibili ai cambiamenti dell'indice di rifrazione causati dal movimento fluido vicino alla loro superficie.

Velocimetria ultrasuoni a Microscale

L'ecografia ad alta frequenza (intervallo MHz) può essere focalizzata sui volumi sottomillimetri e utilizzata per rilevare i cambiamenti Doppler da spargitori (ad esempio, cellule, microbubbles).

Analisi comparativa delle tecniche

La scelta del metodo di velocità giusta dipende dai compromessi tra risoluzione, invasività, velocità e complessità.

  • μPIV[]: Fornisce campi 3D completi o stereoscopici con risoluzione spaziale submicrometrica e risoluzione temporale sub-milliseconda. Richiede l'accesso ottico e particelle di semina fluorescenti. Ideale per la meccanica dei fluidi fondamentali e la caratterizzazione dei dispositivi.
  • LDV[]: Risoluzione temporale più alta (microsecondi) e precisione eccellente del punto.
  • MRV[]: Non invasiva, tridimensionale, funziona attraverso materiali opachi. Risoluzione spaziale inferiore (~10–100 μm) e ad alto costo. Perfetto per flussi biologici e geologici.
  • I sensori MEMS[]: basso costo, compatto, facilmente integrato in dispositivi a base di chip. Fornire misurazioni a punto o media; può alterare la temperatura o il flusso locale.
  • Ristrutturazione delle macchine-learning[[[]: Può ridurre significativamente i requisiti di dati sperimentali. Richiede set di formazione o vincoli fisici.

Per molte applicazioni, una combinazione di tecniche produce i migliori risultati, ad esempio, utilizzando μPIV per la mappatura di campo ampio e sensori MEMS per il monitoraggio continuo.

Applicazioni in campi chiave

La capacità di misurare la velocità del microcanale ha esattamente sbloccato i progressi in numerose aree:

Ingegneria biomedica[: Nei dispositivi microfluidici per l'analisi del sangue, il profilo di velocità vicino alle pareti dei vasi influenza l'adesione delle cellule e l'aggregazione della piastrina. μPIV è stato utilizzato per studiare come la malattia delle cellule del falce altera la deformabilità e la resistenza al flusso delle cellule del sangue rosso.

Elaborazione chimica[: I microreattori per la sintesi delle nanoparticelle o la chimica del flusso continuo richiedono una distribuzione precisa del tempo di residenza. La mappatura della velocità aiuta a identificare le zone morte o le regioni di ricircolo che influiscono sull'uniformità del prodotto.

Raffreddamento elettronico[]: Come aumentano le densità di potenza del chip, i dissipatori di calore del microcanale diventano critici. Misurando la velocità del refrigerante (acqua, fluidi dielettrici) consente agli ingegneri di ottimizzare la geometria del canale e i sistemi pin-fin per il massimo trasferimento di calore con una minima caduta di pressione.

Monitoraggio ambientale[[]: Sensori microfluidici per la velocità di flusso di utilizzo della qualità dell'acqua per controllare l'iniezione del campione e rilevare gli analiti.

Le direzioni future

Molti trend plasmano la prossima generazione di velocità del microcanale. Uno è il movimento verso metodi senza label che non richiedono particelle aggiunte, riducendo il tempo di preparazione e evitando preoccupazioni di biocompatibilità.

Conclusioni

La soluzione di questo problema è quella di un'analisi più approfondita e più approfondita della domanda scientifica o ingegneristica, che richiedono una mappatura completa, una misurazione del punto o un monitoraggio continuo.

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] Annual Review of Fluid Mechanics - Micro-PIV
- ]Lab su una recensione chip della velocità di risonanza magnetica per microflui