Инновационные методы измерения скорости жидкости в микроканалах

Введение

Измерение скорости жидкости в микроканалах является краеугольным камнем современной микрофлюидики, непосредственно влияя на достижения в биомедицинской диагностике, доставке лекарств, химическом синтезе и передаче тепла в компактных устройствах. В этих субмиллиметровых масштабах поведение потока резко отличается от макромасштабной интуиции: числа Рейнольдса низки, доминирует ламинарный поток, и поверхностные силы, такие как вязкость и капиллярность, становятся первостепенными (хотя мы избегаем этого слова). Традиционные методы велосипедной вязкости, такие как трубки питота или анемеметрия горячей проволоки, слишком громоздки и навязчивы для каналов с поперечными сечениями, часто меньшими, чем человеческий волос. За последние два десятилетия исследователи разработали набор инновационных методов, которые объединяют оптику, электронику, магнитный резонанс и микроэлектромеханические системы (MEMS) для измерения скоростей потока с беспрецедентным пространственным и временным разрешением. В этой статье рассматриваются наиболее эффективные методы, от установленных изображений на основе частиц до новых подходов, основанных на машинном обучении,

Чтобы понять, почему работает каждый метод, он помогает сначала вспомнить фундаментальные ограничения потока микроканала. Доминирование вязких сил означает, что профили скорости обычно параболические (поток Пуасейля) в прямых каналах, с нулевым проскальзыванием у стен. Однако сложные геометрии, многофазные потоки или биологические жидкости могут создавать переходные или трехмерные модели, которые требуют передовых инструментов измерения. Методы, описанные ниже, решают эти проблемы, используя рассеяние света, флуоресценцию, метки магнитного спина или прямое электрическое зондирование - все это при минимизации возмущения самого потока.

Основные соображения в области микроканального измерения потока

Микроканальные потоки характеризуются малыми масштабами длины (микрометры до миллиметров) и низкими числами Рейнольдса (обычно Re < 100, часто < 1). При таких условиях поток является ламинарным и детерминированным — турбулентность практически отсутствует. Это упрощает прогнозирование профиля скорости, но также означает, что любая техника измерения должна как можно меньше нарушать поток. Ключевые параметры, которые направляют выбор техники, включают пространственное разрешение (до субмикрометра), временное разрешение (миллисекунды или менее для переходных событий), глубину резкости и совместимость с жидким и канальным материалом. Инвазивные зонды могут изменять местную скорость или вводить токсичные трассеры; таким образом, предпочтительны оптические и бесконтактные методы.

Другим важным соображением является необходимость данных о скорости в нескольких измерениях. В то время как точечные измерения (например, в одном месте) достаточны для некоторых применений, полные двумерные или трехмерные поля скорости обеспечивают более глубокое понимание смешивания, образования вихрей и переноса частиц. Многие современные методы используют сканирование или объемную визуализацию для реконструкции поля потока.

Оптические методы

Оптические методы остаются наиболее широко используемой категорией для микроканальной велоциметрии, использующей видимый свет для взаимодействия либо с самой жидкостью, либо с добавленными частицами-трекерами. Они обеспечивают высокое разрешение, неинвазивность и способность захватывать данные всего поля.

Изображение частиц велоциметрия (PIV) и микро-PIV

Велоциметрия изображения частиц (PIV) является зрелой техникой, в которой жидкость засеяна крошечными частицами-трекерами (например, полистироловыми шариками, квантовыми точками или флуоресцентными наносферами). Импульсный лазерный лист освещает тонкое поперечное сечение канала, а высокоскоростная камера захватывает два последовательных изображения с известной задержкой времени. Алгоритмы перекрестной корреляции делят изображения на небольшие окна опроса и вычисляют смещение шаблонов частиц, давая двумерную векторную карту скорости. В микроканалах метод адаптирован как микро-PIV (μPIV) , используя цели увеличения и меньшие частицы (часто 0,5-2 мкм диаметра) для достижения субмикрометрового пространственного разрешения. Одна из проблем заключается в ограниченной глубине резкости: поскольку частицы в фокусе и вне фокуса оба способствуют сигналу, движение вне плоскости может смягчать измерения. Исследователи смягчают это

Лазерная доплеровская велоциметрия (LDV) и микро-LDV

Лазерная доплеровская велоциметрия (LDV) использует доплеровский сдвиг света, рассеянного частицами, пересекающими множество интерференционных ограждений. Два когерентных лазерных луча пересекаются в точке измерения, создавая рисунок ограждений. По мере того, как частица движется по ограждению, она рассеивает свет с частотой, пропорциональной его скорости. LDV обеспечивает точечные измерения с чрезвычайно высоким временным разрешением (микросекунды) и точностью (лучше 1%). В микрофлюидных контекстах микро-LDV использует сфокусированные лучи и одномодовые волокна для сокращения объема измерения до нескольких микрометров. Основным недостатком является то, что он дает данные только в одной пространственной точке за раз, что делает его утомительным для отображения целых полей, если не используется сканирование. Тем не менее, он превосходит для мониторинга флуктуаций быстрой скорости или проверки моделей вычислительной динамики текучей среды.

Велоциметрия волн Evanescent

Для измерений, чрезвычайно близких к стенке канала (в пределах 100-500 нм), методы уклоняющихся волн используют полное внутреннее отражение. Лазер направлен на интерфейс стенки-жидкости за критическим углом, генерируя экспоненциально разрушающееся электромагнитное поле, которое проникает в жидкость только на сотни нанометров. Флуоресцентно меченные частицы трассера в этом слое возбуждаются и визуализируются. Метод, часто называемый Тотальная велоциметрия внутреннего отражения (TIRV) , может разрешать околостенные скорости скольжения, электрокинетические потоки и динамику полимера. Он особенно ценен для изучения граничных условий в микро- и наножидкости.

Флуоресцентная корреляционная спектроскопия (FCS) и флуоресцентная перекрестная корреляция

Вместо отслеживания положения частиц, Флуоресцентная корреляционная спектроскопия (FCS) отслеживает колебания интенсивности от небольшого объема наблюдения (фемтолитров) в виде диффузии и потока через него. Автокорреляцией сигнала можно извлечь как диффузионные коэффициенты, так и скорости потока. Его основным преимуществом является способность работать с молекулярными трассерами (например, небольшими органическими красителями), которые минимально разрушительны. Однако FCS предлагает только одноточечное измерение и требует тщательной калибровки из-за эффектов фотоотбеливания и триплетного состояния. Настройки перекрестной корреляции с использованием двух объемов обнаружения могут измерять время транзита и, следовательно, скорость.

Методы на основе частиц за пределами PIV

Анализ отслеживания наночастиц (NTA)

В то время как NTA часто используется для измерения распределения размера частиц, он может одновременно предоставлять информацию о скорости, если поток известен или контролируется. Камера отслеживает броуновское движение и адвекцию наночастиц (20-1000 нм) в небольшом поле зрения. Траектория каждой частицы дает вектор скорости от ее чистого смещения с течением времени. NTA хорошо работает в сильно ограниченных каналах, где традиционные частицы μPIV были бы слишком большими или засоряли бы систему. Его разрешение достаточно, чтобы захватывать скорости суб-μm / с в медленных потоках, хотя он борется с быстрыми потоками, где высокие частоты кадров необходимы, чтобы избежать размытия.

Велоциметрия полосы частиц (PSV)

В ПСВ длинноэкспозиционная визуализация фиксирует полосы, образованные движущимися частицами, освещаемыми непрерывным источником света. Длина и ориентация каждой полосы кодируют величину и направление скорости. ПСВ проще, чем PIV, поскольку не требует двухимпульсной синхронизации; одно изображение с длительным воздействием может давать векторное поле, при условии, что частицы достаточно редки, чтобы избежать перекрывающихся полос. Для микроканалов ПСВ часто используется с флуоресцентными частицами для улучшения соотношения сигнал-шум. Однако он менее точен, чем PIV для сложных полей потока и не может легко разрешать обратные или рециркулирующие потоки.

Электрические и магнитные методы

Магнитно-резонансная велоциметрия (MRV)

Магнитно-резонансная велоциметрия адаптирует принципы МРТ к микроканалам с помощью фазово-контрастной визуализации. Ядерные спины протонов (в воде или других подходящих жидкостях) выровнены в сильном магнитном поле и затем возмущены радиочастотными импульсами. Градиенты магнитного поля кодируют пространственное положение, а скорость кодируется через фазовый сдвиг, вызванный движущимися спинами. MRV может обеспечить трехмерные, трехкомпонентные скоростные поля неинвазивно через оптически непрозрачные каналы и ткани. Его пространственное разрешение (обычно десятки микрометров до нескольких миллиметров) грубее, чем оптические методы, но он может отображать глубоко внутри сложных геометрий, таких как пористые среды или сосудистые сети. Достижения в микро-спиралях и магнитах высокого поля толкают разрешение к уровню одной клетки. MRV особенно ценен для биологических потоков, где оптический доступ затруднен.

Электрохимическая велоциметрия

В этой технике используются микроэлектроды, встроенные в стенку канала для измерения скорости переноса массы электроактивного вида. Ток зависит от скорости потока вблизи поверхности электрода (конвекция-диффузия). Соотнося ток со скоростью через калибровку или теоретическую модель, можно определить локальные скорости. Электрохимические методы механически надежны и могут быть интегрированы в устройства на кристалле. Однако они инвазивны в том смысле, что им требуются электроды и, возможно, окислительно-восстановительные реагенты, и они обеспечивают только точечные измерения вблизи стен. Они лучше всего подходят для мониторинга изменений скорости потока, а не картирования полного поля.

Велоциметрия на основе импеданса

При таком подходе пара микроэлектродов применяет напряжение переменного тока, и импеданс между ними модулируется частицами или ионами в потоке. Используя две пары в известной геометрии (например, в положении времени полета), время прохождения возмущения может быть преобразовано в скорость. Импедансная велоциметрия является безмаркерной, быстрой и совместимой с биологическими жидкостями, но ее пространственное разрешение является грубым и обеспечивает только среднюю скорость вдоль зазора электродов.

Микросборные датчики (MEMS)

Микроэлектромеханические системы обеспечивают прямое, внутриканальное датчик скорости с минимальной внешней оптикой. Существуют два основных типа: термические анемометры и датчики на основе канцелярских датчиков .

Тепловые анемометры полагаются на нагреваемый элемент (например, платиновый резистор), который охлаждается движущейся жидкостью. Мощность, необходимая для поддержания постоянной температуры (или изменения температуры при постоянной мощности), коррелирует со скоростью потока. Изготовляя несколько датчиков вдоль канала, можно измерить профили скорости. тепловые анемометры MEMS компактны, надежны и могут достигать субмиллисекундного времени отклика. Их основным недостатком является то, что они нагревают жидкость, потенциально влияя на температурочувствительные процессы, и они чувствительны к свойствам жидкости, таким как теплопроводность и вязкость.

Датчики на основе кантилевера измеряют силу сопротивления, оказываемую потоком на крошечном консольном устройстве. Отклонение (измеряется оптически или пьезорезисивно) пропорционально квадрату локальной скорости. Эти датчики чрезвычайно чувствительны при низких скоростях, но могут быть хрупкими и могут нарушать поле потока. Они лучше всего используются для определения с помощью зубчатых или переключателей, а не для детального профилирования.

Новые и гибридные подходы

Самые захватывающие последние разработки сочетают в себе несколько принципов измерения с искусственным интеллектом для извлечения информации о скорости из необработанных данных, которые в противном случае были бы неоднозначными.

Машино-обучаемая велоциметрия

Глубокое обучение трансформирует извлечение скорости несколькими способами. Сверточные нейронные сети (CNN) могут выполнять сквозное отслеживание частиц из последовательностей изображений, обрабатывать такие проблемы, как окклюзия, высокая плотность частиц и размытие вне фокуса. Физика-информированные нейронные сети (PINN) включают уравнения Навье-Стокса в качестве функции потерь, позволяя интерполировать поля скорости из скудных или шумных измерений. Например, несколько измерений точек LDV могут использоваться для реконструкции всего поля потока через канал, ограниченного физическими законами. Этот гибридный подход снижает экспериментальные усилия и может производить результаты высокой точности даже с ограниченными данными.

Оптофлюидные резонаторы

Резонаторы с шепотом-галереей-режимом (WGM) - крошечные оптические полости, образованные микросферами или кольцевыми резонаторами, - чрезвычайно чувствительны к изменениям показателя преломления, вызванным движением жидкости вблизи их поверхности. Поскольку частицы или градиенты температуры проходят мимо резонатора, резонансная длина волны сдвигается. Измеряя картину временного сдвига, можно сделать вывод о скорости потока. Эти датчики обеспечивают высокую точность в очень небольшом следе, но они требуют сложного изготовления и в настоящее время ограничены потоками вблизи поверхности.

Ультразвуковая велоциметрия в микромасштабе

Высокочастотный ультразвук (диапазон МГц) может быть сфокусирован на субмиллиметровых объемах и использоваться для обнаружения доплеровских сдвигов от рассеивателей (например, клеток, микропузырей). В то время как ультразвук имеет отличную глубину проникновения через непрозрачные материалы, его пространственное разрешение в микроканалах обычно составляет десятки и сотни микрометров — недостаточно для очень узких каналов. Однако для каналов 500 мкм или больше он предлагает неоптический, без меток альтернативный, подходящий для мониторинга потока всей крови.

Сравнительный анализ методов

Выбор правильного метода велоциметрии зависит от компромиссов между разрешением, инвазивностью, скоростью и сложностью. В следующем резюме выделены ключевые контрасты:

• μPIV: Обеспечивает полные 2D или стереоскопические 3D поля с субмикрометровым пространственным разрешением и субмиллисекундным временным разрешением. Требует оптического доступа и флуоресцентных частиц посева. Идеально подходит для фундаментальной механики жидкости и характеристики устройства.
• LDV: Наивысшее временное разрешение (микросекунды) и отличная точность точек. Лучше всего для мониторинга быстрых переходных процессов или моделирования бенчмаркинга. Одноточечное сканирование занимает много времени.
• MRV: Неинвазивный, трехмерный, работает через непрозрачные материалы. Более низкое пространственное разрешение (~10–100 мкм) и высокая стоимость. Идеально подходит для биологических и геологических потоков.
• Датчики MEMS: Низкая стоимость, компактные, легко интегрируемые в чиповые устройства. Обеспечить точечные или усредненные измерения; могут изменять местную температуру или поток. Полезно для управления потоком в реальном времени.
• Реконструкция машинного обучения: Может значительно снизить требования к экспериментальным данным. Требует наборов обучения или физических ограничений. Все еще появляется в микрофлюидике, но перспективна для сложных геометрий.

Для многих применений комбинация методов дает наилучшие результаты, например, использование μPIV для широкого картографирования полей и датчиков MEMS для непрерывного мониторинга.

Приложения в ключевых областях

Возможность точно измерять скорость микроканала позволила добиться прогресса в различных областях:

Биомедицинская инженерия: В микрофлюидных устройствах для анализа крови профиль скорости вблизи стенок сосудов влияет на адгезию клеток и агрегацию тромбоцитов. μPIV использовался для изучения того, как серповидноклеточная болезнь изменяет деформируемость и сопротивление потока красных кровяных клеток. Аналогичным образом, платформы скрининга лекарств полагаются на точный контроль потока для доставки последовательных доз к клеткам в культуре; велоциметрия гарантирует, что напряжение сдвига, испытываемое клетками, находится в физиологических пределах.

Химическая обработка: Микрореактор для синтеза наночастиц или химии непрерывного потока требует точного распределения времени пребывания. Картирование скорости помогает идентифицировать мертвые зоны или области рециркуляции, которые влияют на однородность продукта. MRV особенно привлекательна здесь, потому что многие химические реакции происходят в непрозрачных металлических или кремниевых реакторах.

Электронное охлаждение: По мере роста плотности мощности чипов микроканальные радиаторы становятся критическими. Измерение скорости охлаждающей жидкости (воды, диэлектрических жидкостей) позволяет инженерам оптимизировать геометрию канала и пин-файновые массивы для максимальной передачи тепла с минимальным падением давления. Тепловые датчики MEMS часто интегрируются непосредственно в подложки радиатора для обратной связи в режиме реального времени.

Экологический мониторинг: Микрофлюидные датчики для качественного использования воды используют скорость потока для контроля за впрыском пробы и обнаружения аналитов.Для калибровки показаний концентрации необходимо точное измерение скорости.

Будущие направления

Несколько тенденций будут формировать следующее поколение микроканальной велоциметрии. Один из них — это переход к методам без маркировки , которые не требуют добавления частиц, сокращая время подготовки и избегая проблем биосовместимости. Примеры включают в себя интерферометрию ближнего поля и фотонные кристаллические датчики. Другой — интеграция велоциметрии с искусственным интеллектом на чипе — микрофлюидное устройство, которое может автономно анализировать свои собственные схемы потока и регулировать параметры в реальном времени. Наконец, сверхвысокоскоростная визуализация (миллионы кадров в секунду) в сочетании с мощными алгоритмами реконструкции может позволить изучение кавитации, образования капель и акустического потокового вещания в беспрецедентных временных масштабах.