Физики предложили новый метод измерения скорости микропотоков жидкости

10.10.2018

Ученые из Университета ИТМО разработали методику оптического определения скорости подачи реагентов для «лаборатории на чипе». Она основана на динамическом взаимодействии наноантенны и светящихся молекул: расстояние между ними влияет на интенсивность свечения. А математическое преобразование позволяет по динамике свечения определить скорость. Такой метод можно будет использовать также для измерения средней или локальной температуры или определения типа течения. Работа опубликована в Laser & Photonics Reviews и попала на обложку выпуска.

«Лаборатория на чипе». Источник: uv.es

«Лаборатория на чипе» – это миниатюрный прибор для проведения химических реакций анализа или синтеза на чипе площадью до нескольких квадратных сантиметров. Его можно использовать для определения концентрации веществ, диагностики или осуществления сложных биохимических процессов. Реагенты в таком устройстве подаются по микротрубочкам микронного или более мелкого диаметра. Скорость подачи реагентов влияет на протекание реакции, поэтому ученые разрабатывают для этого специальные датчики.

Сотрудники Университета ИТМО предложили новую оптическую методику определения скорости потока жидкости в микрореакторе. Метод основан на эффекте Парселла, который появляется при взаимодействии светящейся молекулы с наноантенной, усиливающей электромагнитное поле. Эффект заключается в том, что расстояние до наноантенны влияет на интенсивность свечения возбужденной молекулы. По изменению излучения раствора со светящимися молекулами, который движется мимо наноантенны, можно определить скорость его движения.

«Люминесцентные молекулы испускают свет после того, как их возбудили лазерным импульсом. Но длительность их свечения на разном расстоянии от наноантенны будет различной. Мы запускаем раствор таких молекул мимо наноантенны, облучаем область вблизи наноантенны коротким лазерным импульсом, и фиксируем, как затухает сигнал. По зависимости затухающего сигнала от времени, после специальной обработки, мы можем понять, с какой скоростью двигался раствор», – объясняет сотрудник международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО Алексей Кадочкин.

Полученный затухающий сигнал ученые подвергают постобработке, позволяющей выделить составляющие с различным временем затухания. Наиболее интенсивная компонента будет соответствовать излучению раствора вдали от наноантенны. При этом в спектре времён затухания будут присутствовать компоненты, соответствующие излучению молекул при взаимодействии с наноантенной. Положение этих компонент позволяет определить скорость движения потока.

«Эта работа пока только теоретическая, поэтому мы гордимся, что ее вынесли на обложку. В ближайших планах у нас расширить методику для определения температуры с помощью фиксации броуновского движения, научиться определять режимы течения и провести эксперименты. В итоге мы хотим получить модель датчика для “лаборатории на чипе”», – рассказывает руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО Александр Шалин.

Cтатья: Quantum Sensing of Motion in Colloids via Time‐Dependent Purcell Effect. Alexey S. Kadochkin et.al. Laser & Photonics Reviews.


Центр научной коммуникации