Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een optisch systeem ontwikkeld dat nauwkeurig de stroom van buitengewoon kleine hoeveelheden vloeistoffen meet - zo klein als 10 miljardste van een liter (nanoliter) per minuut.

In dat tempo, het zou ongeveer 190 jaar nodig hebben om een ​​literfles water af te tappen. (Een enkele druppel water bevat 50, 000 nanoliter.) De nieuwe metingen zijn een grote verbetering ten opzichte van de technologie die het NIST-team in 2018 rapporteerde.

Het nauwkeurig meten en regelen van minuscule stroomsnelheden is van cruciaal belang geworden in het ontluikende veld van microfluïdica, waaronder de levering van minieme hoeveelheden medicijnen, de bereiding van kleine hoeveelheden vloeistoffen, de vorming van microdruppeltjes en biotechnologische studies die de stroom van voedingsstoffen naar cellen volgen. Bij de behandeling van kanker en andere ziekten, medicijnafgiftepompen geven slechts tientallen nanoliters (nL) per minuut af in de bloedbaan. Die stroom moet uiterst nauwkeurig zijn, zodat de totale dosering die de patiënt krijgt precies is wat de arts heeft voorgeschreven.

Lage stroomsnelheden spelen ook een rol bij het scheiden van een mengsel in zijn chemische bestanddelen op basis van hoe langzaam ze door een gel of een ander medium reizen.

De nieuwe methode is gebaseerd op een enkele laser die schijnt op lichtgevoelige moleculen in een vloeistof die door een microkanaal stroomt - een siliconen buis of buis met de diameter van een mensenhaar. De interactie van het laserlicht met de moleculen hangt af van de stroomsnelheid van de vloeistof.

Als de vloeistof relatief snel door het microkanaal stroomt, de laser zorgt er simpelweg voor dat de lichtgevoelige moleculen gaan schijnen of fluoresceren. Maar voor vloeistoffen die langzamer stromen en daardoor langer aan het laserlicht worden blootgesteld, het verhaal is complexer:nadat een bepaalde hoeveelheid licht de moleculen raakt, ze branden op en fluoresceren niet meer. Dus, hoe langzamer de stroom, hoe groter het aantal lichtgevoelige moleculen dat wordt gedoofd en hoe zwakker de fluorescentie.

Het team heeft hun metingen gekalibreerd door ze te vergelijken met metingen van veel hogere stroomsnelheden die zijn geregistreerd door gevestigde stroommeters, waarvoor geen laser nodig is.

Greg Cooksey, Paul Patrone en hun NIST-collega's, samen met een NIST zomer undergraduate research fellow van Montgomery College in Germantown, Maryland, rapporteerde de bevindingen in een recent nummer van Analytische scheikunde . De studie volgt op een Fysieke beoordeling van toepassing d papier dat het theoretische bewijs beschrijft, van de methode.

Een belangrijk voordeel van de nieuwe methode is dat de stromingsmetingen onafhankelijk zijn van de grootte en vorm van het kanaal waardoor de vloeistof stroomt. De nieuwe methode is een uitloper van een eerder systeem ontwikkeld door het NIST-team, waarvoor kennis van de geometrie van het kanaal en de laserintensiteit vereist was, het toevoegen van aanzienlijke onzekerheden in de metingen.

De nieuwe methode is gevoelig genoeg om de allerlaagste stroomsnelheid te bepalen die daadwerkelijk kan worden gemeten voor een bepaalde experimentele opstelling. Onder dit tarief, de willekeurige beweging van deeltjes in alle richtingen - diffusie - verwart metingen van de ordelijke stroom van deeltjes.

De laagste stroomsnelheid die kon worden onderscheiden van diffusie was 0,2 nL, of 200 biljoenste van een liter per minuut. Nauwkeurige bepaling van deze limiet, bekend als nulstroom, stelt onderzoekers in staat om stroomsnelheden nauwkeuriger te regelen dan ze kunnen worden gemeten. Het NIST-team experimenteert nu met het gebruik van grotere moleculen, die langzamer diffunderen, en smallere kanalen, om het vermogen om gewone stroming te onderscheiden van willekeurige diffusie te verbeteren.

Het team meldde ook dat het een stroomsnelheid van slechts 2 nL per minuut kon regelen, met een onzekerheid van slechts 5%.

De meetmethode biedt verschillende potentiële kansen voor spin-offtechnologieën en kan fabrikanten van microfluïdische apparaten in staat stellen een nieuwe generatie stromingssensoren te ontwikkelen, zei Cooksey. Het team heeft een patentaanvraag ingediend op de techniek. Algemeen, betere flowmeting leidt tot verbeteringen in de precisie van chemische detectie-instrumenten en de veiligheid van apparaten voor medicijnafgifte.

De nieuwe methode voor het meten van lage stroomsnelheden is direct gerelateerd aan een van de belangrijkste programma's van NIST, NIST op een chip. Het programma heeft tot doel een reeks nauwkeurige, op kwantum gebaseerde meettechnologieën die bedoeld zijn om bijna overal en altijd te worden ingezet, zonder dat een fabrikant de productie hoeft te stoppen terwijl een sensor of ander apparaat voor kalibratie naar NIST wordt verzonden. Het nieuwe microflow-meetsysteem kan helpen bij het doseren van precieze hoeveelheden microvloeistoffen die worden gebruikt in een groot aantal NIST on a Chip-technologieën.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.