СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ПОТОКОВ ЖИДКОСТЕЙ В МИКРОКАНАЛАХ
METHOD FOR MEASURING FLUID FLOW RATES IN MICROCHANNELS

Изобретение относится к технической физике, а именно к области микрофлюидики и микрофлюидных устройств, использующих небольшие количества жидкости, текущих в каналах с характерными размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров, и, в частности, к оптическим способам исследования структуры течения жидкости в микроканалах. Изобретение может быть использовано в научных и лабораторных исследованиях, в вузах.
Микрофлюидные устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники: от микроэлектроники (охлаждение микрочипов) до биологических и медицинских исследований, таких как выращивание кристаллов белков, ДНК-микрочипы, биологический и химический анализ и синтез (биомикрочипы и лаборатория на чипе). Многие типы микрофлюидных устройств изготавливаются на полимерных подложках, в которых, применяя различные методы макетирования, создают системы микроканалов, клапанов, силовых приводов и прочих элементов. В микрофлюидных устройствах основные процессы течения жидкости развиваются в тонком слое размером от нескольких микрон в пристеночных областях микроканалов, что осложняет или делает невозможным использование контактных методов измерения. В связи с этим получили развитие бесконтактные оптические методы для измерения различных характеристик жидкостей в таких устройствах.
Широко известны оптические способы измерения скоростей потока жидкостей по изображениям частиц (Particle Image Velocimetry (PIV)).
Применительно к микрофлюидике эти способы были адаптированы к малым размерам микроканалов и получили название микро-PIV. Их подробный обзор может быть найден в таких публикациях, как: D. Sinton Microscale flow visualization [Microfluid Nanofluid (2004) 1: 2-21] и Steven T. Wereley et al. Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry [Annu. Rev. Fluid Mech. 2010. 42:557-76]. В патенте US 6653651 Micron resolution particle image velocimeter описывается метод и аппарат для измерения движения жидкости с высоким пространственным разрешением. Микроканал с жидкостью и флуоресцирующими частицами микронного и субмикронного размера освещается импульсами света определенной длины волны и продолжительности. С помощью специального микроскопа и цифровой камеры делается как минимум два последовательных снимка движущихся флуоресцирующих частиц. Полученные изображения разделяются на равные области, которые коррелируются между разными изображениями с целью измерения наиболее вероятного локального перемещения частиц и их скоростей. Микроскоп используется как для освещения жидкости в микроканале, так и для регистрации флуоресцирующих микрочастиц. Микроскоп обладает известной глубиной фокусировки и фокусируется на определенную область внутри микроканала. Четко сфокусированные изображения получаются только для тех микрочастиц, которые в момент съемки находятся в области фокусировки, что и определяет высокое пространственное разрешение положения микрочастиц. Главными недостатками приведенного в патенте и других похожих микро-PIV методов являются: 1) сложность применяемых оптических систем, которые требуют точной настройки как для возбуждения флуоресценции частиц, так и для ее регистрации с целью получения четкого изображения микрочастиц по всему полю наблюдения, и 2) использование программных алгоритмов корреляции и анализа изображений движения частиц и усреднения скоростей их движения, которые приводят к увеличению системной погрешности измерений, особенно для пограничных течений возле стенок микроканалов.
Известен также способ измерения скорости потока жидкости, основанный на явлении фотообесцвечивания флуоресцентных красителей. В рассматриваемом методе краситель теряет способность флуоресцировать по мере облучения раствора светом в полосе поглощения красителя. Например, в Патенте US 7283215 Method and apparatus for fluid velocity measurement based on photobleaching скорость потока измеряется и вычисляется с помощью калибровочной зависимости интенсивности флуоресценции красителя от скорости потока. Чем больше скорость потока, тем меньше фотообесцвечивание и больше интенсивность флуоресценции красителя. Предложенные в патенте способ и устройство позволяют измерять локальную скорость потока в точке измерения и распределение скоростей по сечению канала с высоким пространственным и временным разрешением. Существенным недостатком этого способа является низкий уровень отношения сигнала к шуму (контраст изображения), который на порядок ниже по сравнению с другими оптическими методами. Измерение яркого сигнала на темном фоне фундаментально дает более точные результаты по сравнению с измерением темного сигнала (обесцвеченного раствора) на ярком фоне. Погрешность измерения также увеличивается, когда движение флуоресцирующих областей раствора накладывается на области с обесцвеченным красителем вследствие локальных градиентов скоростей движения жидкости. Особенно это проявляется при измерении пограничных потоков около стенок микроканала, где используются эванесцентные волны, интенсивность которых очень слаба и экспоненциально убывает от поверхности, что еще больше сказывается на погрешности измерения.
Задачей настоящего изобретения является создание нового способа, позволяющего упростить оптическую систему регистрации движения жидкости в микроканалах микрофлюидных устройств, устранить недостатки инерционных измерений и снизить систематическую погрешность измерения скорости течения жидкости.
Решение поставленной задачи достигается тем, что используется принципиально новый способ измерения течения жидкости.
-3
Способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах, характеризующийся тем, что готовят композицию в виде концентрированного раствора антрахинона не менее 10 моль/л в алифатическом спирте или концентрированного раствора антрахинона в смеси воды и алифатического спирта в отношении 3:7, которую вводят в микроканал, облучаемый ультрафиолетовым светом постоянной мощности, инициирующим в этой композиции фотохимические реакции с образованием флуоресцирующего фотопродукта, время появления которого зависит от скорости потока жидкости, регистрируют время появления флуоресценции фотопродукта и по предварительно построенной калибровочной зависимости времени появления флуоресценции от скорости определяют значение средней по сечению скорости потока в канале.
Ультрафиолетовый свет, применяемый для освещения микроканала с жидкостью, может быть непрерывным или пульсирующим, а также сфокусированным или несфокусированным. Ультрафиолетовый свет может быть сфокусирован в определенной области по сечению микроканала с целью ускорения времени формирования флуоресцирующего фотопродукта в этой области.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - блок-схема установки для реализации предлагаемого способа измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах;
фиг. 2 - временные зависимости показаний фотодиода, регистрирующего время появления флуоресценции фотопродукта;
фиг. 3 - пример калибровочной зависимости времени появления флуоресцирующего фотопродукта от скорости потока жидкости.
-3
Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере измерения скорости течения жидкости, приготовленной на основе композиции в виде концентрированного спиртового раствора антрахинона (10 моль/л), в кварцевой трубке (1) с внутренним диаметром менее 3 мм на установке, блок-схема которой приведена на фиг. 1. Композиция поступает в изначально пустую трубку (1) через резиновые шланги (2) с помощью насоса центробежного типа (3). Скорость течения композиции варьируется путем изменения напряжения на источнике питания двигателя (4). Возбуждение образца, поступившего в трубку, производится ультрафиолетовым светом (длина волны 337 нм), поступающим от лазера (5). Лазером облучается произвольный фиксированный участок трубки. Длительность возбуждения составляет 1 секунду и регулируется электромеханическим затвором (8), который синхронизирован с другим затвором (9), определяющим время экспозиции цифровой камеры (6).
0
i
0
1
i
1
0
Время возникновения флуоресценции фотопродукта в зоне облучения потока регистрируется фотодиодом (7). Начальный момент времени tоблучения композиции, то есть момент, когда композиция попадает в зону облучения трубки, фиксируется и определяется резким снижением интенсивности излучения, попадающего на фотодиод (фиг. 2). В результате инициируемых фотохимических реакций, протекающих в течение некоторого времени τ, в композиции генерируется флуоресцирующий фотопродукт, флуоресценция которого вносит вклад в сигнал, регистрируемый фотодиодом. Измеренные значения начального момента времени t облучения композиции и времени t появления флуоресценции фотопродукта в композиции позволяют с высокой точностью определить время генерации флуоресцирующего фотопродукта как τ=t-t.
i
ср
Полученная зависимость времени возникновения флуоресценции фотопродукта антрахинона от скорости течения раствора в трубке при постоянной мощности лазерного излучения 3 мВт приведена на фиг. 3. Как видно из графика, полученная зависимость τ=ƒ(V) с хорошим приближением является линейной.
Предложенное техническое решение обеспечивает устранение недостатков инерционных измерений и высокий контраст изображения, что способствует снижению систематической погрешности и позволяет упростить как оптическую схему, так и процесс измерения скорости течения жидкости.