通过使用纳米NMR技术，给出用于测量微流控通道中的速度和扩散常数的新颖方法。关注的流体分子与注入于诸如金刚石的适当的衬底中的颜色中心交互作用。流体分子自旋之间的磁偶极交互作用影响NV的状态，该状态可以通过使用已知的NMR技术被探测。颜色中心响应被以光学方式读出，并且，可以从该光学信息重建NMR光谱。NMR光谱中的噪声可以被分析(例如，关于其相关性函数)，以直接比其它可能的精度更高的数量级精度产生流体中的速度和扩散常数的测量。量。量。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用固体中的光学缺陷估计流体的动力学性能
[0001]本专利技术一般涉及物理测量的领域，特别是涉及粘度和扩散系数的估计。
技术介绍
[0002]自1950年代在喷墨打印中引入微流控通道以来，微流控通道的使用和应用被发现一直在增多。如今，此技术正被用于生物、医学和化学研究，并在血液检测、印刷、燃料电池等中得到商业应用。为了增强效率和移动性以及减小样品和试剂体积，一般在实验室中实施的过程经常在单个芯片上微型化。
[0003]尽管其有许多应用，但有关微流控通道物理的基本方面仍然是谜。具体地说，在微观和宏观尺度上，表面附近的流动的性质仍然是未知的。随着技术的进步，需要进一步缩小微流控通道的横截面，这些“表面附近”效应将成为主导。理解这些现象的第一步是能够准确地测量它们对诸如速度和扩散系数的物理性质的影响。
[0004]利用当前技术对在微流控通道内流动的流体的动力学性能(例如，扩散系数、温度和速度)进行估计仍然非常具有挑战性。
[0005]通常，荧光分子被注入到通道中，并且通过使用共焦显微镜跟踪其传播。或者，可以通过从周期性阵列散射的光确定速度。使用荧光分子也可以用于测量这些分子在液体内的扩散系数。由于包括激光束聚焦和照相机的时间分辨率的技术问题，这些方法的性能较差，并且平均通道速度的精度仅为约5％。
[0006]此外，这些技术具有根本的缺点：1.它们只允许测量与流体内的珠体/染料有关的参数(例如扩散系数)，而不允许测量流体本身的参数；2.当使用足够窄的通道时，珠体/染料分子的尺寸将不再远小于通道宽度的尺寸，并因此将影响流动(荧光分子通常大，并且在小通道中它们会影响流动剖面)。3.由于速度梯度，这些分子的流动轨迹通常通过导管的中间(在泊肃叶(Poiseuille)设置中)，这几乎不提供有关表面附近流动剖面的信息。
[0007]因此，长期以来需要引入不需要模具、珠体或被测流体以外的任何其它材料的、用于测量流体流动的物理参数的方法。
技术实现思路
[0008]纳米级NMR的当前进展提供用于克服上述困难的方法。不同大学的实验组已经能够利用金刚石中的氮空位(NV)中心以测量处于金刚石表面的顶部的分子的NMR信号和光谱。
[0009]这些NMR信号受金刚石表面上的分子的物理参数(包括以上提到的那些(温度、速度、扩散系数))的影响大。
[0010]例如，在文章“Microwave-assisted cross-polarization of nuclear spin ensembles from optically-pumped nitrogen-vacancy centers in diamond”中，描述了利用可变磁场、微波启用交叉极化以将NV电子自旋耦合到与金刚石表面接触的模型粘性流体中的质子的方法。
[0011]在该文章中，作者用极化转移测量扩散系数。相比之下，我们通过系统性实验发现了具有优越的灵敏度的非侵入式技术。
[0012]在本专利技术的方法中，流体分子通过磁偶极交互作用(与现有技术的交叉极化相反)与金刚石中的NV中心交互作用，这影响NV的状态。可以用光学方法读出这种状态，并且，可以从该光学信息重建NMR光谱。
[0013]本专利技术的上述实施例已结合其系统和方法进行了描述和说明，这些系统和方法意在仅仅是说明性的，而不是限制性的。此外，正如每个特定的引用可以实现特定的方法/系统，但是不要求这样，尽管使用了特定的实施例，但是最终这样的教导是针对所有表达的。
附图说明
[0014]这里，结合以下的附图描述本专利技术的实施例和特征。
[0015]图1A表示本专利技术的一个实施例的截面。
[0016]图1B是本专利技术的样品衬底的一个实现的SEM微观照片。
[0017]图2是本专利技术的示意图。
[0018]图3表示本专利技术的另一实施例的示意图。
[0019]图4表示经典的NMR设置。
[0020]图5表示纳米尺度上的NMR的设置。
[0021]图6表示极化对NV中心的影响。
[0022]图7表示具有三个特性时间常数的测量噪声相关性函数的时间依赖性。
[0023]图8表示用于计算时间常数τ的两种方法。
具体实施方式
[0024]将从意味着描述性而不是限制性的优选实施例的以下详细描述理解本专利技术。为了简洁，不详细描述一些公知的特征、方法、系统、过程、部件和电路等。
[0025]具有NV或其它颜色中心的表面之上的分子将经由磁偶极交互作用与这些中心交互作用，这对NV的状态具有明显的影响。该状态可以用光学方法被读取，并且当被正确地解释时，它可以重建NMR光谱。
[0026]流体的NMR光谱大大地受关注的上述参数(速度、扩散系数、混合比等)影响。因此，NMR光谱的精确测量可以用于估计这些参数。
[0027]该方法基于这样一种事实，即，NV中心是可以有效地读取由核自旋产生的磁场的优异的纳米级磁强计，并因此取代了线圈在常规NMR设置中的作用。
[0028]在图1A的截面草图、图1B的微观照片和图2的草图中表示用于该方法的设置的一个实现。设置金刚石101，该金刚石101具有以例如3纳米到几微米的距离挨着金刚石的表面的颜色中心(例如，诸如NV中心)。通过使用超纯金刚石衬底上的氮掺杂层的离子注入技术生长或本领域技术人员将清楚的其它手段，在距表面几纳米的范围内产生NV中心104。
[0029]金刚石衬底101具有适于传导流体流动的微流控通道102，该通道是通过激光切割、离子研磨、具有掩模的化学蚀刻或等离子刻蚀、掩模生长或对本领域技术人员同样显而易见的其它方式制成的。
[0030]或者，可以使用平板金刚石(不带通道)，并且可以将该通道集成到例如可以由
PDMS组成的覆盖层103中。如本领域技术人员所清楚的，可以使用其它配置。例如，可以以NV中心已被植入其中的尖锐尖端的形式制成金刚石，并且该尖端可用于探测现有的通道，从而允许通过由金刚石尖端、显微镜物镜(其可用于支撑金刚石尖端)和相关的NMR设备组成的外部设备对现有的微流控系统进行测量。
[0031]在图3中表示这种设置，这里，颜色中心104被嵌入到与被研究的通道102接近的金刚石尖端101中。可以通过尖端101以非接触的方式研究承载具有自旋105的原子或分子的该通道，尖端101只需要靠近到足可以读取信号即可。例如，尖端可直接部署在显微镜物镜107上，显微镜物镜107本身可以被适于产生用于实施NMR测量的外部磁场和/或RF脉冲的RF/dc线圈106包围。
[0032]如前所述，通道在一些实施例中可以被PDMS 103(图1A)或其它合适的材料覆盖。一旦通道产生(它可以完全在单个衬底中产生，或者如图1A那样通过将一种材料的三个边耦合到另一材料的盖子上或以其它方式来形成)，它现在可以有效地引导流体(该术语包括液体、气体、悬浮液、超流体和等离子体等)的流动。该通道连接到毛细血管和注射器或其它压力源，使得可以强制本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测量微流控通道中的流体流动的物理参数的系统，包括：a.注入有颜色中心的衬底；b.设置在距所述颜色中心0～50微米的距离处的微流控通道，所述通道适于进行微流控流动；d.适于产生NMR信号的dc和RF或微波场产生单元；e.适于测量所述颜色中心的光学活动的光学感测单元，其中，所述光学活动受所述流体流动的物理参数影响。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底形成所述微流控通道的一个或更多个边。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述颜色中心被注入在适于接近所述微流控通道的可移动尖端内。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学感测单元被设置在所述衬底的与所述微流控通道相对的边上，所述衬底在关注的频率下大程度地透明，并且来自所述通道的所述光学信号穿过所述衬底到所述光学感测单元。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述物理参数选自包括速度、扩散常数、温度、混合比和流体成分的组。6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述物理参数是通过所述光学活动的噪声相关性函数测量的，其中，所述速度由下式给出：v＝d/τ
v
这里，d是从NV中心到金刚石表面的距离，并且，τ
v
是所述相关性函数的第一弛豫时间，并且其中，扩散常数D由下式给出：D＝d2/τ
D
这里，τ
D
是所述相关性函数的第二弛豫时间。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底选自包括金刚石、碳化物、碳化硅、金属和金属氧化物的组。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述颜色中心选自包括空位、替代、氮空位、硅空位、Di空位和氧空位的组。9.一种用于测量微流控通道中的流体流动的物理参数的方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：亚历克斯，
申请(专利权)人：哈维尔，
类型：发明
国别省市：
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