Способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах

Авторы патента:

G01N21/64 - флуоресценция; фосфоресценция

Владельцы патента RU 2620985:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к технической физике, в частности к оптическим способам исследования структуры течения жидкости в микроканалах, может быть использовано в лабораторных исследованиях, в вузах. Заявленный способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах характеризуется тем, что готовят композицию в виде концентрированного раствора антрахинона не менее 10^-3 моль/л в алифатическом спирте или раствора антрахинона в смеси воды и алифатического спирта в соотношении 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. Затем 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. Технический результат - устранение недостатков инерционных измерений, что обеспечивает снижение систематической погрешности и позволяет упростить измерения. 3 ил.

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.

Способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах, характеризующийся тем, что готовят композицию в виде концентрированного раствора антрахинона не менее 10^-3 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.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере измерения скорости течения жидкости, приготовленной на основе композиции в виде концентрированного спиртового раствора антрахинона (10^-3 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).

Время возникновения флуоресценции фотопродукта в зоне облучения потока регистрируется фотодиодом (7). Начальный момент времени t₀облучения 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_i, в композиции генерируется флуоресцирующий фотопродукт, флуоресценция которого вносит вклад в сигнал, регистрируемый фотодиодом. Измеренные значения начального момента времени t₀ облучения композиции и времени t₁ появления флуоресценции фотопродукта в композиции позволяют с высокой точностью определить время генерации флуоресцирующего фотопродукта как τ_i=t₁-t₀.

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_i=ƒ(V_ср) 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.

Способ измерения скоростей потоков жидкостей в микроканалах, характеризующийся тем, что готовят композицию в виде концентрированного раствора антрахинона не менее 10^-3 моль/л в алифатическом спирте или концентрированного раствора антрахинона в смеси воды и алифатического спирта в соотношении 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.

Группа изобретений относится к сельскому хозяйству, в частности к ветеринарной санитарии. Средство для контроля качества механической очистки животноводческих помещений включает поливинилпиралидон или поливинилацетат, белила цинковые, флюоресцеин, глицерин, стеарат натрия и воду.

Флуоресцентный оптический днк-биосенсор // 2616879

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к оптическим биосенсорам, предназначенным для определения белковых молекул в малых концентрациях. Заявленный флуоресцентный оптический ДНК-биосенсор состоит из подложки, адсорбированной на подложке тонкой пленки комплекса ДНК-белок, причем подложка выполнена из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (100), размером 18×18 мм и толщиной 380±20 мкм, шероховатость рабочей поверхности ≤0,06, а содержание белка в тонкой пленке составляет от 10-15 до 10-9 моль/л.

Способ получения бактериофага // 2613423

Изобретение относится к способу получения бактериофага. Способ включает культивирование бактериальных клеток штамма-хозяина при отсутствии посторонней микрофлоры, получение фаголизата, а также очистку фаголизата осаждением и/или фильтрацией.

Секвенирование днк с повторным использованием реагентов на проволочной сетке // 2611207

Изобретения относятся к области определения последовательности нуклеиновой кислоты. Предложена группа изобретений, включающая устройство и способ для оптического контроля секвенирования нуклеиновой кислоты, машиночитаемый носитель с компьютерной программой и программный элемент, используемые в вышеуказанном способе, а также применение 5-метил-(2-(2-нитрофенил)пропил)карбонат-dUTP, 5-метил-(2-оксо-1,2-дифенилэтил)карбонат-dUTP в качестве блокатора в секвенировании ДНК в вышеуказанном способе.

Способ и устройство для отслеживания в образце частицы, в частности одной молекулы // 2610928

Изобретение относится к способам и устройствам для осуществления наблюдений за перемещениями люминесцирующей частицы в образце. Способ наблюдения за перемещениями люминесцирующей частицы в образце включает формирование светового луча, распределение интенсивности в котором имеет минимум, направление указанного луча на образец таким образом, чтобы частица располагалась в области минимума интенсивности, детектирование фотонов, испускаемых исследуемой частицей, и перемещение луча по образцу таким образом, чтобы число испускаемых частицей фотонов оставалось минимальным.

Способ дистанционного трассового обнаружения участков растительности в стрессовом состоянии // 2610521

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного оперативного мониторинга состояния растительности по трассе полета авиационного носителя.

Способ определения энантиомерного избытка хиральных соединений (варианты) // 2610352

Изобретение относится к способам определения энантиомерного избытка хиральных соединений по их люминесцентным характеристикам. Один из способов определения энантиомерного избытка хиральных соединений включает измерение спектров люминесценции анализируемых образцов, измерение спектров люминесценции образцов с заведомо известным энантиомерным составом и сравнение полученных спектров испускания люминесценции, а также построение зависимости интенсивности люминесценции от энантиомерного избытка.

Способ разведки и система для обнаружения углеводородов с использованием подводного аппарата // 2608344

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при поиске скоплений углеводородов. Предложен способ обнаружения углеводородов с использованием подводного аппарата, снабженного одним или несколькими измерительными компонентами.

Способ обнаружения следов биологического происхождения // 2605462

Изобретение относится к методам обнаружения следов биологического происхождения и может быть использовано для поиска биологических следов на предметах, поступивших для проведения экспертных и специальных исследований.

Способ оценки функционального состояния растений in vitro без нарушения стерильности // 2604302

Изобретение относится к области сельского хозяйства, биологии и физиологии растений. В способе оценивают функциональное состояние растений in vitro путем определения параметров флуоресценции хлорофилла.

Способ исследования биологических жидкостей в переменном магнитном поле // 2621157

Изобретение относится к области биофизики и касается способа исследования биологических жидкостей в переменном магнитном поле. Сущность способа заключается в том, что проводят обработку биологической жидкости переменным магнитным полем. Для этого получают водный биологический раствор, содержащий макромолекулы белков, который подвергают воздействию магнитным полем. При этом используют переменное магнитное поле с частотой 1-30 Гц и напряженностью в диапазоне от 5 до 50 А/м. После этого регистрируют спектр испускания флуоресценции биологической жидкости в интервале от 290 до 500 нм при длине волны возбуждения 295 нм, находят величину интенсивности флуоресценции в максимуме спектра, по этим данным строят график зависимости величины интенсивности флуоресценции биологической жидкости от частоты магнитного поля и по этому графику выявляют области частот магнитного поля с максимальными значениями интенсивности флуоресценции и области частот магнитного поля с минимальными значениями интенсивности флуоресценции. Затем в зависимости от поставленной задачи выбирают активизацию или подавление биологических процессов. Использование предлагаемого способа позволит с высокой точностью находить зависимости физических характеристик биологических жидкостей или водного экстракта биологического объекта от изменения напряженности и частоты переменного магнитного поля по изменению их собственной или индуцированной флуоресценции. 5 ил., 2 пр.

Способ определения кодеина // 2621474

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения содержания кодеина в различных объектах, в том числе в фармацевтических препаратах и биологических жидкостях. Сущность способа заключается в том, что образующийся ионный ассоциат кодеина с эозином количественно экстрагируется толуолом из водного раствора. Спектр люминесценции ионного ассоциата представляет собой широкую полосу с максимумом при 550 нм. Максимальная интенсивность люминесценции достигается при экстракции ионного ассоциата из водного раствора с рН 7.5-.9.0 и концентрации эозина 0.02-0.05 мг/мл. Способ позволяет более чем в 7500 раз снизить предел обнаружения кодеина. Техническим результатом изобретения является снижение предела обнаружения содержания кодеина в сложных смесях. 2 табл.

N',n"'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2н-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразид)-амбидентатный хромогенный и флуоресцентный хемосенсор на hg2+ и f- // 2621701

Изобретение относится к новым производным ряда 5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-дикарбальдегида, а именно к N',Nʺ'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразиду) формулы 1, обладающему свойствами амбидентатного хромогенного и флуоресцентного хемосенсора на катионы ртути (II) и фторид-анионы. 2 табл., 1 пр. 2 табл., 1 пр.

Система для определения подлинности документов и денежных знаков // 2625253

Система для определения подлинности банкнот и документов включает портативную приставку, подключенную к смартфону, в который загружены данные об антистоксовских метках различных типов банкнот. Указанные данные передаются в приставку. Приставка выполнена с возможностью сравнения данных, полученных от смартфона, с данными, которые получены при измерении отклика антистоксовских меток проверяемой банкноты. Частота излучения инфракрасного светодиода приставки установлена не кратной 10 Гц. Технический результат заключается в повышении чувствительности системы, снижении мощности инфракрасного излучения, повышении безопасности при эксплуатации и снижении времени определения подлинности денежных купюр или документов. 4 ил.

Способ и устройство для возбуждения флуоресценции при помощи длиннопробежных поверхностных волн на одномерном фотонном кристалле // 2626269

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и устройства возбуждения флуоресценции только в тонком слое образца. Возбуждение флуоресценции осуществляют при помощи электромагнитного поля, локализованного вблизи границы раздела между содержащей образец жидкостью и твердой фазой. В качестве твердой фазы используют многослойную структуру с периодически меняющимися показателями преломления слоев, причем количество, толщину и показатели преломления слоев выбирают таким образом, чтобы на границе раздела могли возбуждаться длиннопробежные поверхностные волны хотя бы одной моды, длина волны которой находится внутри диапазона длин волн, обеспечивающих эффективное возбуждение флуоресценции образца. Технический результат заключается в увеличении контраста получаемых изображений и обеспечении возможности изучения приповерхностных процессов и адсорбции. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Оптоволоконный коммутатор лазерного спектроанализатора // 2632993

Изобретение относится к области оптических измерений и касается оптоволоконного коммутатора лазерного спектроанализатора. Оптоволоконный коммутатор включает в себя оптоволоконный датчик, лазеры, оптоволоконные средства соединения лазеров с датчиком, устройства регулирования мощности лазерного излучения, анализатор флуоресцентного сигнала и компьютерную систему управления и обработки данных. Оптическое волокно датчика соединено с направляющей системой, в которой торец этого волокна фиксируется на плоской поверхности подложки с помощью канавки в плоскости второй подложки. Третья подложка с тремя канавками фиксирует относительно первой подложки торцы двух волокон, передающих излучения лазеров, возбуждающих флуоресценцию, и торец третьего волокна, передающего излучение флуоресценции. Противоположные концы этих волокон расположены в фокальных плоскостях объективов, между линзами которых расположены сменные оптические фильтры. В сопряженных фокальных плоскостях объективов расположены торцы связанных с лазерами волокон и волокна, связанного со входом анализатора спектра флуоресценции. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ идентификации фарфора по виду материала // 2637384

Изобретение относится к области спектрального анализа и касается способа идентификации фарфора по виду материала. Способ включает в себя освещение исследуемых образцов, регистрацию спектров фотолюминесценции и создание по спектральным характеристикам обучающей выборки с последующим формированием базы данных в виде 3-х групп образцов по виду материала: костяной фарфор, мягкий и твердый. Принадлежность новых образцов фарфора к какой-либо из указанных групп определяют по наибольшим числовыми значениями классификационных функций, рассчитанных для каждой из групп. В качестве источника освещения используют ультрафиолетовое излучение. Регистрацию спектров возбуждаемой фотолюминесценции проводят в оптическом диапазоне электромагнитного излучения и определяют интенсивности полос оптически активных центров О*, [UO2]2+, Mn2+, Fe3+ в спектрах образцов. Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматизации и повышении степени объективности процесса идентификации. 4 ил., 2 табл.

Способ дифференциальной диагностики аденомы с дисплазией iii степени и ранней аденокарциномы толстой кишки // 2638805

Изобретение относится к медицине и касается способа дифференциальной диагностики аденомы с дисплазией III степени и ранней аденокарциномы толстой кишки, включающего исследование биоптатов новообразования толстой кишки, где гистологический срез биоптата новообразования толстой кишки подвергают флуориметрическому исследованию, измеряя спектры возбуждения флуоресценции с последующим сравнением спектров, испускаемых исследуемым фрагментом ткани, со спектрами доброкачественных и злокачественных новообразований толстой кишки. Изобретение обеспечивает информативность, большую чувствительность по сравнению с гистологическим исследованием, достоверность, нетрудоемкость, экономичность. 3 ил., 3 пр.

Способ биологической визуализации // 2639125

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для визуализации биологических объектов. Для этого осуществляют мечение анализируемых клеточных компонент, клеток, тканей или органов флуоресцентными зондами. Зонды состоят из биологических распознающих молекул и флуоресцентных красителей, излучающих в инфракрасной области оптического спектра. После чего возбуждают флуоресценцию красителей с помощью инфракрасного излучения и регистрируют их флуоресценцию. В качестве флуоресцентных красителей применяют полупроводниковые нанокристаллы (PbS/CdS/ZnS, CuInS2/ZnS, Ag2S), флуоресцирующие в инфракрасном диапазоне спектра. При этом регистрацию флуоресцентного сигнала от полупроводниковых нанокристаллов проводят через 5-50 наносекунд после возбуждения их флуоресцентного сигнала. Изобретение позволяет визуализировать мишени внутри исследуемого биологического образца или живого организма за счет повышения контрастности получаемого изображения и повышения чувствительности детекции мишеней, маркированных флуоресцентными зондами. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство, система, способ и машиночитаемый носитель для универсального анализа результатов иммунологических диагностических экспресс-тестов // 2639731

Группа изобретений относится к области анализа биологических материалов, в частности медицинских тестов. В заявке описаны устройство, система, способ и машиночитаемый носитель для универсального анализа результатов иммунологических диагностических экспресс-тестов. Они позволяют считывать результаты различных тестов различных изготовителей несмотря на то, что в таких тестах могут использоваться сигналы отражающего и/или излучающего типов. В устройстве, системе, способе и машиночитаемом носителе используется одна или несколько баз данных диагностических экспресс-тестов с информацией о предлагаемых на рынке изделиях и специализированных экспресс-тестах. В устройстве, системе, способе и машиночитаемом носителе определяется тип анализируемого теста путем его сопоставления с базой(ами) данных тестов. При необходимости захватывается соответствующий отражающий и/или излучаемый сигнал. Устройство, система, способ и машиночитаемый носитель могут преобразовывать сигнал в изображение или наоборот и/или анализировать изображение с целью интерпретации результатов теста. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и обеспечении универсальности и совместимости анализа результатов различных иммунологических диагностических экспресс-тестов. 4 н. и 42 з.п. ф-лы, 6 ил.