[論文レビュー] Nano-NMR based flow meter

D. Cohen, Ramil Nigmatullin+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2019

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を用いたナノNMRに基づく流量計を提案する。この方法により、マイクロ流路内の流れの平均速度および自己拡散係数を非挿入的に測定可能である。流動する核スピンが生成する磁場ノイズを検出することで、5%未満の精度を達成し、特に拡散効果が支配的である状況下でも、蛍光法に比べて数個のオーダー高い感度を実現する。

ABSTRACT

Microfludic channels are now a well established platform for many purposes, including bio-medical research and Lab on a Chip applications. However, the nature of flow within these channels is still unclear. There is evidence that the mean drift velocity in these channels deviates from the regular Navier-Stokes solution with `no slip' boundary conditions. Understanding these effects, is not only of value for fundamental fluid mechanics interest, but it also has practical importance for the future development of microfluidic and nanofludic infrastructures. We propose a nano-NMR based setup for measuring the drift velocity near the surface of a microfludic channel in a non-intrusive fashion. We discuss different possible protocols, and provide a detailed analysis of the measurement's sensitivity in each case. We show that the nano-NMR scheme outperforms current fluorescence based techniques.

研究の動機と目的

• マイクロおよびナノ流路系において、チャネル壁付近の流れの速度を正確に非挿入的に測定するための実験的手法の不足を解消すること。
• 蛍光法による速度計測の限界（大きなプローブサイズ、表面感度の低さ、空間分解能の制限）を克服すること。
• 表面の流れの効果および自己拡散係数に敏感な、ナノNMRに基づく量子センシング手法を開発すること。
• 拡散が支配的であっても、現在の手法に比べてはるかに高い感度を達成できるかどうかを実証すること。
• NV中心アレイ近傍でのLennard-Jones流体の流れを模擬する分子動力学シミュレーションを通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• マイクロ流路内の流れている核スピンが生成する磁場揺らぎを検出するために、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心をナノスケールの磁気計として用いる。
• NVスピン状態の光学的検出により、NV中心位置における磁場ノイズのパワースペクトルを測定する。
• フラクチュエーション・ディスシペーション定理を適用し、零周波数におけるパワースペクトルを平均速度および拡散時間スケールに関連付ける。
• Lennard-Jonesポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションにより、流体の流れをモデル化し、NV中心位置に誘導される磁場を計算する。
• 周期的境界条件および鏡像反射を用いたVelocity-Verlet積分法を用いて、閉じた幾何形状内での流体力学的流れをシミュレートする。
• 零周波数パワースペクトルを $1 + b\sqrt{v} + cv$ の形の関数にフィットさせ、速度感度の抽出および理論的予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心を用いたナノNMRは、マイクロ流路内の流れの平均速度を非挿入的かつ高感度に測定可能か？
• RQ2 拡散効果が支配的である条件下で、ナノNMRの感度は蛍光法に比べてどの程度優れているか？
• RQ3 NV中心における磁場ノイズのパワースペクトルは、核スピンの平均速度にどの程度依存するか？
• RQ4 分子動力学シミュレーションは、パワースペクトルの速度依存性のスケーリングを理論的予測と整合的に再現できるか？
• RQ5 表面効果および自己拡散は、ナノNMRによる流れの検出可能性にどのような役割を果たすか？

主な発見

• ナノNMR手法は、拡散効果が支配的であっても、現在の蛍光法に比べて数個のオーダー高い感度を達成する。
• 零周波数パワースペクトル $S(\omega=0)$ は、平均速度 $v$ に対して $1 + b\sqrt{v} + cv$ のように依存し、$b = -0.42$ および $c = 0.053$ で、シミュレーションデータへのフィットでは $R^2 = 0.9926$ を達成する。
• シミュレーション結果は、パワースペクトルが平均速度および拡散時間スケール $\tau_D$ の両方に敏感であるという理論的予測を確認している。
• NV中心がチャネル壁に近接して配置されているため、この手法は本質的に表面に敏感であり、境界層の流れを測定可能である。
• この手法は熱揺らぎに対して頑健であり、巨視的磁化の必要がなく、核スピンの統計的偏極に依存するのみである。
• 強力な磁場勾配やスピンエコー技術を必要とせず、既存のNV中心技術によって実験的実現可能性が確認されている。