[논문 리뷰] Nano-NMR based flow meter

D. Cohen, Ramil Nigmatullin외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 06.

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 나노 NMR 기반 유량계를 제안하며, 유량 채널 내에서의 이동 속도와 자기확산 계수를 침습적으로 측정한다. 유동하는 핵 스핀으로부터 발생하는 자기장 노이즈를 감지함으로써, 이 방법은 5% 이내의 정확도를 달성하며, 특히 확산 효과가 지배적인 조건에서 형광 기반 기술에 비해 감도 면에서 수개의 주기 수준으로 뛰어나다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세유체 및 나노유체 시스템에서 채널 벽 근처의 유속을 정확하고 침습적으로 측정할 수 있는 실험적 기법의 부족을 해결하기 위해.
• 형광 기반 유속 측정 기술의 한계, 즉 큰 프로브 크기, 낮은 표면 감도, 제한된 공간 해상도를 극복하기 위해.
• 표면 유동 효과와 자기확산 계수에 민감한 나노 NMR 기반 양자 센싱 기법을 개발하기 위해.
• 확산이 지배적인 조건에서도 기존 방법에 비해 훨씬 높은 감도를 확보할 수 있음을 입증하기 위해.
• Lennard-Jones 유체가 NV 중심 배열 근처에서 유동하는 경우를 시뮬레이션한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 유량 채널 내에서 유동하는 핵 스핀이 생성하는 자기장 변동을 감지하기 위해 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 나노스케일 자기계측기로 활용한다.
• NV 중심 위치에서의 자기장 노이즈의 파wer 스펙트럼을 광학적 방법으로 NV 스핀 상태를 측정함으로써 측정한다.
• 변동-소산 정리( fluctuation-dissipation theorem )를 적용하여, 영주파수에서의 파워 스펙트럼을 이동 속도와 확산 시간 상수와 연결한다.
• 유체의 유동을 모델링하고 NV 중심 위치에서 유도된 자기장을 계산하기 위해 Lennard-Jones 잠재에너지와 함께 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 유체역학적 흐름을 제한된 기하구조에서 시뮬레이션하기 위해 주기적 경계 조건과 거울 반사 조건을 갖춘 Velocity-Verlet 적분 방법을 사용한다.
• 영주파수 파워 스펙트럼을 $1 + b\sqrt{v} + cv$ 형태의 함수에 맞춰 유속 감도를 추출하고 이론 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NV 중심을 이용한 나노 NMR는 미세유체 채널 내에서 이동 속도를 침습적이지 않고 고감도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 확산 효과가 지배적인 조건에서 나노 NMR의 감도는 형광 기반 방법에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NV 중심에서의 자기장 노이즈 파wer 스펙트럼은 핵 스핀의 이동 속도에 얼마나 의존하는가?
• RQ4 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 파워 스펙트럼의 속도에 따른 스케일링 특성이 이론 모델을 정확히 재현하는가?
• RQ5 표면 효과와 자기확산은 나노 NMR를 통한 유동 감지 가능성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 확산 효과가 지배적인 조건에서도 나노 NMR 방법은 기존 형광 기반 기술에 비해 감도 면에서 수개의 주기 수준으로 뛰어나다.
• 영주파수 파워 스펙트럼 $S(\omega=0)$는 이동 속도에 대해 $1 + b\sqrt{v} + cv$ 형태로 스케일링되며, $b = -0.42$ 및 $c = 0.053$로 설정되어 시뮬레이션 데이터에 대해 $R^2 = 0.9926$의 높은 적합도를 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 이론 예측과 일치하여 파워 스펙트럼이 이동 속도와 확산 시간 상수 $\tau_D$ 양쪽에 민감하다는 것을 확인한다.
• NV 중심이 채널 벽 근처에 위치함에 따라 이 방법은 본질적으로 표면 감도를 지닌다. 이는 경계층 유동 측정이 가능함을 의미한다.
• 이 방법은 열운동에 강건하며, 거대한 외부 자기장 기울기나 스핀 에코 기법이 필요로 하지 않으며, 핵 스핀의 통계적 균형 상태에 의존하기만 한다.
• 기존의 NV 중심 기술로 이미 실험적 실현 가능성이 입증되었으며, 강한 자기장 기울기나 스핀 에코 기법이 필요로 하지 않는다.