[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种基于氮-vacancy (NV) 位错的纳米级核磁共振（nano-NMR）流量计，利用金刚石中的NV中心非侵入式测量微流体通道中流体的漂移速度和自扩散系数。通过检测流动核自旋产生的磁场噪声，该方法在精度上达到亚5%，其灵敏度相比荧光法高出数个数量级，尤其在扩散效应占主导时表现更优。

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.

研究动机与目标

• 解决微流体与纳米流体系统中靠近通道壁区域流速测量缺乏准确、非侵入性实验技术的问题。
• 克服荧光法测速的局限性，包括探针尺寸过大、表面灵敏度差以及空间分辨率有限等问题。
• 开发一种基于纳米NMR的量子传感方法，对表面流动效应和自扩散系数具有高灵敏度。
• 证明即使在扩散占主导的情况下，纳米NMR的灵敏度仍显著优于现有方法。
• 通过Lennard-Jones流体在NV中心阵列附近的分子动力学模拟，验证该方法的有效性。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 中心作为纳米尺度磁力计，检测微流体通道中流动核自旋产生的磁场涨落。
• 通过光学探测NV自旋态，测量NV中心位置处的磁场噪声功率谱。
• 应用涨落-耗散定理，将零频处的功率谱与漂移速度及扩散时间尺度相关联。
• 采用Lennard-Jones势能模型进行分子动力学模拟，以模拟流体流动并计算NV中心位置处感应的磁场。
• 使用Velocity-Verlet积分方法，结合周期性边界条件与镜面反射，模拟受限几何结构中的流体动力学流动。
• 将零频功率谱与形如 $1 + b\sqrt{v} + cv$ 的函数进行拟合，以提取速度灵敏度并验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于NV中心的纳米NMR能否实现对微流体通道中漂移速度的非侵入式、高灵敏度测量？
• RQ2 在扩散效应占主导的条件下，纳米NMR与荧光法相比灵敏度如何？
• RQ3 NV中心处磁场噪声的功率谱在多大程度上依赖于核自旋的漂移速度？
• RQ4 分子动力学模拟能否准确再现功率谱随速度变化的预期标度关系，从而验证理论模型？
• RQ5 表面效应与自扩散在利用纳米NMR检测流动时起到何种作用？

主要发现

• 即使在扩散效应占主导的情况下，该纳米NMR方法的灵敏度仍比现有荧光法高出数个数量级。
• 零频功率谱 $S(\omega=0)$ 随漂移速度呈 $1 + b\sqrt{v} + cv$ 的依赖关系，其中 $b = -0.42$，$c = 0.053$，与模拟数据的拟合决定系数 $R^2 = 0.9926$。
• 模拟结果证实了理论预测：功率谱对漂移速度和扩散时间尺度 $\tau_D$ 均具有敏感性。
• 该方法本质上具有表面敏感性，因为NV中心被置于通道壁附近，从而可测量边界层流动。
• 该方法对热涨落具有鲁棒性，且无需宏观极化，仅依赖于核自旋的统计极化。
• 现有NV中心技术已验证其实验可行性，无需强磁场梯度或自旋回波技术。