利用固体中的光学缺陷估计流体的动力学性能

摘要

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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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％。

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。

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。

发明内容

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。

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。

例如，在文章“Microwave-assisted cross-polarization of nuclear spinensembles 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。

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。

在本发明的方法中，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。

本发明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

这里，结合以下的附图描述本发明的实施例和特征。

图1A表示本发明的一个实施例的截面。

图1B是本发明的样品衬底的一个实现的SEM微观照片。

图2是本发明的示意图。

图3表示本发明的另一实施例的示意图。

图4表示经典的NMR设置。

图5表示纳米尺度上的NMR的设置。

图6表示极化对NV中心的影响。

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。

图8表示用于计算时间常数τ的两种方法。

具体实施方式

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发明。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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，使得可以强制流体通过通道。流动垂直于图1A中的页面，并且沿着图2中的箭头106的方向。

流动中的随机自旋105由光学响应(通过发射光子)的NV中心104感测；该光学响应是例如通过(光学透明)金刚石101下方或PDMS覆盖层103上方的显微镜或共焦显微镜物镜测量的。通常从与物镜相对的边照射颜色中心，尽管原则上照射可以来自任何方向。

该平台可以容易地与共焦显微镜和微波激励单元以及NMR测量所需的外部磁场产生单元(均未显示)集成。光学设置需要配备高检测效率(高NA物镜、高灵敏度检测器)。可以使用从通道的边或从PDMS的边通过窗口的检测。

NMR

我们现在简要回顾与本发明相关的NMR原理。在图4所示的经典NMR设置中，所研究的自旋105通常将没有净本征磁化，M＝0。在施加外部场B(401)时，将引起净磁化M≠0(402)。如果在垂直于原始场B的方向上施加短暂的附加外场，则自旋105将获得该方向上的分量，并且将趋向于围绕原始场401方向以取决于外部场和自旋105的矩的一组频率403进动。由该进动引起的场由合适的线圈读出，并且，现在可以确定样品105的自旋(其它特性之中的)。

该设置的纳米级实现如图5所示，这里，NV中心104被用作样品自旋105的NMR进动信号的探针，而不是RF线圈或其它感测设备；NV中心对由自旋105的进动引起的场作出光学响应，并且该光学响应被用于测量NMR光谱。

在纳米NMR设置中，外场401起两个作用；

1)控制NV的能隙。

2)控制和增加流体中的核的能隙；这很重要，因为在强磁场中，核的相干时间更长。

为了探测功率谱中的期望的频率并增加NV的相干时间，施加RF/微波场。

在图6中，自旋105被示为以速度v通过静止NV中心104的移动。自旋105在其通过NV中心104时如上面描述的那样在NV中心中激发光学信号，使得产生的信号之间的时间相关性指示流体的速度v、以及诸如扩散系数D、混合比和本领域技术人员将清楚的其它物理参数的其它参数。

如上所述，自旋105的流动引起NV中心的位置处的随机磁场。可以通过以光学方式探测NV中心，估计磁场噪声的功率谱。通过分析噪声特性，可以推断流动性能。

具体而言，图7所示的由NV中心测量的光学信号的噪声相关性函数的时间依赖性具有三个特性时间常数，其中的第一个τ

v＝d/τ

这里，d是从NV中心到金刚石表面的距离，而第二τ

D＝d

应当注意，存在使用经典NMR技术的测速方法。但是，这些通常依赖于磁场梯度自旋回声实验，并因此由于经典NMR设备的非常低的信噪比而不会在微米和纳米流体体系中起作用。

通过使用这种非侵入技术，我们能够如图8所示的那样非常精确地测量速度和扩散系数，灵敏度由下式给出：

这里，Δv是速度测量的误差，T是总测量时间。

可以由包括峰宽度、峰位置、时间常数、交叉相关和自相关的测量信号的各种参数派生出研究的流体的其它方面。

以上概述的设备和方法的其它应用是估计反应区域中的两个流体的混合比以及评价挨着通道表面的流动性能。

可以使用其它的衬底，例如，碳化硅和金属氧化物等，仅有的要求在于可以用颜色中心注入衬底。衬底自身可以是施加于另一基底上的薄层，例如金属探针之上的CVD沉积金刚石。用于颜色中心的空位或掺杂剂也可以为任何类型，仅有的要求在于它们产生可以以足可以检测它们的强度通过衬底的剩余部分行进的光子。因此，主要要求是衬底与颜色中心之间的兼容性－衬底应对由颜色中心产生的光子足够透明，使得这些光子可以穿过衬底以最终被外部检测到。

已出于解释的目的给出本发明的实施例的以上的描述和解释。它不旨在详尽无遗或者以任何形式将本发明限于上述描述。

应根据该定义解释在上面限定以及在权利要求中使用的任何术语。

权利要求中的附图标记不是权利要求的一部分，而是被用于促进其阅读。这些附图标记不应被解释为以任何形式限制权利要求。