Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un sistema óptico que mide con precisión el flujo de cantidades extraordinariamente pequeñas de líquidos, tan pequeñas como 10 mil millonésimas de litro (nanolitros) por minuto.
A ese ritmo, una botella de un litro de agua tardaría unos 190 años en escurrirse. (Una sola gota de agua contiene 50, 000 nanolitros). Las nuevas mediciones son una mejora importante con respecto a la tecnología que informó el equipo del NIST en 2018.
Medir y controlar con precisión caudales minúsculos se ha vuelto de vital importancia en el floreciente campo de los microfluidos. que incluye la entrega de pequeñas cantidades de medicamentos, la preparación de pequeñas cantidades de líquidos, la formación de microgotitas y estudios de biotecnología que monitorean el flujo de nutrientes a las células. En el tratamiento del cáncer y otras enfermedades, Las bombas de suministro de fármacos dispensan tan solo decenas de nanolitros (nL) por minuto en el torrente sanguíneo. Ese flujo debe ser extremadamente preciso para que la dosis total que reciba el paciente sea exactamente la prescrita por el médico.
Las bajas tasas de flujo también juegan un papel en la separación de una mezcla en sus componentes químicos en función de la lentitud con la que viajan a través de un gel u otro medio.
El nuevo método se basa en un solo láser que ilumina moléculas sensibles a la luz en un líquido que fluye a través de un microcanal:una tubería de silicona del diámetro de un cabello humano. La interacción de la luz láser con las moléculas depende de la velocidad de flujo del líquido.
Si el fluido fluye relativamente rápido a través del microcanal, el láser simplemente hace que las moléculas sensibles a la luz brillen o emitan fluorescencia. Pero para los líquidos que fluyen más lentamente y, por lo tanto, están expuestos a la luz láser durante más tiempo, la historia es más compleja:después de que una cierta cantidad de luz incide en las moléculas, se queman y ya no emiten fluorescencia. Por lo tanto, cuanto más lento es el flujo, cuanto mayor es el número de moléculas sensibles a la luz que se extinguen y menor es la fluorescencia.
El equipo calibró sus mediciones comparándolas con mediciones de tasas de flujo mucho más altas registradas por medidores de flujo establecidos. que no requieren láser.
Greg Cooksey, Paul Patrone y sus colegas del NIST, junto con un becario de investigación de verano del NIST de Montgomery College en Germantown, Maryland, informó los hallazgos en una edición reciente de Química analítica . El estudio da seguimiento a una Solicitud de revisión física d artículo que describe la demostración teórica, del método.
Una ventaja clave del nuevo método es que las mediciones de flujo son independientes del tamaño y la forma del canal a través del cual viaja el fluido. El nuevo método es una derivación de un sistema anterior desarrollado por el equipo de NIST, que requería conocimiento de la geometría del canal y la intensidad del láser, agregando incertidumbres considerables en las mediciones.
El nuevo método es lo suficientemente sensible como para determinar la tasa de flujo más lenta que realmente se puede medir para una configuración experimental dada. Por debajo de esta tasa, el movimiento aleatorio de partículas en todas las direcciones (difusión) confunde las mediciones del flujo ordenado de partículas.
La tasa de flujo más baja que se pudo distinguir de la difusión fue de 0,2 nL, o 200 billonésimas de litro por minuto. Determinación precisa de este límite, conocido como flujo cero, permite a los investigadores controlar las tasas de flujo con mayor precisión de lo que se pueden medir. El equipo del NIST ahora está experimentando con el uso de moléculas más grandes, que se difunden más lentamente, y canales más estrechos, para mejorar la capacidad de discriminar el flujo ordinario de la difusión aleatoria.
El equipo también informó que podía controlar una tasa de flujo tan pequeña como 2 nL por minuto, con una incertidumbre de solo el 5%.
El método de medición ofrece varias oportunidades potenciales para tecnologías derivadas y puede permitir a los fabricantes de dispositivos de microfluidos desarrollar una nueva generación de sensores de flujo. Dijo Cooksey. El equipo ha presentado una solicitud de patente sobre la técnica. En general, Una mejor medición del flujo conduce a mejoras en la precisión de los instrumentos de detección de sustancias químicas y la seguridad de los dispositivos de administración de fármacos.
El nuevo método para medir caudales bajos está directamente relacionado con uno de los programas clave de NIST, NIST en un chip. El programa tiene como objetivo desarrollar un conjunto de tecnologías de medición basadas en la tecnología cuántica destinadas a implementarse prácticamente en cualquier lugar y en cualquier momento, sin que un fabricante tenga que detener la producción mientras se envía un sensor u otro dispositivo al NIST para su calibración. El nuevo sistema de medición de microflujos podría ayudar a dispensar cantidades precisas de microfluidos utilizados en una gran cantidad de tecnologías NIST on a Chip.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.
