I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un sistema ottico che misura con precisione il flusso di quantità straordinariamente piccole di liquidi, fino a 10 miliardesimi di litro (nanolitri) al minuto.

A quel ritmo, ci vorrebbe una bottiglia d'acqua da un litro circa 190 anni per drenare. (Una singola goccia d'acqua contiene 50, 000 nanolitri.) Le nuove misurazioni sono un importante miglioramento rispetto alla tecnologia che il team del NIST ha riportato nel 2018.

La misurazione e il controllo precisi di portate minuscole è diventato di fondamentale importanza nel fiorente campo della microfluidica, che include la consegna di quantità minime di farmaci, la preparazione di piccole quantità di liquidi, la formazione di microgoccioline e studi biotecnologici che monitorano il flusso di nutrienti alle cellule. Nel trattamento del cancro e di altre malattie, le pompe di erogazione del farmaco erogano nel flusso sanguigno solo decine di nanolitri (nL) al minuto. Tale flusso deve essere estremamente preciso in modo che il dosaggio totale che il paziente riceve sia esattamente quello prescritto dal medico.

Anche le basse velocità di flusso svolgono un ruolo nella separazione di una miscela nei suoi costituenti chimici in base alla lentezza con cui viaggiano attraverso un gel o un altro mezzo.

Il nuovo metodo si basa su un singolo laser che illumina le molecole sensibili alla luce in un liquido che scorre attraverso un microcanale, un tubo di silicone o un tubo del diametro di un capello umano. L'interazione della luce laser con le molecole dipende dalla velocità di flusso del liquido.

Se il fluido scorre relativamente rapidamente attraverso il microcanale, il laser fa semplicemente brillare o fluorescente le molecole sensibili alla luce. Ma per i liquidi che scorrono più lentamente e quindi sono esposti alla luce laser per un tempo più lungo, la storia è più complessa:dopo che una certa quantità di luce colpisce le molecole, si bruciano e non emettono più fluorescenza. Così, più lento è il flusso, maggiore è il numero di molecole fotosensibili che si estinguono e minore è la fluorescenza.

Il team ha calibrato le proprie misurazioni confrontandole con misurazioni di portate molto più elevate registrate da misuratori di portata stabiliti, che non richiedono un laser.

Greg Cooksey, Paul Patrone e i loro colleghi del NIST, insieme a un ricercatore universitario estivo del NIST del Montgomery College di Germantown, Maryland, ha riportato i risultati in un recente numero di Chimica analitica . Lo studio segue a Applicazione della revisione fisica d articolo che descrive la dimostrazione teorica, del metodo.

Un vantaggio chiave del nuovo metodo è che le misurazioni del flusso sono indipendenti dalle dimensioni e dalla forma del canale attraverso il quale viaggia il fluido. Il nuovo metodo è una propaggine di un precedente sistema sviluppato dal team del NIST, che richiedeva la conoscenza della geometria del canale e dell'intensità del laser, aggiungendo notevoli incertezze nelle misurazioni.

Il nuovo metodo è sufficientemente sensibile da determinare la velocità di flusso più lenta che può essere effettivamente misurata per una determinata configurazione sperimentale. Al di sotto di questo tasso, il movimento casuale delle particelle in tutte le direzioni, la diffusione, confonde le misurazioni del flusso ordinato delle particelle.

La velocità di flusso più bassa che poteva essere distinta dalla diffusione era di 0,2 nL, o 200 trilionesimi di litro al minuto. Determinazione precisa di questo limite, noto come flusso zero, consente ai ricercatori di controllare le portate in modo più preciso di quanto possano essere misurate. Il team del NIST sta ora sperimentando l'utilizzo di molecole più grandi, che si diffondono più lentamente, e canali più stretti, migliorare la capacità di discriminare il flusso ordinario dalla diffusione casuale.

Il team ha anche riferito che potrebbe controllare una velocità di flusso di appena 2 nL al minuto, con un'incertezza di appena il 5%.

Il metodo di misurazione offre diverse potenziali opportunità per le tecnologie derivate e può consentire ai produttori di dispositivi microfluidici di sviluppare una nuova generazione di sensori di flusso, ha detto Cooksey. Il team ha presentato una domanda di brevetto sulla tecnica. Globale, una migliore misurazione del flusso porta a miglioramenti nella precisione degli strumenti di rilevamento delle sostanze chimiche e nella sicurezza dei dispositivi di somministrazione dei farmaci.

Il nuovo metodo di misurazione delle basse portate è direttamente correlato a uno dei programmi chiave del NIST, NIST su un chip. Il programma mira a sviluppare una suite di accurate, tecnologie di misurazione basate sulla quantistica destinate ad essere implementate quasi ovunque e in qualsiasi momento, senza che un produttore debba interrompere la produzione mentre un sensore o un altro dispositivo viene spedito al NIST per la calibrazione. Il nuovo sistema di misurazione del microflusso potrebbe aiutare a dispensare quantità precise di microfluidi utilizzati in una serie di tecnologie NIST on a Chip.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.