Mikrofluidisten suspensiovirtausten kuvaus NMR:n etähavaitsemismenetelmällä

Otto Mankinen, NMR research group, University of Oulu

Sisällys

• Yleistä teoriaa NMR:stä [1]

• Mikrofluidistiikka ja suspensiovirtaukset

• Etähavaitsemismenetelmä

• Suspensiovirtausten tutkiminen NMR:llä

Yleistä teoriaa

• NMR (Nuclear Magnetic Resonance) eli ydinmagneettinen resonanssi

• Tutkii atomien ytimiä ja niiden kemiallista ympäristöä

• Näytteeseen kohdistetaan suuri ulkoinen magneettikenttä

• Näytettä häiritään radiotaajuuisilla pulsseilla → ytimen orientaatio muuttuu

• Ytimellä, jolla on pariton protoni tai neutroni, on nettospin. Tällöin ytimen spinkvanttiluku I ≠ 0.

• Magneettikentässä Zeemanin vuorovaikutuksen seurauksena energiatilat jakautuvat 2I+1 tilaan, jolloin ytimen spin voi asettua myös 2I+1 eri tavalla. Mitattavassa spektrissä tämä havaitaan spektriviivojen silpoutumisena.

• Magneettisen dipolimomentin ollessa kvantittunut, niin silloin myös niitä vastaavat energiatilat ovat kvantittuneita.

Em= −γħ𝐵0𝑚𝐼

• Siirtymä eri energiatilojen välillä tapahtuu kvantin absorption tai emission kautta. Siirtymän energia voidaan laskea yhtälöllä

Δ𝐸 = ±𝛾ħ𝐵0.

• Siirtymissä tulee huomioida magneettisen kvanttiluvun m valintasääntö.

• Siirtymässä emittoituva tai absorpoituvan kvantintaajuus saadaan yhtälöstä

ν=Δ𝐸

ℎ=

𝛾

2𝜋𝐵0

NMR signaalin havaitseminen

• Kun näyte asetetaan ulkoiseen magneettikenttään, niin atomin ytimet pyrkivät orientoitumaan kentän suuntaisesti. Kaikki ytimet eivät kuitenkaan voi asettua näin. Tätä on havainnollistettu alla olevassa kuvassa [2].

• Ajan t jälkeen on saavutettu tasapainotila ja maksimaalinen nettoydinmagnetoituma (M0), jonka suuruus on suoraan verrannollinen ulkoisen magneettikentän suuruuteen.

• Tätä magnetoitumaa häiritään herätekentällä, joka poikkeuttaa magnetoitumavektoria. Ulkoinen magneettikenttä aiheuttaa vääntömomentin, jolloin magnetoitumavektori prekessoi z-akselin ympäri palautuen hiljalleen takaisin tasapainotilaan.

• Tämä prekessointi indusoi havaitsemiskelaan sähkövirran, joka havaitaan.

Mikrofluidistiikka ja Suspensiovirtaukset

• Suspensioksi voidaan kutsua fluidin ja kiinteän aineen seosta, mikäli sen sakkautumisnopeus on hyvin hidas. [3]

• Esimerkiksi jauho veteen sekoitettuna [4]

• Suspensioilla tärkeä rooli useissa teollisuuden sovellutuksissa.

• Yleensä menetelmät ovat hyvin energiatehottomia.

• Prosessien ymmärryksessä mikrofluidistiikka apuna

Mikrofluidinen laite

• Mikrofluidinen laite on käytännössä pieni siru, jossa on pieniä kanavia, joissa fluidi pääsee virtaamaan.

• Pienen kokonsa vuoksi näytettä ei tarvita suuria määriä, reaktiopinta-ala suuri, painovoiman vaikutusta ei tarvitse huomioida

• Kanavien koon vuoksi virtaukset ovat jo hyvinpienillä nopeuksilla laminaarisia

• Laminaarisessa virtauksessa syntyy eri nopeuksillakulkevia virtauslinjoja siten, että nopeusjakauma on kuvan mukainen. Virtauksen nopeus kanavan seinämillä on nolla.

Diffuusio

• Diffuusio, jonka tyypin partikkelikoko määrää

• Brownin diffuusio vain hyvin pienillä partikkeleilla, joita ei esiinny luonnollisissa suspensioissa.

• Leikkausvoiman aikaansaama diffuusio on nykypäivän sovellutuksien kannalta oleellisin diffuusion muoto. [3]

• Brownin diffuusio on partikkeleiden satunaista liikettä, joka johtuu molekyylien lämpöliikkeestä.

• Leikkausvoiman aiheuttama diffuusio on suspension partikkeleiden diffuusiota kohtisuoraan vasten virtaussuuntaa. Ilmiö vahvistuu partikkelikonsentraation kasvaessa.

• Virtauksessa partikkelit asettuvat kokonsa mukaisesti virtauslinjoihin. Pienemmät partikkelit hakeutuvat virtauslinjoissa pois keskustasta.

• Käytännöllinen ilmiö erilaisten erotusmenetelmien kehittämisessä.

Etähavaitsemismenetelmä

• Tavanomaisessa NMR-kokeessa näytteeseen kohdistettavat koodaus- ja havaitsemispulssit suoritetaan samalla kelalla.

• Etähavaintamenetelmässä nämä kaksi vaihetta on erotettu, jolloin käytettävät kelat voidaan optimoida tehtäväänsä varten. Kuvassa esitetty kaaviokuva koejärjestelystä, syaani kela toimii koodauskelana ja musta (pieni) havaitsemiskelana [5].

• Tavanomainen etähavaintamenetelmän havaitseminen voidaan toteuttaa kuvan mukaisella pulssisarjalla, jossa koodausperiodi kuvataan sinisillä palkeilla ja havaitsemisperodi keltaisilla palkeilla. Evoluutioaikaa Δ muuntelemalla tuloksetsaadaan evoluutioajan funktiona. Tällöin saadaan vastaava informaatio kuin suoraan havaittaessa.

Suspensiovirtausten tutkiminen NMR:llä

• NMR on todettu olevan potentiaalinen tutkimusmenetelmä supensiovirtausten dynamiikan ymmärtämiseen.

• Etuina aineen rikkomaton tutkiminen, useiden parametrien mittaaminen yhtäaikaisesti, näytteeseen ei tarvitse lisätä merkkiaineita tai muuten häiritä virtausta fyysisesti mittausten onnistumisen kannalta.

• Haittapuolia NMR:llä kuitenkin on. NMR on menetelmänä hyvin epäherkkä, kun käytetään suoraa havaintoa. Signaali-kohinasuhde (SNR) saattaa olla huono. Magneettikentät ovat epähomogeenisiä. [3]

• Suspensioita on tutkittu paljonkin biologian saralla hyödyntäen NMR:ää, koska biologisia näytteitä tutkittaessa rikkomattomat mittausmenetelmät ovat hyvin tärkeässä roolissa. [6,7]

• Lisäksi erilaisia virtauksen dynamiikan tutkimuksia on tehty erityyppisille virtauskanaville. [8]

• Edellä mainittuja ongelmakohtia voidaan kuitenkin osittain poistaa.

• Tekninen kehitys huimaa laitteiston puolesta

• Etähavaintamenetelmä itsessään parantaa SNR:ää, kuten esimerkiksi V.-V. Telkki et al. raportoivat [9] etähavaintamenetelmä paransi ilman optimointia SNR:ää kertoimella 6,9 ja optimoinnin jälkeen voitaisiin saavuttaa jopa 27,6-kertainen parannus verrattuna suoraan havaitsemiseen.

• Etähavaitsemismenetelmällä voidaan helpommin poissulkea magneettikentän epähomogeenisuudesta aiheutuvat vääristymät havaittavassa datassa. [10]

• Etähavaitsemismenetelmä yhdistettynä mikrofluidisiin laitteisiin kasvattaisi SNR:ää edelleen ja mahdollistaisi erilaisten virtausprofiilien tutkimisen entistä paremmin.

Viitteet ja kirjallisuutta[1] J. Keeler, Understanding NMR spectroscopy second edition, John Wiley & sons, LTD, Chichester (2010)

[2] Kuva lainattu: http://bio.groups.et.byu.net/mri_training_b_Alignment_in_Magnetic_Fields.phtml (Haettu 24.10.2014)

[3] A.M.C. van Dinther, C.G.P.H. Schroën, F.J. Vergeldt, R.G.M. van der Sman, R.M. Boom, Suspension flow in microfluidic devices - a review of experimental techniques focussing on concentration and velocity gradients, Adv. Colloid Interface Sci., 173, 23-34 (2012).

[4] This Wikipedia and Wikimedia Commons image is from the user Chris 73 and is freely available at //commons.wikimedia.org/wiki/File:WaterAndFlourSuspensionLiquid.jpg under the creative commons cc-by-sa 3.0 license.

[5] V. V. Zhivonitko, V.-V. Telkki, J. Leppäniemi, G. Scotti, S. Franssilac, I. V. Koptyuga, Remote detection NMR imaging of gas phase hydrogenation in microfluidic chips, Lab Chip, 13, 1554-1561 (2013)

[6] A. Y. Nosaka, G. Tanaka, Y. Nosaka, Study by Use of 1H NMR spectroscopy of the adsorbtion and decomposition of glycine, leucine, and derivatives in TiO2 photocatalysis, J.Phys.Chem.B, 118, 7561−7567 (2014)

[7] E. M. Clop, A.K. Chattah, M. A. Perillo, Water and membrane dynamics in suspensios of lipid vesicles functinalized with poly(ethylene glycol)s, J. Phys. Chem. B, 118, 6150−6158 (2014)

[8] E. O. Fridjonsson, J. D. Seymour, G. R. Cokelet, S. L. Codd, Dynamic NMR microscopy measurement of the dynamics and flow partitioning of colloidal particles in a bifurcation, Exp Fluids, 50, 1335–1347 (2011)

[9] V.-V. Telkki, C. Hilty, S. Garcia, E. harel, A. Pines, Quantifying the diffusion of a fluid through membranes by douple phase encoded remote detection magnetic resonance imaging, J. Phys. Chem. B, 111, 13929-13936 (2007)

[10] E. Harel, C. Hilty, K. Koen, E. E. McDonnell, A. Pines, Time-of-flight flow imaging of two-component flow inside a microfluidic chip, PRL, 98, 017601 (2007)

Yleistä kirjallisuutta:

• J. Keeler, Understanding NMR spectroscopy second edition, John Wiley & sons, LTD, Chichester (2010)

• M.H. Levitt, Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance, John Wiley & sons, LTD, Chichester (2005)

• B. J. Kirby, Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices, Cambridge University Press (2010)

• J. P. Hornak, Basics of the NMR, http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/ (Haettu 20.10.2014)

• J. P. Hornak, Basics of the MRI, http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/ (Haettu 20.10.2014)