Mikrofluidisten suspensiovirtausten kuvaus NMR:n etähavaitsemismenetelmällä. Otto Mankinen, NMR research group, University of Oulu

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Mikrofluidisten suspensiovirtausten kuvaus NMR:n etähavaitsemismenetelmällä. Otto Mankinen, NMR research group, University of Oulu"

Irma Marja Penttilä
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Mikrofluidisten suspensiovirtausten kuvaus NMR:n etähavaitsemismenetelmällä Otto Mankinen, NMR research group, University of Oulu

2 Sisällys Yleistä teoriaa NMR:stä [1] Mikrofluidistiikka ja suspensiovirtaukset Etähavaitsemismenetelmä Suspensiovirtausten tutkiminen NMR:llä

3 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

4 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.

5 Magneettisen dipolimomentin ollessa kvantittunut, niin silloin myös niitä vastaavat energiatilat ovat kvantittuneita. E m = γħb 0 m I Siirtymä eri energiatilojen välillä tapahtuu kvantin absorption tai emission kautta. Siirtymän energia voidaan laskea yhtälöllä ΔE = ±γħb 0. Siirtymissä tulee huomioida magneettisen kvanttiluvun m valintasääntö. Siirtymässä emittoituva tai absorpoituvan kvantin taajuus saadaan yhtälöstä ν= ΔE h = γ 2π B 0

6 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 (M 0 ), 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.

7 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

8 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 hyvin pienillä nopeuksilla laminaarisia Laminaarisessa virtauksessa syntyy eri nopeuksilla kulkevia virtauslinjoja siten, että nopeusjakauma on kuvan mukainen. Virtauksen nopeus kanavan seinämillä on nolla.

9 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.

10 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 tulokset saadaan evoluutioajan funktiona. Tällöin saadaan vastaava informaatio kuin suoraan havaittaessa.

11 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]

12 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.

13 Viitteet ja kirjallisuutta [1] J. Keeler, Understanding NMR spectroscopy second edition, John Wiley & sons, LTD, Chichester (2010) [2] Kuva lainattu: (Haettu ) [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, (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, (2013) [6] A. Y. Nosaka, G. Tanaka, Y. Nosaka, Study by Use of 1 H NMR spectroscopy of the adsorbtion and decomposition of glycine, leucine, and derivatives in TiO 2 photocatalysis, J.Phys.Chem.B, 118, (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, (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, (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, (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, (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, (Haettu ) J. P. Hornak, Basics of the MRI, (Haettu )

Samankaltaiset tiedostot

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

1 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 2 Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 2011 3-3 Ydinmagneettinen resonanssi NMR-spektroskopiassa (NMR = Nuclear