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

Samankaltaiset tiedostot
766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

S Magneettikuvauksen sovellukset Viikkoharjoitukset

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

Ch4 NMR Spectrometer

Tärkkelyksen keiton seuraaminen NMR-menetelmällä

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

761359A Spektroskooppiset menetelmät NMR-SPEKTROSKOPIA

Fysikaalisen kemian syventävät työt CCl 4 -molekyylin Ramanspektroskopia

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Infrapunaspektroskopia

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

Luku 15: Magneettinen resonanssi

Maaperänäytteiden NMR-analyysi. LuK-tutkielma Jere Vuorinen Fysiikan koulutusohjelma Oulun Yliopisto

Ch9 Sisäiset Spinvuorovaikutukset. Molekyylin sisäisten spinvuorovaikutusten tarkempaa pohdiskelua

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

Ligniini NMR. Otto Mankinen Molecular materials, NMR research group

a) Jos törmäysten määrä sekunnissa on f = s 1 ja jokainen törmäys deaktivoi virityksen, niin viritystilan keskimääräinen elinikä on

Puun lahoamisprosessin seuraaminen NMR- ja MRI-menetelmillä

Ch12 Kokeita spin-1/2 systeemillä. Yksinkertaisia mittauksia usean vuorovaikuttamattoman spin-1/2 ytimen systeemillä

Ksenon-biosensori Luk-tutkielma Sampo Ylisiurua Oulun yliopisto 20 16

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

1.1 Magneettinen vuorovaikutus


MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

MIKSI ERI AINEET NÄYTTÄVÄT TIETYN VÄRISILTÄ? ELINTARVIKEVÄRIEN NÄKYVÄN AALLONPITUUDEN SPEKTRI

Luento5 8. Atomifysiikka

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Luento Atomin rakenne

Aineen magneettinen luonne mpötilan vaikutus magnetoitumaan

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

JUHANA SORVARI Kahteen gradienttipariin perustuvan diffuusiopainotetun magneettikuvaussekvenssin

Betonin pitkät käyttöiät todellisissa olosuhteissa

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

DIAGNOSOINTI MAGNEETTITUTKIMUKSELLA KORKEAN B ARVON DIFFUUSIOKUVAUKSELLA

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Luento 11. Elektronin spin

Kemialliseen siirtymään vaikuttavat parametrit ja siirtymän ennustaminen NMR-spektroskopiassa

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Tähtien magneettinen aktiivisuus; 6. luento SMF mallit: ennustaminen 1

Metra ERW 700. Energialaskuri

Harjoitustehtävien vastaukset

Tieteen ja tutkimusalan opintoihin hyväksyttävät opintojaksot ovat (taulukossa A= aineopinnot, S=syventävät opinnot, J = jatko-opinnot):

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

RAK Statiikka 4 op

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

Kemian syventävät kurssit

PIXE:n hyödyntäminen materiaalitutkimuksessa

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Kvanttifysiikan perusteet 2017

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

MAA (4 OP) JOHDANTO VALOKUVAUKSEEN,FOTOGRAM- METRIAAN JA KAUKOKARTOITUKSEEN Kevät 2006

Tips for teachers and expected results

Moderni biolääketieteellinen optiikka X - Optinen mittaaminen sekä valmistusmenetelmät X X X

Tähtien magneettinen aktiivisuus, 5. luento Differentiaalirotaatio ja Auringon dynamomallit

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

S Fysiikka III (Est) 2 VK

1 Johdanto. 2 Lähtökohdat

Moderni biolääketieteellinen optiikka X - Optinen mittaaminen sekä valmistusmenetelmät X X X

Menetelmäohjeet. Muuttuvan magneettikentän tutkiminen

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Strykniinin ja brusiinin stereokemian kvantitatiivinen selvittäminen NMR -menetelmillä ja heteronukleaarisen Altona-Haasnoot yhtälön laatiminen

Pientaajuisten kenttien lähteitä teollisuudessa

Literature Review for the Indicative Ballast Water Analysis Methods

Infrapunaspektroskopia

FYSN300 Nuclear Physics I. Välikoe

CFD Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Jouni Ritvanen.

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Mustan kappaleen säteily

782630S Pintakemia I, 3 op

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Kuljetusilmiöt. Diffuusio Lämmönjohtuminen Viskoosin nesteen virtaus Produktio ja absorptio

Paravedyn indusoima hyperpolarisaatio ja kemiallisten reaktioiden kuvaus NMR:llä

Transkriptio:

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. 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

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. [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 hyvin pienillä nopeuksilla laminaarisia Laminaarisessa virtauksessa syntyy eri nopeuksilla kulkevia 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 tulokset saadaan 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 1 H NMR spectroscopy of the adsorbtion and decomposition of glycine, leucine, and derivatives in TiO 2 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)