Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um sistema óptico que mede com precisão o fluxo de quantidades extraordinariamente minúsculas de líquidos - tão pequenas quanto 10 bilionésimos de um litro (nanolitros) por minuto.

Nesse ritmo, levaria uma garrafa de litro de água cerca de 190 anos para escoar. (Uma única gota de água contém 50, 000 nanolitros.) As novas medições são uma grande melhoria em relação à tecnologia que a equipe do NIST relatou em 2018.

Medir e controlar com precisão as taxas de fluxo minúsculas tornou-se extremamente importante no campo florescente da microfluídica, que inclui a entrega de pequenas quantidades de medicamentos, a preparação de pequenas quantidades de líquidos, a formação de microgotículas e estudos de biotecnologia que monitoram o fluxo de nutrientes para as células. No tratamento de câncer e outras doenças, bombas de entrega de drogas dispensam tão pouco quanto dezenas de nanolitros (nL) por minuto na corrente sanguínea. Esse fluxo deve ser extremamente preciso para que a dosagem total que o paciente receba seja exatamente a prescrita pelo médico.

Baixas taxas de fluxo também desempenham um papel na separação de uma mistura em seus constituintes químicos com base na lentidão com que viajam através de um gel ou outro meio.

O novo método se baseia em um único laser que ilumina moléculas sensíveis à luz em um líquido que flui através de um microcanal - um cano ou tubo de silicone com o diâmetro de um fio de cabelo humano. A interação da luz laser com as moléculas depende da taxa de fluxo do líquido.

Se o fluido estiver fluindo de forma relativamente rápida através do microcanal, o laser simplesmente faz com que as moléculas sensíveis à luz brilhem ou fiquem fluorescentes. Mas para líquidos que fluem mais lentamente e, portanto, são expostos à luz do laser por mais tempo, a história é mais complexa:depois que uma certa quantidade de luz atinge as moléculas, eles queimam e não fluorescem mais. Assim, quanto mais lento o fluxo, quanto maior o número de moléculas sensíveis à luz que se extinguem e mais fraca será a fluorescência.

A equipe calibrou suas medições comparando-as com medições de taxas de fluxo muito mais altas registradas por medidores de fluxo estabelecidos, que não requerem um laser.

Greg Cooksey, Paul Patrone e seus colegas do NIST, junto com um bolsista de pesquisa de graduação de verão do NIST do Montgomery College em Germantown, Maryland, relatou as descobertas em uma edição recente da Química Analítica . O estudo segue em um Aplicação de revisão física d artigo descrevendo a prova teórica, do método.

Uma vantagem chave do novo método é que as medições de fluxo são independentes do tamanho e da forma do canal através do qual o fluido está passando. O novo método é um desdobramento de um sistema anterior desenvolvido pela equipe do NIST, que exigia conhecimento da geometria do canal e da intensidade do laser, adicionando incertezas consideráveis ​​nas medições.

O novo método é sensível o suficiente para determinar a taxa de fluxo mais lenta que pode realmente ser medida para uma determinada configuração experimental. Abaixo desta taxa, o movimento aleatório das partículas em todas as direções - difusão - confunde as medidas do fluxo ordenado das partículas.

A menor taxa de fluxo que pode ser distinguida da difusão foi de 0,2 nL, ou 200 trilionésimos de litro por minuto. Determinação precisa deste limite, conhecido como fluxo zero, permite que os pesquisadores controlem as taxas de fluxo com mais precisão do que podem ser medidas. A equipe do NIST está agora experimentando o uso de moléculas maiores, que se difundem mais lentamente, e canais mais estreitos, para aumentar a capacidade de discriminar o fluxo comum da difusão aleatória.

A equipe também relatou que poderia controlar uma taxa de fluxo tão pequena quanto 2 nL por minuto, com uma incerteza de apenas 5%.

O método de medição fornece várias oportunidades potenciais para tecnologias de spinoff e pode permitir que os fabricantes de dispositivos microfluídicos desenvolvam uma nova geração de sensores de fluxo, Cooksey disse. A equipe apresentou um pedido de patente sobre a técnica. Geral, Uma melhor medição de fluxo leva a melhorias na precisão dos instrumentos de detecção química e na segurança dos dispositivos de distribuição de drogas.

O novo método de medição de baixas taxas de fluxo está diretamente relacionado a um dos principais programas do NIST, NIST em um chip. O programa visa desenvolver um conjunto de dados tecnologias de medição baseadas em quantum destinadas a serem implantadas em quase qualquer lugar e a qualquer hora, sem que o fabricante tenha que interromper a produção enquanto um sensor ou outro dispositivo é enviado ao NIST para calibração. O novo sistema de medição de microfluxo pode ajudar a dispensar quantidades precisas de microfluidos usados ​​em uma série de tecnologias NIST em um Chip.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.