Prędkość znakowania molekularnego

Schematyczna konfiguracja eksperymentu z szybkością znakowania molekularnego

Prędkość znakowania molekularnego ( MTV ) to specyficzna forma prędkościomierza przepływu , technika określania prędkości prądów w płynach, takich jak powietrze i woda. W najprostszej postaci pojedyncza lasera „zapisująca” jest raz wystrzeliwana przez przestrzeń próbki. Na swojej drodze zachodzi optycznie indukowany proces chemiczny zostaje zainicjowany, co skutkuje powstaniem nowego związku chemicznego lub zmianą wewnętrznego stanu energetycznego istniejącego, tak że molekuły trafione wiązką laserową można odróżnić od reszty płynu. O takich cząsteczkach mówi się, że są „znakowane”.

Ta linia znakowanych cząsteczek jest teraz transportowana przez przepływ płynu. Aby uzyskać informacje o prędkości, uzyskuje się i analizuje obrazy w dwóch momentach w czasie (często poprzez korelację intensywności obrazu) w celu określenia przemieszczenia. Jeśli przepływ jest trójwymiarowy lub turbulentny , linia nie tylko zostanie przesunięta, ale także zdeformowana.

Opis

Istnieją trzy optyczne sposoby wizualizacji tych znakowanych cząsteczek: fluorescencja , fosforescencja i fluorescencja indukowana laserem (LIF). We wszystkich trzech przypadkach cząsteczki relaksują się do niższego stanu, a ich nadmiar energii jest uwalniany w postaci fotonów . We fluorescencji ten spadek energii zachodzi szybko (w ciągu s do s pod ciśnieniem atmosferycznym ), przez co „bezpośrednia” fluorescencja jest niepraktyczna do znakowania. W przypadku fosforescencji rozpad jest wolniejszy, ponieważ przejście jest kwantowo-mechanicznie zabronione .

W niektórych schematach „pisania” znakowana cząsteczka przechodzi w stan wzbudzony . Jeśli cząsteczka relaksuje się poprzez fosforescencję, trwającą wystarczająco długo, aby zobaczyć przesunięcie linii, można to wykorzystać do śledzenia zapisanej linii i nie jest potrzebny żaden dodatkowy etap wizualizacji. Jeśli podczas znakowania cząsteczka nie osiągnęła stanu fosforyzującego lub zrelaksowanego przed „odczytaniem” cząsteczki, potrzebny jest drugi krok. Oznakowana cząsteczka jest następnie wzbudzana za pomocą drugiej wiązki laserowej, wykorzystującej długość fali tak, że specyficznie pobudza znakowaną cząsteczkę. Cząsteczka będzie fluoryzować i ta fluorescencja jest rejestrowana za pomocą kamery. Ten sposób wizualizacji nazywany jest fluorescencją indukowaną laserem (LIF).

Techniki optyczne są często stosowane w nowoczesnych pomiarach prędkości płynów, ale większość z nich ma charakter optyczno-mechaniczny. Techniki optyczno-mechaniczne nie opierają się wyłącznie na fotonice do pomiarów przepływu, ale wymagają rozsiewu w skali makro. Najbardziej znanymi i często używanymi przykładami są prędkościomierze z obrazem cząstek (PIV) i laserowe prędkościomierze Dopplera (LDV). W zakresie technik całkowicie optycznych można wyróżnić techniki analogiczne, ale wykorzystujące znaczniki molekularne. W Dopplera światło quasi-elastycznie rozprasza cząsteczki, a prędkość cząsteczek przenosi przesunięcie Dopplera do częstotliwości światła rozproszonego . W technikach znakowania molekularnego, podobnie jak w PIV, velocimetria opiera się na wizualizacji przemieszczeń znacznika.

Schematy

Udowodniono, że techniki MTV umożliwiają pomiary prędkości w nieprzyjaznych środowiskach, takich jak silniki odrzutowe , płomienie, zbiorniki wysokociśnieniowe, w których trudno jest zastosować techniki takie jak Pitot , prędkość z gorącym drutem i PIV. Dziedzina MTV jest dość młoda; pierwsza demonstracja wdrożenia pojawiła się w latach 80. XX wieku, a liczba opracowanych i zbadanych schematów do użytku w powietrzu jest nadal dość niewielka. Schematy te różnią się cząsteczką, która jest tworzona, czy konieczne jest zaszczepienie przepływu obcymi cząsteczkami i jaka długość fali światła jest używana.

W gazach

Najdokładniejsze badania mechaniki płynów w gazie zostały przeprowadzone przy użyciu schematu RELIEF i schematu APART. Obie techniki mogą być stosowane w otaczającym powietrzu bez potrzeby dodatkowego wysiewania. W RELIEF wzbudzony tlen jest używany jako znacznik. Metoda wykorzystuje właściwości mechaniki kwantowej, które uniemożliwiają relaksację cząsteczki, dzięki czemu wzbudzony tlen ma stosunkowo długi czas życia.

APART opiera się na „fotosyntezie” tlenku azotu . Ponieważ NO jest stabilną cząsteczką, wzory zapisane za jego pomocą można w zasadzie śledzić prawie w nieskończoność.

Inną dobrze opracowaną i szeroko udokumentowaną techniką, która zapewnia niezwykle wysoką dokładność, jest prędkość znakowania hydroksylowego (HTV). Opiera się na fotodysocjacji pary wodnej, a następnie wizualizacji powstałego rodnika OH za pomocą LIF. HTV z powodzeniem zademonstrowano w wielu warunkach testowych, od przepływu powietrza w temperaturze pokojowej do przepływów Mach 2 we wnęce.

W płynach

W cieczach sklasyfikowano trzy podejścia MTV: MTV przez bezpośrednią fosforescencję (przy użyciu barwnika fosforescencyjnego), absorbancję (przy użyciu barwnika fotochromowego ) i fluorescencję fotoproduktu (zwykle przy użyciu barwnika w klatce ).

MTV oparta na bezpośredniej fosforescencji jest techniką najłatwiejszą do wdrożenia, ponieważ do wytworzenia wzbudzonego luminescencyjnie stanu molekularnego potrzebny jest pojedynczy laser. Sygnał fosforescencji jest generalnie słabszy i trudniejszy do wykrycia niż fluorescencja .

Druga technika, zwana MTV przez absorbancję, polega na odwracalnej zmianie właściwości fluorescencyjnych barwnika fotochromowego . Schemat wykazał dobre wyniki w alkoholu i olejach, ale nie w wodzie, w której typowe barwniki nie są rozpuszczalne.

Trzeci wariant MTV został po raz pierwszy zastosowany w płynach w 1995 roku pod nazwą „fotoaktywowane nieinwazyjne śledzenie ruchu molekularnego” (PHANTOMM). Technika PHANTOMM początkowo opierała się na barwniku klatkowym na bazie fluoresceiny wzbudzanym niebieskim laserem. Niedawno barwnik klatkowy na bazie rodaminy został z powodzeniem zastosowany w impulsowych laserach UV i zielonych.

Zobacz też

Dalsza lektura

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molecular_tagging_velocimetry&oldid=1139060994 ”