激光诱发荧光漂白速度计的参数研究及新型荧光漂白测速技术系统开发

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微纳尺度的流体现象广泛存在于生命科学、能源化工、微纳流控等自然科学和工程领域。例如毛细血管中的血液输运、细胞的跨膜运输、微反应器的流动混合过程等均属于典型的微纳尺度流体流动现象。测量微纳流体的流速变化规律是了解流动现象、揭示流动机理的必备手段,也是流体力学、微纳流控等学科发展与研究的核心内容。为揭示微纳尺度的复杂流动现象,王归仁课题组于2005年开发了具有高时空分辨率的激光诱发荧光漂白测速计(Laser Induced Fluorescence Photobleaching Anemometer,LIFPA)技术。然而,作为一种基于荧光漂白的测速技术,其依然存在一些尚未解决的机理性和技术性问题,例如:决定LIFPA系统时间分辨率的光漂白时间常数τ与荧光溶液在输运过程中的光漂白反应之间的关系并不明确,影响LIFPA系统空间分辨率的内在因素尚不清晰,现阶段的LIFPA技术无法较好的识别流速方向。本文基于LIFPA系统,根据荧光染料经过激光焦点区域的输运和反应过程对荧光漂白测速技术及其作用机制展开研究。首先,基于对流-扩散-反应方程提出了 LIFPA的荧光漂白测速理论模型。通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,结合LIFPA的实验结果,发现光化学反应系数K与光漂白时间常数τ之间存在K~τ-2.28的非线性关系。同时,使用佩克莱数(Péclet Number,Pe)和表征荧光分子光漂白速率的无量纲参数Zpd研究光漂白对荧光染料有效浓度和荧光强度分布的影响。发现当Pe增大,Zpd保持不变时,光漂白导致的染料有效浓度分布的彗星状展宽随之减小,相应的荧光强度峰值位置沿流动方向向激光焦点区域的中心移动。保持Pe恒定,增大Zpd时,激光焦点区域的染料有效浓度及荧光强度降低,荧光强度的峰值位置沿x轴向上游移动,直至接近激光焦点区域的边缘。随后,根据激发光斑的荧光强度分布提出LIFPA的有效空间分辨率deff,定义deff为从荧光探测区域上游If,local,1位置到0.05 If,local,1处的距离。发现当光化学反应系数K=8×106 l/s时,LIFPA测速的有效空间分辨率可达到deff=66 nm。基于该研究结果,提出了两种可以在普通共聚焦显微镜搭建的LIFPA系统中进一步提高空间分辨率并突破光学衍射极限的途径:(1)增大光化学反应系数K,使用这种方法可以同时增加系统的时间分辨率。(2)减小荧光检测区域的宽度dcl,数值模拟结果显示,当探测区域宽度dcl减小至0.5 df时,系统的deff可进一步降至54 nm。最后,依据荧光漂白测速模型,提出一种基于成像的微流体速度诊断技术—荧光漂白测速仪(Fluorescence Photobleaching Velocimetry,FPV)技术,解决了 LIFPA 技术无法识别流速方向的问题,同时可实现对流场中多个探测点的速度大小和方向的同步测量,并初步完成了 FPV的实验装置和测速软件设计。本文通过对荧光漂白测速机制的研究,一方面为LIFPA技术的空间、时间分辨率等系统性能的提升提供了可行的方案。另一方面,本文提出的FPV技术在保留LIFPA技术优异的测速性能的基础上,弥补了 LIFPA技术在流速方向识别以及大范围流场测速中的不足。在一定程度上促进了荧光漂白测速技术的发展,帮助我们更进一步的探索微观流体世界。
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