کمترین آهنگ شارش در بازه پیکولیتر در دقیقه یا میلیمتر در قرن، در آزمایشی با لوله های نانو اندازه گیری شد. پژوهشگران که نتایج خود را در فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسانده اند، جریان سیال را در کانالی بسیار نازک تحلیل کرده اند. آن ها برای برچسب زدن بخشی از سیال، روشی آماری را به کار بردند که در آن افزایش یا کاهش لحظه ای تعداد یک مولکول را ثبت می کردند و سپس زمان گذار آن بخش را از یک آشکاگر به آشکارگر دیگر ثبت می کردند. در نهایت می توان با اندازه گیری آهنگ شارش، ویژگی های فیزیکی آنزیم ها و دیگر مولکول های پیچیده را به دست آورد.

بسیاری از محققان در حال توسعه فناوری های «آزمایشگاه تراشه ای[1]» هستند که می توان با استفاده از آن ها به تحلیل های جزیی و سریع بیوشیمی از نمونه های کوچک مایع(مثل خون) پرداخت. این سامانه ها برای کالیبراسیون و اندازه گیری ویژگی هایی همچون آهنگ نفوذ یا واکنشگری یک زیست مولکول، نیاز به اندازه گیری دقیق آهنگ شارش های کوچک دارد. اما روش های معمول برای مشاهده حرکت سیال در مقیاس های کوچک، دنبال کردن مولکول های فلورسانس با میکروسکوپ است اما این کار در آزمایشگاه تراشه ای ناممکن است.

جریان های عبوری. همین طور که سیال در نانوکانال حرکت می کند، مولکول های فعال الکتروشیمیایی(قرمز) با انتقال الکترون ها از الکترود پایین به الکترون بالا، جریان الکتریکی تولید می کنند. وقتی تعداد مولکول ها به طور تصادفی افزایش می یابد، جریان افزایش یافته اندکی بعد به الکترود دیگر می رسد و این تاخیر، آهنگ شارش را می دهد.

سرج لمای[2] و همکارانش در دانشگاه تونته هلند، می خواستند آهنگ شارش را بدون ابزارهای اپتیکی اندازه گیری کنند. این گروه کانال طولانی را از قرص سیلیکان بریدند. دو حسگر در امتداد طول نانوکانال استفاده شد که هر کدام از آن ها در رویه های بالا و پایین، الکترودهای فلزی داشتند. حسگرها می تواند مولکول های فعال الکتروشیمیایی را آشکار کنند. پژوهشگران این مولکول های فعال را در سیال درون کانال حل کردند. وقتی آن ها در الکترودها ولتاژ اعمال کردند، این مولکول ها به طور پیوسته الکترون ها را از الکترود منفی به الکترون مثبت می فرستند. یک مولکول این مسیر را هزاران بار در ثانیه طی می کند و چند فمتوآمپر جریان تولید می کند. گروه تونته از این روش در یکی از کارهای قبلیشان استفاده کردند تا مولکول های فعال الکتروشیمیایی را در یک نانوکانال آشکارسازی کنند.

آن ها در آخرین آزمایش خود، محلولی مبتنی بر آب را در نانوکانال ها جاری کردند. به خاطر افت و خیزهای تصادفی در تعداد مولکول های جریانبَر بین الکترودها، جریان های اندازه گیری شده توسط دو حسگر با زمان تغییر می کند. این افت و خیزها که به خاطر حرکت براونی مولکول ها به وجود می آیند، بسیار کوچک هستند و در یک حجم بزرگ قابل آشکارگری نیستند. اما این افت و خیزها منجر به تغییرات چشمگیر در جریان در حجم 10 فمتولیتری سیال می شود.

همین افت و خیزها نشانگرهایی برای دنبال کردن شار سیال هستند. این کار دقیقا مشابه تعیین سرعت باد با حرکت ابرها در آسمان است. با کمک تحلیل آماری، پژوهشگران در حسگر اول افت و خیزهایی آشکار کردند –به همراه افزایش کم در جریان- و سپس زمان رسیدن به حسگر دوم و متعاقبا آهنگ شار را اندازه گیری کردند. افت و خیزها حدود یک ثانیه دوام می آورند. کلاوس ماتویگ[3]، عضو گروه تونته می گوید:«سیال باید به اندازه ای سریع هل داده شود که باز هم افت و خیزهای خاصی در هر دو الکترود دیده شود.» حد آشکاگری در حدود 10 پیکولیتر در دقیقه بود. چندین سال طول می کشید تا یک قطره 30 میکرولیتری آب با این آهنگ از نانوکانال رد شود.

لیدریک باکت[4] از دانشگاه لیون فرانسه می گوید:«این کار بخشی از حوزه های در حال رشد نانوسیال هاست.» او رهیافت نویسندگان و تحلیل آماری آن ها را «بسیار هوشمندانه» می داند. او فکر می کند این سنجه کاملا الکتریکی مزیت هایی به روش های اپتیکی رایج دارد و ادگار گولوچ[5] از دانشگاه نورث ایسترن در بوستون نیز با او موافق است:«در این آزمایش ، اصلا نیازی نیست که مولکول ها فلورسنت باشند یا آن ها را برچسب زد. این کار توانایی اندازه گیری را تا حد زیادی افزایش می دهد.» به علاوه، دینامیک سیال بدون میکروسکوپ های پیچیده قابل مشاهده است. گولوچ اشاره می کند:«اگر آیفون ها بخواهند آزمون های پیچیده تشخیصی اجرا کنند، نیاز به اندازه گیری الکترونیکی آهنگ سیال دارند».

منبع:

Measuring the Smallest Trickle, APS News: Focus, 10 September 2012, link

مرجع:

Electrical Cross-Correlation Spectroscopy: Measuring Picoliter-per-Minute Flows in Nanochannels, Klaus Mathwig, Dileep Mampallil, Shuo Kang, and Serge G. Lemay, Phys. Rev. Lett. 109, 118302 (2012), link