Молекулярная маркировка скорости

Схематическая установка эксперимента по молекулярной маркировке велосиметрии

Велосиметрия с молекулярной меткой ( MTV ) — это особая форма скорости потока , метод определения скорости потоков в таких жидкостях, как воздух и вода. В своей простейшей форме одиночный лазерный луч «записи» пропускается один раз через пространство образца. На его пути инициируется оптически индуцированный химический процесс , приводящий к созданию нового химического соединения или к изменению внутреннего энергетического состояния существующего, так что молекулы, на которые попадает лазерный луч, можно отличить от остальной жидкости. . Такие молекулы называются «мечеными».

Эта линия меченых молекул теперь переносится потоком жидкости. Чтобы получить информацию о скорости, изображения получаются и анализируются в два момента времени (часто путем корреляции интенсивностей изображений) для определения смещения. Если поток трехмерный или турбулентный, линия не только сместится, но и деформируется.

Описание

Существует три оптических способа визуализации меченых молекул: флуоресценция , фосфоресценция и лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF). Во всех трех случаях молекулы релаксируют в более низкое состояние, и их избыточная энергия высвобождается в виде фотонов . При флуоресценции этот распад энергии происходит быстро (в пределах $10^{-7}$ s для $10^{-9}$ s при атмосферном давлении ), что делает «прямую» флуоресценцию непрактичной для мечения. При фосфоресценции затухание происходит медленнее, поскольку переход квантовомеханически запрещен .

В некоторых схемах «записи» меченая молекула оказывается в возбужденном состоянии . Если молекула расслабляется в результате фосфоресценции, продолжающейся достаточно долго, чтобы увидеть смещение линии, это можно использовать для отслеживания написанной линии, и дополнительный этап визуализации не требуется. Если во время мечения молекула не достигла фосфоресцирующего состояния или не расслабилась до того, как молекула была «прочитана», необходим второй шаг. Затем меченую молекулу возбуждают с помощью второго лазерного луча, используя такую ​​длину волны , которая специфически возбуждает меченую молекулу. Молекула будет флуоресцировать, и эта флуоресценция фиксируется камерой. Этот способ визуализации называется лазерно-индуцированной флуоресценцией (ЛИФ).

Оптические методы часто используются в современной жидкостной скорости, но большинство из них имеют оптико-механическую природу. Оптомеханические методы не полагаются только на фотонику для измерения расхода, но требуют затравки макроразмеров. Наиболее известными и часто используемыми примерами являются измерение скорости по изображению частиц (PIV) и лазерная допплеровская скорость (LDV). В области полностью оптических методов можно выделить аналогичные методы, но с использованием молекулярных индикаторов. В доплеровских схемах свет квазиупруго рассеивается на молекулах, а скорость молекул вызывает доплеровский сдвиг частоты рассеянного света . В методах молекулярной маркировки, как и в PIV, велосиметрия основана на визуализации смещений трассеров.

Схемы

Доказано, что методы MTV позволяют измерять скорости в негостеприимных средах, таких как реактивные двигатели , пламя, сосуды под высоким давлением, где трудно таким методам, как Пито , термометрия скорости работать и PIV. Сфера MTV довольно молода; первая демонстрация реализации произошла в 1980-х годах, и количество разработанных и исследованных схем для использования в воздухе все еще довольно невелико. Эти схемы различаются создаваемой молекулой, необходимостью засева потока инородными молекулами и длиной волны света, которая используется.

В газах

Наиболее глубокие исследования гидромеханики в газе выполнены по схемам РЕЛЬЕФ и АПАРТ. Оба метода можно использовать в атмосферном воздухе без необходимости дополнительного посева. В RELIEF в качестве индикатора используется возбужденный кислород. В этом методе используются квантово-механические свойства, которые препятствуют релаксации молекулы, поэтому возбужденный кислород имеет относительно длительное время жизни.

APART основан на «фотосинтезе» оксида азота . Поскольку NO является стабильной молекулой, записанным с ее помощью закономерностям в принципе можно следовать практически бесконечно.

Еще одним хорошо разработанным и широко документированным методом, обеспечивающим чрезвычайно высокую точность, является велосиметрия с мечением гидроксила (HTV). Он основан на фотодиссоциации паров воды с последующей визуализацией образующегося радикала ОН с помощью ЛИФ. HTV был успешно продемонстрирован во многих условиях испытаний, начиная от потоков воздуха при комнатной температуре и заканчивая потоками со скоростью 2 Маха внутри полости.

В жидкостях

В жидкостях были классифицированы три подхода MTV: MTV путем прямой фосфоресценции (с использованием фосфоресцентного красителя), поглощения (с использованием фотохромного красителя) и флуоресценции фотопродукта (обычно с использованием клеточного красителя ).

MTV, основанный на прямой фосфоресценции, является самым простым в реализации методом, поскольку для создания люминесцентного возбужденного молекулярного состояния необходим один лазер. Сигнал фосфоресценции обычно слабее, и его труднее обнаружить, чем сигнал флуоресценции .

Второй метод, называемый MTV по поглощению, основан на обратимом изменении свойств флуоресценции фотохромного красителя . Схема показала хорошие результаты в алкоголе. и масла, но не в воде, в которой типичные красители не растворяются.

Третий вариант MTV был впервые использован в жидкостях в 1995 году. под названием «фотоактивируемое неинтрузивное отслеживание молекулярного движения» (ФАНТОММ). на основе флуоресцеина, Техника PHANTOMM изначально основывалась на клеточном красителе возбуждаемом синим лазером. Совсем недавно клеточный краситель на основе родамина успешно использовался с импульсными УФ-лазерами и зелеными лазерами.

См. также

• Анемометрия с горячей проволокой
• Лазерно-индуцированная флуоресценция
• Измерение скорости изображения частиц

Дальнейшее чтение

• Эленбаас, Тайс (2005). Написание линий в турбулентном воздухе с использованием фотолиза и отслеживания рекомбинации воздуха (PDF) . Эйндховен: Эйндховенский технологический университет. ISBN  978-90-386-2401-3 .
• К. П. Гендрич; М.М. Кочесфахани; Д.Г. Ночера (1997). «Молекулярная маркировка скорости и другие новые применения новой фосфоресцирующей супрамолекулы». Эксперименты с жидкостями . 23 (5): 361–372. Бибкод : 1997ExFl...23..361G . дои : 10.1007/s003480050123 . S2CID   121306156 .
• Б. Хиллер; Р.А. Буман; К. Хасса; Р.К. Хэнсон (1984). «Визуализация скорости в газовых потоках с использованием лазерно-индуцированной фосфоресценции биацетила» . Обзор научных инструментов . 55 (12): 1964–1967. Бибкод : 1984RScI...55.1964H . дои : 10.1063/1.1137687 . Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 г.
• РБ Майлз; Дж. Гринстед; Р. Х. Коль; Г. Дискин (2000). «Техника маркировки потока RELIEF и ее применение в испытательных установках двигателей и для исследований смеси гелия и воздуха» (PDF) . Измерительная наука и технология . 11 (9): 1272–1281. Бибкод : 2000MeScT..11.1272M . дои : 10.1088/0957-0233/11/9/304 . S2CID   250788781 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2003 г.
• А. Т. Попович; Р. Л. Хаммель (1967). «Новый метод невозмущающего измерения турбулентного потока очень близко к стене». Химико-техническая наука . 22 : 21–25. дои : 10.1016/0009-2509(67)80100-3 .
• Л.А. Рибаров; Дж. А. Вермайер; Р.В. Питц; Р.А. Йеттер (2002). «Велосиметрия с меткой гидроксила (HTV) в экспериментальных потоках воздуха» (PDF) . Прикладная физика Б. 74 (2): 175–183. Бибкод : 2002ApPhB..74..175R . дои : 10.1007/s003400100777 . S2CID   122057285 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 ноября 2003 г.