Кіріспе

Молекулалық тегтеу жылдамдық өлшеуіші (МТВ) – ағынды жылдамдық өлшеуішінің нақты бір түрі, ауа және су сияқты сұйықтықтардағы ағымдардың жылдамдығын анықтауға арналған техника. Ең қарапайым нұсқасында, бір "жазу" лазерлік сәулесі сынамалық кеңістік арқылы бір рет жіберіледі. Оның траекториясы бойынша оптикалық түрде туындаған химиялық процесс басталады, нәтижесінде жаңа химиялық түрлер пайда болады немесе лазерлік сәулеге түскен молекулаларды қалған сұйықтықтан ажырату үшін, қолданыстағы молекуланың ішкі энергия күйі өзгереді. Мұндай молекулалар "белгіленген" деп аталады. Белгіленген молекулалардың бұл тізбегі енді сұйықтық ағынымен тасымалданады. Жылдамдық туралы мәліметтерді алу үшін екі уақыт сәтіндегі кескіндер алынып, талданады (әдетте кескіндердің қарқындылығын салыстыру арқылы) орын ауыстыруын анықтау үшін. Егер ағын үш өлшемді немесе турбулентті болса, тізбек тек орын ауыстыру ғана емес, деформацияланады.

Сипаттама

Бұл таңбаланған молекулаларды визуализациялаудың үш оптикалық жолы бар: флуоресценция, фосфоресценция және лазерлік индукцияланған флуоресценция (LIF). Барлық үш жағдайда молекулалар төменгі күйге өтеді және олардың артық энергиясы фотондар түрінде шығарылады. Флуоресценция кезінде энергияның ыдырауы жылдам (атмосфералық қысымда секундтың бір бөлігінен секундқа дейін) жүреді, сондықтан "тікелей" флуоресценция таңбалау үшін тиімсіз. Фосфоресценцияда ыдырау баяу, себебі бұл ауысу кванттық механикалық тұрғыдан рұқсат етілмейді. Кейбір "жазу" схемаларында таңбаланған молекула қозу күйіне енеді. Егер молекула фосфоресценция арқылы ыдырап, сызықтың орын ауысуын байқауға мүмкіндік берсе, онда осы жазылған сызықты қадағалауға болады және қосымша визуализация қадамы қажет емес. Егер таңбалау кезінде молекула фосфоресценттік күйге жетпесе немесе молекула "оқылғанға" дейін ыдыраса, екінші қадам қажет. Таңбаланған молекула екінші лазер сәулесімен қозылады, оның толқын ұзындығы таңбаланған молекуланы ғана қозуға арналған. Молекула флуоресценция жасайды және бұл флуоресценция камерамен тіркеледі. Визуализацияның осы әдісі лазерлік индукцияланған флуоресценция (LIF) деп аталады. Оптикалық әдістер қазіргі заманғы сұйықтар жылдамдығын өлшеуде жиі қолданылады, бірақ олардың көпшілігі оптомеханикалық сипатқа ие. Оптомеханикалық әдістер ағынды өлшеу үшін тек фотоникаға ғана емес, макро өлшемді тұқымдарға да мұқтаж. Ең танымал және жиі қолданылатын мысалдар – бөлшектік бейнелеу жылдамдық өлшегіші (PIV) және лазерлік Доплер жылдамдық өлшегіші (LDV). Барлық оптикалық техникалар саласында молекулалық маркерлерді пайдаланатын ұқсас техникаларды ажыратуға болады. Допплер схемаларында жарық молекулалардан квазиэластикалық түрде шашырайды және молекулалардың жылдамдығы шашыраған жарықтың жиілігіне Доплерлік ығысуды жеткізеді. Молекулалық таңбалау техникаларында, PIV сияқты, жылдамдық өлшеуіш маркерлердің орын ауыстыруын визуализациялауға негізделген.

Схемалар

MTV техникалары, реактивті қозғалтқыштар, жалын, жоғары қысымды ыдыстар сияқты қиын жағдайларда жылдамдық өлшеуге мүмкіндік беретіні дәлелденді, онда Пито түтігі, қызған жіппен жылдамдық өлшеу және PIV сияқты техникалардың жұмыс істеуі қиын. MTV саласы салыстырмалы түрде жас; алғашқы іске асыру демонстрациясы 1980-ші жылдары пайда болды және ауада қолдану үшін әзірленген және зерттелген схемалардың саны әлі де аз. Бұл схемалар қандай молекула туындайтынына, ағынды сыртқы молекулалармен толықтыру қажеттігіне және қандай толқын ұзындығы қолданылатынына қарай өзгеше.

Газдары

Газдағы сұйықтық механикасының ең толық зерттеулері RELIEF және APART схемаларын пайдалану арқылы жүргізілді. Екі техниканы да қосымша тұқым себудің қажеті жоқ, жай ауада қолдануға болады. RELIEF жүйесінде қоздырылған оттегі іздеуші ретінде қолданылады. Бұл әдіс молекуланың релаксациясына тыйым салатын кванттық-механикалық қасиеттерін пайдаланады, сондықтан қоздырылған оттегі салыстырмалы түрде ұзақ өмір сүреді. APART нитрит оксидінің "фотосинтезіне" негізделген. NO тұрақты молекула болғандықтан, оның көмегімен жасалған суреттер, теория бойынша, кез келген уақытқа дейін сақталады. Тағы бір жақсы дамыған және кеңінен сипатталған, өте жоғары дәлдік беретін техника – гидроксилдік белгілеу жылдамдық өлшегіші (HTV). Ол су буының фотодиссоциациялануына және нәтижесінде пайда болатын OH радикалын LIF арқылы көруге негізделген. HTV көптеген сынақ жағдайларында, бөлме температурасындағы ауа ағынынан бастап, қуыс ішіндегі Мах 2 ағынына дейін сәтті қолданылды.

Сұйықтықтар

Сұйықтықтарда үш МТВ әдісі жіктеледі: тікелей фосфоресценция (фосфоресцентті бояуды пайдалану), сіңіру (фотохроматикалық бояуды пайдалану) және фотоөнімдік флуоресценция (көбінесе қақпақ бояуды пайдалану) арқылы МТВ. Тікелей фосфоресценцияға негізделген МТВ-ді іске асыру ең оңай, себебі люминесцентті қозған молекулалық күйді тудыру үшін бір лазер жеткілікті. Фосфоресценция сигналы, әдетте, флуоресценциядан әлсіз және анықтау қиынырақ. Екінші әдіс, сіңіру арқылы МТВ, фотохромикалық бояудың флуоресценциялық қасиеттерін қайтымды түрлендіруге негізделген. Бұл схема алкоголь мен майларда жақсы нәтижелер көрсетті, бірақ суда нәтиже бермеді, себебі онда әдеттегі бояулар ерімейді. МТВ-нің үшінші түрі алғаш рет 1995 жылы сұйықтықтарда "молекулалық қозғалыстың фотоактивті, интрузивті емес қадағалауы" (PHANTOMM) деген атпен қолданылды. PHANTOMM техникасы бастапқыда көк лазермен қозған флуоресцеин негізіндегі қақпақ бояуды пайдаланды. Соңғы кезде, импульстік ультракөк және жасыл лазерлермен сәтті қолданылған родамин негізіндегі қақпақ бояу да пайдаланылды.