友思特应用 | 流速测量：用于微流控芯片的多普勒OCT测速技术

导读

在科研和工业检测中，我们常常面临两大难题：想看清楚内部结构，却不能切开样品；想测流体速度，又不想打孔装传感器。有没有办法同时做到？答案是OCT（光学相干层析成像），它利用近红外光进行干涉测量，能看到微米级细节，在无损条件下揭示内部状态。不仅能“看清楚”，借助多普勒效应，它还能“测速度”，让管道里的流速分布情况一目了然。

一、应用背景：如何揭开微流控的流动秘密

微流控技术，就像把一个“实验室”缩小到一片的芯片上。在几十微米宽的微小通道里，它能精准地引导液体完成混合、分离、反应和检测。借助微流控，我们只需要极少的样品和试剂，就能在极短的时间里完成医学检测、药物筛选、环境监测乃至材料研发。但难点是要验证微流控芯片里的流动情况并不容易。

因为我们不仅要知道平均流速，还要看清楚速度在不同空间位置的分布，而这需要微米级的分辨率。传统方法通常依赖粒子成像测速（PIV、PTV）或激光多普勒测速（LDV）。但它们都有局限, 要额外加示踪粒子, 操作复杂, 还可能需要昂贵的系统设备。这正是多普勒OCT的用武之地。它无需示踪粒子，真正做到非侵入式测量；它能提供微米级空间分辨率，兼具良好的穿透深度；还能直接重建二维截面的速度场，让微流控中的“流速地图”一目了然。

二、应用案例：超高分辨率OCT重建微流控流速分布

VND–可变中性密度滤光片，BS–分束器，HS–水平狭缝，FL–聚焦透镜，RM–参考镜，X-Y scanner–扫描振镜，FO–聚焦物镜，PH–针孔，CO–准直物镜，M–反射镜和DG–衍射光栅

研究中使用了一套超高分辨率的光谱域OCT系统（轴向分辨率可达1 μm，A扫描速率123 kHz），并对微流控芯片的同一通道区域进行了连续截面扫描。经过处理后，就得到了下面的结果。

图2（a）微流控横截面的结构OCT图像和（b）相应的速度分布图

图3（a）来自微流体通道中心部分的流速分布和(b)相应的OCT信号（图2a中的白线）

从图2可以看到，OCT不仅清晰呈现了微通道的结构，还成功重建了速度分布。计算结果显示，测得流速为0.63ml/min，与预设流速0.67ml/min 的差距仅有6%，这说明OCT测速的可靠性非常高。通过记录微通道中心的流速分布（图2a中的白线），证明了SD-OCT检测通道壁附近流速的能力。进一步分析流速分布（图3），可以看到OCT测得的速度曲线与理论抛物线拟合高度一致（R²=0.991）。这不仅证明了层流特征，还表明OCT能够以极高的空间精度捕捉流动细节，而且测得通道高度为17.4μm。

三、原理解析：从OCT成像到多普勒测速

OCT成像原理：OCT是“光学版的B超”，不同的是，它用的是近红外光，而不是超声波。它的成像原理是低相干干涉。光源发出的低相干光通过分束器，一部分进入参考臂，一部分进入样品臂。样品臂的光会在不同深度的界面被散射或反射返回,参考臂的光由反射镜反射返回。两束光在探测器上相遇，若光程差在光源相干长度范围内，就会产生干涉。通过用光谱仪收集干涉光谱，把不同深度的反射信号“解开”，从而得到深度信息，OCT系统示意图如下图4a所示。

沿深度方向的后反射或后向散射的测量扫描称为A扫描，沿横向移动进行多次A扫描则能生成截面图像（B扫描），多个B扫描叠加则可得到三维结构数据（C扫描），如下图4b所示。

图4 (a)OCT系统示意图和(b)OCT成像扫描示意图

多普勒测速原理：多普勒OCT是OCT的一种扩展应用，原理来源于多普勒效应。通俗来说，就像救护车的警笛声在靠近或远离时会改变音调，当光照射到运动的散射体（例如血液中的红细胞，或管道里的微粒）时，反射光的相位也会发生微小的变化。多普勒OCT正是利用这一特性，通过分析连续A扫描之间的相位差，就可以计算出颗粒沿光束方向的速度分量，如图5示意图和公式所示

图5 多普勒OCT测量光束方向上的速度分量

式中V为液体的流动速度，α为OCT光束与管道之间的夹角，Δφ为相邻A扫描信号之间的相位差，λ0为光源的中心波长，f为A扫描的频率，n为液体的折射率。相移值被限制在−π和π之间，因此理论上可测量的最大速度为

OCT不仅仅是一种“成像工具”，它更是一台探索微观世界的“速度计”。在科研领域，它揭示微流控与流体动力学的奥秘；在工业领域，它可实现无损在线检测，甚至精确测量微小管道中的流速。随着OCT速度的提升与算法的智能化，这项技术必将走出实验室，成为科研与工业检测中的“标配利器”。

参考文献：Lauri J, Czajkowski J, Myllylä R, et al. Measuring flow dynamics in a microfluidic chip using optical coherence tomography with 1 µm axial resolution[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2015, 43: 1-5.DOI：10.1016/j.flowmeasinst.2015.02.001

友思特 OCT成像系统

友思特OCT成像系统采用谱域OCT（SD-OCT）技术，通过快速傅里叶变换计算干涉项一次扫描即可获得单点全深度信息，将根据您的具体需求和应用场景，我们可以为你提供最合适的OCT成像方案。