CN101782412A

CN101782412A - 微量液体体积测量的方法及装置

Info

Publication number: CN101782412A
Application number: CN201010031354A
Authority: CN
Inventors: 栗大超; 于海霞; 徐可欣
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2010-07-21

Abstract

一种微量液体体积测量的方法及装置，方法是在微管路内设置两对微电极，利用微量液体的导电性，根据微管路的横截面积和两对微电极之间的间距，以及微量液体流经微电极时测量得到的与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体通过微管路的时间和流速，计算得出流经微管路的微量液体的体积，对于不导电的微量液体，测量前需在微量液体中增加导电离子。装置包括有一端设置有输入端口、另一端设置有输出端口的微管路，以及一端与测量电路相连另一端位于微管路内的第一微电极对和第二微电极对。本发明适用于所有具有导电性的微量液体体积的测量，对于不导电的微量液体，测量前需在微量液体中增加导电离子。本发明能同时测量微量液体流过微管道的速度、时间和体积，结构简单，易于制作。

Description

微量液体体积测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种液体体积测量的方法及装置。特别是涉及一种利用微量液体的导电性实现微量液体体积测量的方法及装置。

背景技术

近年来微流体技术的快速发展，已经在生物、化学及医学等领域上造成了革命性的冲击，越来越多的微流体器件得到广泛的应用。微流体器件中传输、参与反应的液体体积非常小，一方面节省了样品量，另一方面也给精确测量控制参与反应的液体体积带来了难度，于是多种微量液体流量计应运而生，例如，差压型流量计、涡轮型流量计、科里奥利流量计、温度型流量计等。然而这些流量计有的含有可动部件，结构复杂，难以实现与其它微流体器件的集成；有的容易受到外部环境或者干扰信号的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用微量液体的导电性，测量微量液体通过微管路的流速和时间，实现微量液体体积测量的方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种微量液体体积测量的方法，是利用微量液体的导电性，在微管路内设置两对微电极，根据已知的微管路的横截面积和两对微电极之间的间距，以及测量得到的微量液体流经微电极时与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体通过微管路的时间和流速，计算得出微量液体流经微管路的体积，对于不导电的微量液体，需在微量液体中增加导电离子。

包括如下步骤：

1)使被测的微量液体匀速或匀加速流过设置有两对微电极的微管路，测量微量液体流经微电极时与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体前端和后端流经两对微电极的时间；

2)计算出微量液体前端流过两对微电极之间的时间，以及微量液体后端流过两对微电极之间的时间；

3)根据计算出的时间和已知的两对微电极之间的距离求出微量液体的流速；

4)求出微量液体在微管路中的长度；

5)求出微量液体在微管路中的体积。

一种使用微量液体体积测量方法的测量装置，包括有一端设置有输入端口、另一端设置有输出端口的微管路，以及一端与测量电路相连另一端位于微管路内的第一微电极对和第二微电极对。

所述的第一微电极对和第二微电极对采用能够保证电极在具有导电性微量液体中的长期稳定性的金、铂贵金属。

所述的第一微电极对和第二微电极对采用金属膜电极微加工技术加工得到。

所述的金属膜电极微加工技术包括有转印技术和剥离技术等。

所述的第一微电极对和第二微电极对固定在基底层上。

本发明的微量液体体积测量的方法及装置，具有如下特点：

1.本发明利用微量液体的导电性，实现微量液体体积的测量，适用于所有具有导电性的微量液体体积的测量，对于不导电的微量液体，通过在微量液体中增加导电离子等措施也可以使用该方法及装置测量其体积；

2.本发明的装置适用于匀速和匀加速流动的微量液体的测量，可以同时测量微量液体流过管道的速度、时间和体积；

3.本发明的装置不含可动部件，结构简单，易于采用现有的材料和微加工方法制备，既可以直接集成到各种微流体芯片中，也可以单独做成微量液体流量计；

4.本发明的装置所需要的测量电路和信号处理方法简单，不易受外部信号的干扰。

附图说明

图1是微量液体体积测量装置的结构示意图；

图2是测量电路示意图；

图3是测量电路中电阻两端电压的跳变时序图。

其中：

1：第一微电极对 2：第二微电极对

3：微管路 4：微量液体

5：输入端口 6：输出端口

7：电极之间固定距离 8：基底层

9：直流电压源 10：电阻

11：电阻 12：数据采集卡

13：计算机

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的微量液体体积测量的方法及装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的微量液体体积测量装置，包括有一端设置有输入端口5、另一端设置有输出端口6的微管路3，以及一端与测量电路相连另一端位于微管路3内的第一微电极对1和第二微电极对2。

所述的第一微电极对1和第二微电极对2采用能够保证电极在具有导电性微量液体中的长期稳定性的金、铂贵金属。所述的第一微电极对1和第二微电极对2采用包括有转印技术和剥离技术等的金属膜电极微加工技术加工得到。所述的第一微电极对1和第二微电极对2固定在基底层8上。

本发明的微量液体体积测量装置可以采用如下的加工步骤制作：

(1)通过转印技术/剥离技术将金/铂等贵金属加工成型到硅/玻璃/聚合物材料表面，获得含有微电极的基底层；

(2)在另一层硅/玻璃/聚合物材料表面加工固定截面的微管路，获得含有微管路的顶层；

(3)将基底层与顶层绑定在一起；

(4)在微管路的两端固定输入端口和输出端口；

(5)连接电极和测量电路。

本发明的微量液体体积测量方法，是利用微量液体的导电性，在微管路内设置两对微电极，利用已知的微管路的横截面积和两对微电极之间的间距，以及测量得到的微量液体流经微电极时与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体通过微管路的时间和流速，计算得出微量液体在微管路中的体积，从而实现微量液体体积的测量，对于不导电的微量液体，测量前需在微量液体中增加导电离子。

所述的测量电路如图2所示，该测量电路通过直流电压源9为微电极1、2和电阻10、11提供电压，通过数据采集卡12测量记录电阻10、11两端的电压，并将数据传输到计算机13，以供后续数据处理获得电压的跳变时间。当一段导电的微量液体通过微管路中的微电极时，与微电极相连的测量电路中电阻两端的电压发生两次跳变：当不导电流体(空气)/导电的微量液体界面通过电极对时，电压从0伏跳变增加；当导电的微量液体/不导电流体(空气)界面通过电极对时，电压跳变回0伏。一段具有导电性的微量液体通过同一对微电极时产生的两次与微电极相连的测量电路中电阻两端的电压跳变时间之差为微量液体通过该对微电极所需的时间。利用已知的微管路的横截面积和两对微电极之间的间距，以及测量得到的与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，可以计算得出微量液体在微管路中的流速和体积。

本发明的微量液体体积测量方法具体包括如下步骤：

1)使被测的具有导电性的微量液体匀速或匀加速流过设置有两对微电极的微管路，测量微量液体流经微电极时与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体前端和后端流经两对微电极的时间；

4)求出微量液体在微管路中的长度；

5)求出微量液体在微管路中的体积。

由于本发明涉及的方法和装置针对的是微量液体体积的测量，所以忽略微量液体通过微管路时驱动力与阻力之差的波动。下面分别针对匀速和匀加速两种情况，介绍本发明的微量液体体积测量方法与装置中的数据处理方法。

(1)匀速微量液体体积测量数据处理方法

当一段具有导电性的微量液体以流速v匀速通过已知横截面积为A的微管路时，与微电极相连的测量电路中电阻两端的电压发生两次跳变：当不导电流体(空气)/导电的微量液体界面通过电极对时，电压从0伏跳变增加；当导电的微量液体/不导电流体(空气)界面通过电极对时，电压跳变回0伏。一段具有导电性的微量液体通过微量液体体积测量装置中的两对微电极时所引起的与微电极相连的测量电路中电阻两端的电压跳变时序如图3所示。其中，t₁和t₃分别是微量液体前端和后端通过第一微电极对1的时间，t₂和t₄分别是微量液体前端和后端通过第二微电极对2的时间。

微量液体以固定流速通过固定截面的微管路，则微量液体前端流过两对电极之间的距离S所用的时间t₂-t₁等于微量液体后端流过该距离的时间t₄-t₃，并且可知微量液体的流速为

v = \frac{S}{t_{2} - t_{1}} = \frac{S}{t_{4} - t_{3}} - - - (1)

另外，该段微量液体流过第一微电极对1所需的时间和流过第二微电极对2所需的时间分别为t₃-t₁和t₄-t₂，且t₃-t₁＝t₄-t₂。该段微量液体在微管路中的长度为

L = v * (t_{3} - t_{1}) = \frac{S * (t_{3} - t_{1})}{t_{2} - t_{1}} - - - (2)

则微量液体的体积为

V = L * A = \frac{S * (t_{3} - t_{1}) * A}{t_{2} - t_{1}} - - - (3)

(2)匀加速微量液体体积测量数据处理方法

当一段具有导电性的微量液体以初速度v₀，加速度a匀加速通过已知横截面积为A的微管路时，微量液体前端通过第一微电极对1和第二微电极对2的速度分别为v₀+a*t₁和v₀+a*t₂，对应的微量液体后端通过第一微电极对1和第二微电极对2的速度分别为v₀+a*t₃和v₀+a*t₄。

则

S = \frac{1}{2} (v_{0} + a * t_{1} + v_{0} + a * t_{2}) (t_{2} - t_{1}) = \frac{1}{2} (v_{0} + a * t_{3} + v_{0} + a * t_{4}) (t_{4} - t_{3}),

利用上式可以求出

v_{0} = \frac{S ({t_{4}}^{2} - {t_{3}}^{2} - {t_{2}}^{2} + {t_{1}}^{2})}{(t_{4} - t_{3}) (t_{2} - t_{1}) (t_{4} + t_{3} - t_{2} - t_{1})} - - - (4)

a = \frac{2 S (- t_{4} + t_{3} + t_{2} - t_{1})}{(t_{4} - t_{3}) (t_{2} - t_{1}) (t_{4} + t_{3} - t_{2} - t_{1})} - - - (5)

而微量液体在微管路中的长度为

L = \frac{1}{2} (v_{0} + a * t_{1} + v_{0} + a * t_{3}) (t_{3} - t_{1}),

将式(4)和式(5)代入上式可得

L = \frac{S (t_{3} - t_{1}) (t_{4} - t_{2}) (t_{4} - t_{3} + t_{2} - t_{1})}{(t_{4} - t_{3}) (t_{2} - t_{1}) (t_{4} + t_{3} - t_{2} - t_{1})} - - - (6)

则微量液体的体积为

V = L * A = \frac{S (t_{3} - t_{1}) (t_{4} - t_{2}) (t_{4} - t_{3} + t_{2} - t_{1}) A}{(t_{4} - t_{3}) (t_{2} - t_{1}) (t_{4} + t_{3} - t_{2} - t_{1})} - - - (7)

本发明公开和揭示的所有组合和方法可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims

1.一种微量液体体积测量方法，其特征在于：在微管路内设置两对微电极，利用微量液体的导电性，根据微管路的横截面积和两对微电极之间的间距，以及微量液体流经微电极时测量得到的与微电极相连的测量电路中电阻两端电压的跳变时间，得到微量液体通过微管路的时间和流速，计算得出流经微管路的微量液体的体积，对于不导电的微量液体，测量前需在微量液体中增加导电离子。

2.根据权利要求1所述的微量液体体积的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)计算微量液体前端流过两对微电极之间的时间，以及微量液体后端流过两对微电极之间的时间；

4)求出微量液体在微管路中的长度；

5)求出微量液体在微管路中的体积。

3.一种使用微量液体体积测量方法的测量装置，其特征在于，包括有一端设置有输入端口(5)、另一端设置有输出端口(6)的微管路(3)，以及一端与测量电路相连另一端位于微管路(3)内的第一微电极对(1)和第二微电极对(2)。

4.根据权利要求3所述的微量液体体积测量装置，其特征在于，所述的第一微电极对(1)和第二微电极对(2)采用能够保证电极在具有导电性微量液体中的长期稳定性的金、铂贵金属。

5.根据权利要求4所述的微量液体体积测量装置，其特征在于，所述的第一微电极对(1)和第二微电极对(2)采用金属膜电极微加工技术加工得到。

6.根据权利要求5所述的微量液体体积测量装置，其特征在于，所述的金属膜电极微加工技术包括有转印技术和剥离技术等。

7.根据权利要求3所述的微量液体体积测量装置，其特征在于，所述的第一微电极对(1)和第二微电极对(2)固定在基底层(8)上。