CN104755918B

CN104755918B - 用于感测液体的方法和设备

Info

Publication number: CN104755918B
Application number: CN201380055876.XA
Authority: CN
Inventors: D·P·凯利; 王广伟
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: CN104755918A

Abstract

本发明提出了一种用于感测液体的方法和设备，该液体包含正带电粒子和/或负带电粒子。通过向部署在液体中的正电极和负电极应用电压而向液体施加电场，以便将负带电粒子向正电极吸引而将负带电粒子集中在液体的第一部分并且将正带电粒子向负电极吸引而将正带电粒子集中在液体的第二部分。通过对液体的第一部分、液体的第二部分以及液体的第三部分中的至少一部分的液体进行感测而获得第一感测结果，负带电粒子和正带电粒子分散于所述液体的上述第三部分中。因此，感测在液体中带电粒子的浓度有所变化的至少一个部分中进行。由于液体中粒子的浓度对液体的感测敏感度有所影响，所以可能提高敏感度。

Description

用于感测液体的方法和设备

技术领域

本发明涉及液体感测，尤其涉及一种用于感测液体的方法和设备。

背景技术

液体感测经常旨在出于各种目的而对诸如水和饮料的液体中诸如离子和分子之类的粒子进行感测。例如，目标粒子可以是与水的硬度、咖啡因、蛋白质等有关的诸如Ca⁺⁺、Mg⁺⁺之类金属离子。

通常对液体中的粒子进行感测所存在的问题是敏感度低，其原因在于目标粒子在液体中相对低的浓度或者来自液体中所包含的其它粒子的干扰。

发明内容

考虑到以上所提到的问题，提高感测液体的敏感度将会是有利的。

在一些情况下，期望对包括正带电粒子和/或负带电粒子在内的带电粒子进行感测。例如，所要感测的正带电粒子可以是金属离子、咖啡因、蛋白质、氨基酸，而负带电粒子可以是Cl^-、SO₄ ^2-和醋酸盐。因此，提高感测液体中的带电粒子的敏感度也将会是有利的。

在一些情况下，期望对非带电粒子进行感测。例如，所要感测的非带电粒子可以是酒精中的乙醇、美容液体中的甘油，以及食品级添加剂中的乙酸乙酯。非带电粒子的感测可能受到液体中的带电粒子的干扰。因此，在感测非带电粒子时减少或消除来自带电粒子的干扰从而提高敏感度也将会是有利的。

在本发明的第一方面，提供了一种用于感测包含正带电粒子和/或负带电粒子的液体的方法。该方法包括步骤：

-通过向部署在该液体中的正电极和负电极应用电压而向该液体施加电场，以便将负带电粒子向正电极吸引而将负带电粒子集中在该液体的第一部分并且将正带电粒子向负电极吸引而将正带电粒子集中在该液体的第二部分；并且

-通过对该液体的第一部分、该液体的第二部分以及该液体的第三部分中的至少一部分的液体进行感测而获得第一感测结果，该负带电粒子和正带电粒子分散于该液体的上述第三部分中；

所施加的电场改变了带电粒子在该液体的第一、第二和第三部分中的浓度并且它们中的至少一个被感测。也就是说，该感测在该液体中带电粒子的浓度有所变化的至少一个部分中进行。由于液体中粒子的浓度对液体的感测敏感度有所影响，所以可能提高敏感度。

此外，该电场使用正电极和负电极来施加。因此，在没有高的额外成本或感测复杂度增大的情况下实现了粒子在液体中的浓度变化。

该感测可以使用基于各种感测方法对液体属性进行感测的任意传感器来进行，上述感测方法包括但并不局限于导电性、电磁辐射、量测折射法、超声和电化学。

该液体可以是水、饮料、咖啡、豆奶等。

对液体进行感测的一个目标可以是检测目标粒子。在一个实施例中，该方法进一步包括以该第一感测结果为基础检测目标粒子。

该检测结果可以是定性或定量的。在一个实施例中，检测目标粒子包括检测该目标粒子是否存在于液体中。在另一个实施例中，检测目标粒子包括确定该目标粒子的数量。例如，该目标粒子的数量的量度可以是该目标粒子在液体中的浓度或吸收度。

该目标粒子可以是带电粒子或非带电粒子。该液体的至少一部分可以根据诸如目标粒子的属性、目标粒子的浓度和/或感测方式之类的各种因素从该液体的第一、第二和第三部分中进行选择。

在一个实施例中，该液体的至少一个部分在目标粒子带负电的情况下包括该液体的第一部分；该液体的至少一个部分在目标粒子带正电的情况下包括该液体的第二部分；并且该液体的至少一个部分在目标粒子不带电的情况下包括该液体的第三部分。

以这种方式，在目标粒子带电的情况下，该感测在该液体中该目标粒子集中于其中的部分进行。因此，敏感度由于目标粒子更高的浓度而有所提高。在目标粒子不带电的情况下，该感测在该液体中作为干扰粒子的带电粒子分散于其中的第三部分中进行。因此，敏感度可以由于来自带电粒子的干扰较少而有所提高。

在一个实施例中，该液体的至少一个部分在目标粒子带负电或带正电的情况下包括该液体的第一部分和第二部分。

对该液体中目标粒子集中于其中的部分以及该液体中目标粒子分散于其中的部分二者进行感测，这在下文中被称作双边感测。

双边感测的优势在于并且其相对结果能够被用来确定液体中的原始浓度。

此外，双边感测具有另外的优势。当使用非选择性传感器时，来自这两个部分的相对感测结果能够被用来给出选择性结果。由于仅有这两个部分之间的差值作为带电粒子的相对浓度，所以感测结果的差异对此进行了直接反映。当液体已知由许多带电粒子所主导时，非选择性传感器的结果给出了带电粒子的相对数量。

在一个实施例中，该液体的至少一个部分在目标粒子带负电的情况下包括该液体的第二部分或第三部分；并且该液体的至少一个部分在目标粒子带正电的情况下包括该液体的第一部分或第三部分。

以这种方式，该感测在该液体中目标粒子分散于其中的部分中进行。在一些情况下，该感测可能是不准确的，原因在于目标粒子的原始浓度对于所使用的传感器而言过高，也就是该传感器给出了其最大读数。在这些情况下将会有利的是，对该液体中目标粒子分散于其中的部分进行感测从而获得传感器的准确读数并且实现有所提高的敏感度。

在一个实施例中，该方法进一步包括通过在并未施加电场时对该液体进行感测而获得第二感测结果的步骤；并且该检测步骤包括基于该第一感测结果和第二感测结果检测该目标粒子。

以这种方式，在通过电场对带电粒子进行集中之前和之后进行感测以获得相应感测结果。由于第一感测结果和第二感测结果之间的差异仅由电浓度(electricalconcentration)所导致，所以通过将这两个感测结果相结合能够提高敏感度。

在一个实施例中，基于带电粒子的重量以及带电粒子的电荷数量中的至少一个对该电压进行调节。例如，较重的粒子需要较高电压。作为另一个示例，较多的电荷需要较小的电压。

以这种方式，能够通过使用适当电压来有效集中带电粒子。此外，该电压能够被调节以有选择地感测不同重量和电荷数量的粒子。

此外，注意到，并非必需获知粒子的绝对重量，相对数值就将足矣。例如，假设已知给定电压适用于一种带电粒子，该电压能够针对携带相同数量的电荷但是比该带电粒子更重的另一种带电粒子而有所增大。

在一个实施例中，顺序地施加多个电压，并且第一感测结果包括多个量度，其中每个量度对应于该多个电压之一。

在一个示例中，施加逐步增大的电压并且在每个步骤进行感测。这使得可能在具有相同极性但是不同质量或不同电荷数量的带电粒子之间进行区分。

在另一个示例中，应用连续增大的电压并且进行连续感测。一旦传感器的读数在某个数值达到饱和，相对应的电压就能够指示目标粒子在液体中的浓度。

在一个实施例中，该感测步骤包括：将该液体的第一部分、第二部分和第三部分中的至少一个收集在腔体中；并且在该腔体中对所收集的液体部分进行感测。

由于该液体的相应部分在被感测之前进行收集，所以不必在使用电场对带电粒子进行集中的同时进行感测。因此，不必在进行感测时施加电场。这对于基于诸如导电性和电化学之类电气方法的感测是特别有利的，因为电气方法的感测结果会被用于集中带电粒子的电场所干扰。

如所提到的，在一些情况下，可能校准并克服这样的干扰。因此，可以使用电气方法而并不在进行感测之前对液体的相应部分进行收集。

在本发明的第二方面，提供了一种用于感测包含正带电粒子和/或负带电粒子的液体的设备。该设备包括：

-用于包含该液体的腔体；

-正电极和负电极，它们部署在该液体中，并且被配置为在电压被应用于该正电极和负电极时向该液体施加电场，以便将负带电粒子向正电极吸引而将负带电粒子集中在该液体的第一部分并且将正带电粒子向负电极吸引而将正带电粒子集中在该液体的第二部分；

-电源，其耦合至该正电极和负电极并且被配置为对其应用电压；和

-感测单元，其被配置为通过对该液体的第一部分、该液体的第二部分以及该液体的第三部分中的至少一部分的液体进行感测而获得第一感测结果，该负带电粒子和正带电粒子分散于该液体的上述第三部分中。

在一个实施例中，该传感器单元可以包括一个或多个传感器。在一个示例中，该传感器可以是选择性传感器。在另一个示例中，该传感器可以是非选择性传感器。

在一个实施例中，该正电极和负电极彼此间隔开来以将液体划分为相邻于该正电极的液体的第一部分，相邻于该负电极的液体的第二部分，以及处于该正电极和负电极之间的液体的第三部分。

在一个实施例中，该设备进一步包括收集单元，其用于将该液体的第一部分、第二部分和第三部分中的至少一个中的一个收集在单独腔体中以便进行感测。

在一个实施例中，该设备包括第一通道、第二通道和第三通道中的至少一个，其中该腔体具有用于接收该液体的入口，相邻于该正电极进行部署的第一出口、相邻于该负电极进行部署的第二出口和部署在该正电极和负电极中间的第三出口中的至少一个；该第一通道与该第一出口流体连通；该第二通道与该第二出口流体连通；并且该第三通道与该第三出口流体连通。

以这种方式，该液体的第一部分、第二部分和第三部分分别通过该第一通道、第二通道和第三通道。因此，该液体的相应部分能够被单独感测或收集。在一个示例中，这三个通道中的液体可以在该通道的出口处被重新汇聚在一个流中。

如这里所使用的术语“腔体”和“通道”要以宽泛的含义进行解释。因此，该术语意在包括可以通过其保存或引导液体的任意所期望形状或配置的空腔或管道。例如，这样的液体空腔可以包括流体要连续通过的流通池，或者可替换地，包括用于在指定数量的时间内保存所指定的离散数量的液体的腔体。

在一个实施例中，该腔体、第一通道、第二通道和第三通道是微流体(microfluidic)的。

因此，仅需要小的液体样本。此外，该传感器以及电极可以为小尺寸，这导致了非常低的额外成本。

如这里所使用的术语“微流体”要被理解为是指(多种)流体能够经由其通过、指引、混合、分离或以其它方式进行处理的结构或设备而并没有针对其的任何限制，其中微流体结构或设备在几何形状上被限制为小的规格，通常为亚毫米规格。例如，一个或多个尺寸通常可以小于50微米。

在一个实施例中，该腔体、第一通道、第二通道和第三通道是表面微加工的。

附图说明

本发明的以上以及其他的目标和特征将通过以下结合附图所考虑的详细描述而更为显而易见，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的用于感测液体的示例性设备；

图2示出了使用图1的设备感测液体的实验结果；

图3示出了根据本发明实施例的用于感测液体的示例性设备；

图4示出了使用图3的设备感测液体的实验结果；

图5示出了根据本发明实施例的用于感测液体的实验结果。

具体实施方式

现在将参考本发明的实施例，附图中图示出了其一个或多个示例。该实施例通过对本发明的解释而提供，而并非意在作为对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分进行图示或描述的特征可以随另一个实施例使用以产生又另一个实施例。本发明意在包含处于本发明的范围和精神之内的这些和其它修改及变化。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于感测液体的示例性设备。

参考图1，设备10包括腔体12、正电极(即，阳极)14、负电极(即，阴极)16、电源18和感测单元(未示出)。

腔体12被用来包含所要感测的液体。正电极14和负电极16被部署在腔体12之中以浸没于该液体中并且彼此分离。电源18可以是能够提供给定电压的DC电源。

当电源18在正电极14和负电极16上提供给定电压时，电场得以被生成并且被施加于该腔体所包含的液体。在该电场下，该液体中的负带电粒子(如果存在)被吸引向正电极从而集中在邻近该正电极的液体部分中。此外，液体的部分距正电极越远，负带电粒子的浓度就越低。类似地，在该电场下，该液体中的正带电粒子(如果存在)被吸引向负电极从而集中在邻近该正电极该液体的第二部分之中。

进行实验以示出带电粒子在使用设备10的电场之下的浓度。在该实验中，腔体12被充入300mL的亚甲蓝水溶液，其吸收度为2.34μM，并且向电极应用以60V的电压。由于亚甲蓝(图1中被图示为圆圈22)在溶解于水中之后带有正电荷，所以预计其要被吸引向阴极16，在60分钟之后，如三个虚线箭头24、26和28所分别描绘的，从邻近正电极的溶液部分(此后称作阳极区域)、电极中间的溶液部分(此后称作中间区域)和邻近负电极的溶液部分(此后称作阴极区域)取得溶液样本，并且随后进行感测。这些样本中的每一个样本的吸收度被记录于表1中，并且图2中示出了归一化的吸收度。参见图2，x轴是分别指代从阳极区域、中间区域和阴极区域所取得的样本的样本x₁、x₂、x₃的指标；y轴是这些样本的归一化的吸收度。如能够从表1和/或图2所看到的，阴极区域中的吸收度最高，而阳极区域中的吸收度最低，这表明带正电的亚甲蓝粒子被吸引向阴极并且集中于阴极区域。

表1

	吸收度(a.u.)	浓度(μM)
			阳极区域	0.037	1.57
中间区域	0.051	2.17
			阴极区域	0.077	3.28

带电粒子被吸引至相对应电极所需的时间取决于所施加的电压以及电极之间的距离。实际上，如以下所描述的，明显更小的通道(例如，200微米)将适用于感测应用，并且所需时间也会明显更短。

图3示出了根据本发明实施例的用于感测液体的示例性设备。

参考图3，设备300包括腔体310，部署在腔体310的两个相对侧表面的正电极315和负电极316。在一个示例中，腔体310的这两个相对侧表面可以由导电材料制成从而直接用作电极。

进一步参考图3，设备300进一步包括第一通道320、第二通道330和第三通道340。该腔体310具有用于接收液体的入口311，以及相邻于正电极315部署的第一出口312，相邻于负电极316进行部署的第二出口313和部署在两个电极315、316中间的第三出口314中的至少一个。第一通道320、第二通道330和第三通道340分别与第一出口312、第二出口313和第三出口314流体连通。

如图2中的三个箭头所指示的，当液体流入腔体310时，其被划分为分别通过三个通道320、330、340的三个流。

当电压被应用于电极315、316时，该液体中的负带电粒子被吸引向正电极315一侧，并且该液体中的正带电粒子被吸引向负电极316一侧。因此，如图3所示，流过第一通道320的流预计富含负带电粒子，通过第二通道330的流预计富含正带电粒子，并且通过第三通道340的流则预计没有明显数量的带电粒子。

进行实验以示出带电粒子在使用设备300的电场下的浓度。在该实验中，腔体310具有200μm的通道宽度。具有10μS/cm的NaCl电解质的NaCl溶液以1mL/min的速率流入腔体310。2.0V的电压被应用于电极以生成电场。在该实验中，来自第一通道320和第二通道330的流被汇聚(未示出)并且被称作废液输出，而来自第三通道340的流则被称作主输出。

在该示例中，废液输出和主输出中的离子被分别计数，并且记录在图4之中。参考图4，x轴是以分钟为单位的时间，而y轴是离子计数。带点曲线表示废液输出中的离子计数，而带三角的曲线则表示主输出中的离子计数。时间t₁是电场被打开的时间，而时间t₂是电场被关闭的时间。如图4所示，当电场开启(即，2.0V的电压被应用于电极)时，废液输出中的离子计数明显高于主输出。当电场关闭(即，没有电压被应用于电极)时，废液输出中的离子计数基本上与主输出中相同。这表明液体中包括Na⁺和Cl^-的离子在电场被施加于该液体时被吸引向电极并且集中于通过第一和第二通道的流中。此外，如在图4中看到的，带电粒子被集中所需的时间仅为1或2分钟，这在感测应用中是能够接受的。

图5示出了根据本发明实施例的用于感测液体的实验结果。在该示例中，首先，纯水以100μL/min的速率v流入具有80微米的宽度W的通道中，并且拍摄该通道的照片(如图5(a)中所示)。接下来，具有阴离子荧光示踪剂的水以相同速率流入相同通道并且在三种不同情形下拍摄该通道的照片。在第一种情形中，并不施加电场，并且相对应的照片在图5(b)中示出。在第二种情形中，该通道的相对侧表面被用作电极并且利用作为正电极的左侧和作为负电极的右侧施加以2V的电压，并且相对应的照片在图5(c)中示出。在第三种情形中，利用作为负电极的左侧和作为正电极的右侧施加以-2V的电压，并且相对应的照片在图5(d)中示出。

已知照片的亮度指示了阴离子荧光示踪剂的浓度，也就是说，一个区域中的浓度越高该区域就越明亮。如所预计的，纯水的照片非常暗(参见图5(a))，这是因为其并不包含阴离子荧光示踪剂，而具有阴离子荧光示踪剂的水在并未施加电场的情形中的照片则是均匀明亮的(参见图5(b))，这是因为阴离子荧光示踪剂被假定均匀分布在水中而没有任何电场。如从图5(c)和(d)中所看到的，正电极一侧的区域更为明亮，这指示阴离子荧光示踪剂被吸引向正电极。

应当注意的是，以上所描述的实施例是为了对本发明进行描述而非限制而给出，并且所要理解的是，可以进行修改和变化而并不背离如本领域技术人员所轻易理解的本发明的精神和范围。这样的修改和变化被认为处于所附权利要求的范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求所确定。此外，权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为对该权利要求的限制。动词“包括”及其及其词形变化的使用并不排除存在权利要求所提到的那些以外的部件或步骤。部件或步骤之前的不定冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除存在多个这样的部件或步骤。

Claims

1.一种用于感测包含正带电粒子和/或负带电粒子的液体的方法，所述方法包括步骤：

-通过向部署在所述液体中的正电极和负电极应用电压而向所述液体施加电场，以便将所述负带电粒子吸引向所述正电极以将所述负带电粒子集中在所述液体的第一部分并且将所述正带电粒子吸引向所述负电极以将所述正带电粒子集中在所述液体的第二部分；并且

-通过对所述电场下的所述液体的所述第一部分、所述电场下的所述液体的所述第二部分以及所述电场下的所述液体的第三部分中的至少一部分的液体进行感测而获得第一感测结果，所述负带电粒子和所述正带电粒子分散于所述液体的上述第三部分中。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以所述第一感测结果为基础检测目标粒子。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

-所述液体的至少一个部分在所述目标粒子带负电的情况下包括所述液体的所述第一部分；

-所述液体的至少一个部分在所述目标粒子带正电的情况下包括所述液体的所述第二部分；并且

-所述液体的至少一个部分在所述目标粒子不带电的情况下包括所述液体的所述第三部分。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述液体的至少一个部分在所述目标粒子带负电或带正电的情况下包括所述液体的所述第一部分和所述第二部分。

5.根据权利要求2所述的方法，其中

-所述液体的至少一个部分在所述目标粒子带负电的情况下包括所述液体的所述第二部分或所述第三部分；并且

-所述液体的至少一个部分在所述目标粒子带正电的情况下包括所述液体的所述第一部分或所述第三部分。

6.根据权利要求2所述的方法，其中

-所述方法进一步包括通过在并未施加电场时对所述液体进行感测而获得第二感测结果的步骤；并且

-所述检测步骤包括基于所述第一感测结果和所述第二感测结果检测所述目标粒子。

7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述带电粒子的重量以及所述带电粒子的电荷数量中的至少一个对所述电压进行调节。

8.根据权利要求1所述的方法，其中顺序地应用多个电压，并且所述第一感测结果包括多个量度，其中每个量度对应于所述多个电压之一。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述感测步骤包括：

-将所述液体的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的至少一个收集在腔体中；并且

-在所述腔体中对所收集的所述液体的部分进行感测。

10.一种用于感测包含正带电粒子和/或负带电粒子的液体的设备，所述设备包括：

-用于包含所述液体的腔体；

-正电极和负电极，它们部署在所述液体中，并且被配置为在电压被施加于所述正电极和所述负电极时向所述液体施加电场，以便将所述负带电粒子吸引向正电极而将所述负带电粒子集中在所述液体的第一部分中并且将所述正带电粒子吸引向所述负电极而将所述正带电粒子集中在所述液体的第二部分；

-电源，其耦合至所述正电极和所述负电极，并且被配置为对其施加电压；和

-感测单元，其被配置为通过对所述电场下的所述液体的所述第一部分、所述电场下的所述液体的所述第二部分以及所述电场下的所述液体的第三部分中的至少一部分的液体进行感测而获得第一感测结果，所述负带电粒子和所述正带电粒子分散于所述液体的上述第三部分中。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述正电极和所述负电极彼此间隔开来以将所述液体划分为相邻于所述正电极的所述液体的所述第一部分，相邻于所述负电极的所述液体的所述第二部分，以及处于所述正电极和所述负电极之间的所述液体的所述第三部分。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述感测单元包括作为非选择性传感器的传感器。

13.根据权利要求10所述的设备，进一步包括收集单元，其用于将所述液体的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的至少一个中的一个收集在单独腔体中以便进行感测。

14.根据权利要求10所述的设备，进一步包括第一通道、第二通道和第三通道中的至少一个，其中

所述腔体具有用于接收所述液体的入口，相邻于所述正电极进行部署的第一出口、相邻于所述负电极进行部署的第二出口和部署在所述正电极和所述负电极中间的第三出口中的至少一个；

所述第一通道与所述第一出口流体连通；

所述第二通道与所述第二出口流体连通；并且

所述第三通道与所述第三出口流体连通。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述腔体、所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道是微流体的。