CN106323393B - 一种基于光操控的双模式微量液体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光操控的双模式微量液体流量计。该微量液体流量计包括微流芯片、光纤、微球、泵浦激光器、显微镜和计算机平台及其配套软件。微流芯片内置微流通道充当液体流通通道；光纤插入微流通道与其共轴，端面正对于来液方向；泵浦激光器的输出光经光纤输出，操控微球；显微镜用于微球观测，计算机及其配套软件接收CCD图像信号，实时识别微球的位置，然后依据不同测量模式设定相应阈值。本发明提供的微量液体流量计测量灵敏度高，动态范围大，自动化程度高，实时性好，具有极高的工程应用价值。

Description

一种基于光操控的双模式微量液体流量计

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光操控的双模式微量液体流量计。

背景技术

光操控是指用光的各种物理特性，例如光热效应、倏逝场，以及光传播具有动量等，对微纳尺寸的粒子或细胞实现束缚和操控。光操控技术具有很多优良的特性，它能非接触地操控微粒，这种操控方式可以在不损伤对象的前提下完成操控任务。

微流控芯片技术已经广泛应用于生物医学、高通量药物合成筛选、食品卫生和环境监测等诸多领域。为了满足不断增长的微量液体流速测量需求，已经有各种流速测量方案提出并实现，如悬臂梁法，其检测范围在10μm/min到1000μm/min之间，但是检测极限往往是几个μm/min或更高，且最小检测变化也在几个到几十个μm/min之间，这只适合对检测精度要求低但是需要较大的测量范围的环境中。此外，基于热传导的流速检测尽管简单和敏感，但它容易受到环境温度变化的影响。总之，当前的测量技术，普遍存在在传感与测量领域的一个关键的科学问题：参数动态范围大时，往往灵敏度低；反之，灵敏度高时，测量范围小。

发明内容

针对背景技术中提到的缺陷，本发明提供了一种基于光操控的双模式微量液体流量计，该微量液体流量计具有测量灵敏度高，动态范围大，自动化程度高，实时性好等特点。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于光操控的双模式微量液体流量计，其结构如图1所示，包括微流芯片、微球、光纤、泵浦激光器、带CCD显微镜、计算机、USB信号线和串口通信线，其特征在于：

微流芯片集成有微流通道；光纤的一端伸入微流通道中且与其共轴，光纤的另一端与泵浦激光器相连；正对于光纤端面的微流通道口为待测流体输入端；USB信号线连接显微镜的 CCD输出端和计算机；串口通信线连接计算机和泵浦激光器；

微球在使用时加入待测流体，再与待测流体一起通入微流通道，微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20μm，与待测流体的密度比为0.75-1.25；

泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出；待测流体经微流通道入口进入；计算机及相关配套软件通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的微球图像信息，实时监测微球位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。

所述开环传感模式具体为：泵浦激光器输出功率一定，微球距光纤端面的距离与当前流体流速存在一一对应关系，通过实时检测微球的位置，实现开环流体流速传感；在该模式下，流体流速越小，微球距光纤端面的距离越大，灵敏度越高。

所述闭环传感模式具体为：通过实时监测微球距光纤端面的位置，串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，使得微球稳定在某一设定位置，即微球的操控距离固定，此时泵浦激光器输出功率将与流体流速存在一一对应关系，即通过串口通信线读取当前激光器的输出功率，可实现流速传感。

设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。

所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其工作流程如下：

泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出，待测流体加入微球经微流通道入口进入，微球在微流通道内将受到待测微量液体给予的流体力F_v、激光能量经光纤端面输出的光散射力F_ao和横向梯度力F_tg的作用，横向梯度力F_tg使得微球被束缚在光纤轴线，光散射力F_ao的方向与微球所受的流体力F_v相反，进而微球在流体力F_v和光散射力F_ao的作用下，将达到受力平衡，稳定在微流通道的腔体里面；计算机通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的图像信息，进行处理，实时监测微球的位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。

所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其使用方法具体包括以下步骤：

步骤1、打开泵浦激光器，显微镜及计算机的配套软件平台，使得微流通道和光纤端面在计算机软件平台上显示；

步骤2、在微流通道入口通入加入微球的待测流体，在光力和流体力的作用下，微球受到捕获，然后操作计算机软件，实时显示和记录微球的位置；微球在待测流体的浓度小于100 个/mL，直径7-20μm，与待测流体的密度比为0.75-1.25；

步骤3、此为流速测量标定阶段，分为两个部分，一是开环传感模式下的标定，二是闭环传感模式标定：

开环传感模式下，固定泵浦激光器输出功率，通过进样泵设定一系列标准流速，记录操控距离即光纤端面与微球的距离，进而得到开环传感模式下流速与操控距离相关的标定曲线；

闭环传感模式下，通过进样泵设定一系列标准流速，流速变化时，通过闭环反馈控制激光功率，使得微球的操控距离保持不变，记录泵浦激光器对应的输出功率，进而得到闭环传感模式下流速与功率相关的标定曲线；

步骤4、将步骤3的标定结果，设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。

综上所述，本发明的有益效果是：利用双模式对流速进行测量，可获得动态范围大的流速测量和高的测量灵敏度；利用软件控制和实时图像处理技术，可提供高度自动化的实时性测量；本发明提供的流量测量方法精度高，灵活，简便，具有很高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明工作时，微球的受力分析示意图；

图3为开环工作模式下，功率为23.5mW，微球3操控距离与流速关系的标定图；

图4为闭环工作模式下，操控距离为15μm，泵浦激光器4输出功率与流速关系的标定图；

图5为基于图3，4的标定结果，测得流速和标准流速的对比图；

附图标记：1-微流芯片，2-光纤，3-微球，4-泵浦激光器，5-带CCD的显微镜，6-计算机，7-USB信号线，8-串口通信线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明。

本实施例以测量微量去离子水的流量为例，结构如图1所示，包括微流芯片1、光纤2、微球3、泵浦激光器4、带CCD显微镜5、计算机6、USB信号线7、串口通信线8。微流芯片1内含微流通道，光纤2一端连接泵浦激光器4，另一端在微流通道轴向正中央。带CCD 显微镜5用于监控微流通道内的实时场景，并输出图像信号。计算机5及配套软件平台通过 USB信号线7接收CCD输出的图像信号并显示，以及实时识别微球3。当微球3被稳定捕获时，就开始实时显示微球3的位置信息。串口通信线8用于计算机与泵浦激光器4之间的通信。微球选用聚丙乙烯，7μm直径。

其使用方法具体包括以下步骤：

步骤1、打开泵浦激光器4，显微镜5及计算机6的配套软件平台，使得微流通道和光纤 2端面在计算机软件平台上显示。

步骤2、在微流通道入口通入加入微球3的待测流体(微球在待测流体中浓度为80个/mL)，在光力和流体力的作用下，微球3被稳定捕获。然后操作计算机软件，实时显示和记录微球 3的位置。

步骤3、此步骤为示例测量标定过程。具体分为开环传感模式标定和闭环传感模式标定，开环传感模式下输出功率 为23.5mW，闭环传感模式下操控距离为15μm，开环与闭环传感模式的切换阈值设为5000nl/min。

1)、开环传感模式标定：此时泵浦激光器4输出功率固定在23.5mW，输入流速已知且可调。将输入流速提高至5000nl/min，记录微粒3距光纤端面的距离；然后5000-1000nl/min间隔为1000nl/min，1000-100nl/min间隔为100nl/min,100-10nl/min间隔为10nl/min，依次递减至10nl/min，并记录每次流速调整的操控距离(即微粒3距光纤端面的距离)。得到操控距离与输入流速的关系曲线，如图3所示为对坐标取log₁₀后的标定结果。将结果存入配套软件数据库。

2)、闭环传感模式标定：在软件界面设置操控距离固定为15μm，输入流速已知且可调。将输入流速调整至5000nl/min，此时计算机将根据微球3位置的偏移，计算出控制信号反馈给泵浦激光器4的输出，使得微球3稳定在15μm的操控距离，然后记录微球3稳定时激光器的输出功率。之后以5000-10000nl/min间隔为1000nl/min,10000-50000nl/min间隔为5000nl/min，50000nl/min-100000nl/min间隔为10000nl/min将流速依次递增，最高到100000nl/min(最高流速受激光器最大输出功率限制)，在这期间，记录微球3稳定时对应的激光器输出功率值，即可得到激光器输出功率与输入流速关系曲线，如图4所示为标定结果。将结果存入配套软件数据库。

步骤4、针对要测量流速的待测液体，按照步骤1和步骤2实施后，在配套软件程序上设置开环模式下泵浦激光器4输出功率为23.5mW，闭环模式下操控距离为15μm，以及测量切换阈值为5000nl/min。即可开始实施测量。在这期间，软件程序将通过图像处理技术，实时计算出微球的位置，若当前输入流速在10-5000nl/min范围，流速测量将在开环模式下工作，此时程序控制泵浦激光器4输出功率稳定在23.5mW，然后根据微球3距光纤端面的位置以及数据库中的标定信息，实时得出当前待测液体的流速；若输入流速范围大于5000nl/min，流速测量将切换至闭环模式下工作。程序根据微球3位置的偏移，快速反馈控制激光器输出功率，使得微球3稳定在15μm的操控距离。同时，程序读取微球3稳定时激光器的输出功率，以及数据库中的闭环标定信息，即可取得当前待测液体的流速。由此可知，流速测量在全自动条件下完成，如图5为测量结果。

Claims (6)

1.一种基于光操控的双模式微量液体流量计，包括微流芯片、微球、光纤、泵浦激光器、带CCD显微镜、计算机、USB信号线和串口通信线，其特征在于：

微流芯片集成有微流通道；光纤的一端伸入微流通道中且与其共轴，光纤的另一端与泵浦激光器相连；正对于光纤端面的微流通道口为待测流体输入端；USB信号线连接显微镜的CCD输出端和计算机；串口通信线连接计算机和泵浦激光器；

微球在使用时加入待测流体，再与待测流体一起通入微流通道，微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20um，与待测流体的密度比为0.75-1.25；

泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出；待测流体经微流通道入口进入；计算机及相关配套软件通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的微球图像信息，实时监测微球位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。

2.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：

所述开环传感模式具体为：泵浦激光器输出功率一定，微球距光纤端面的距离与当前流体流速存在一一对应关系，通过实时检测微球的位置，实现开环流体流速传感；在该模式下，流体流速越小，微球距光纤端面的距离越大，灵敏度越高。

3.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：

所述闭环传感模式具体为：通过实时监测微球距光纤端面的位置，串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，使得微球稳定在某一设定位置，即微球的操控距离固定，此时泵浦激光器输出功率将与流体流速存在一一对应关系，即通过串口通信线读取当前激光器的输出功率，可实现流速传感。

4.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。

5.根据权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其工作流程如下：

泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出，待测流体加入微球经微流通道入口进入，微球在微流通道内将受到待测微量液体给予的流体力F_v、激光能量经光纤端面输出的光散射力F_ao和横向梯度力F_tg的作用，横向梯度力F_tg使得微球被束缚在光纤轴线，光散射力F_ao的方向与微球所受的流体力F_v相反，进而微球在流体力F_v和光散射力F_ao的作用下，将达到受力平衡，稳定在微流通道的腔体里面；计算机通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的图像信息，进行处理，实时监测微球的位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。

6.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其使用方法具体包括以下步骤：

步骤1、打开泵浦激光器，显微镜及计算机的配套软件平台，使得微流通道和光纤端面在计算机软件平台上显示；

步骤2、在微流通道入口通入加入微球的待测流体，在光力和流体力的作用下，微球受到捕获，然后操作计算机软件，实时显示和记录微球的位置；微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20um，与待测流体的密度比为0.75-1.25；

步骤3、此为流速测量标定阶段，分为两个部分，一是开环传感模式下的标定，二是闭环传感模式标定：

开环传感模式下，固定泵浦激光器输出功率，通过进样泵设定一系列标准流速，记录操控距离即光纤端面与微球的距离，进而得到开环传感模式下流速与操控距离相关的标定曲线；

闭环传感模式下，通过进样泵设定一系列标准流速，流速变化时，通过闭环反馈控制激光功率，使得微球的操控距离保持不变，记录泵浦激光器对应的输出功率，进而得到闭环传感模式下流速与功率相关的标定曲线；

步骤4、将步骤3的标定结果，设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。