CN108845001A

CN108845001A - 基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置及方法

Info

Publication number: CN108845001A
Application number: CN201810532598.7A
Authority: CN
Inventors: 曾文; 李松晶; 符海; 贾伟亮
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2018-11-20

Abstract

本发明公开了一种基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置及方法，所述装置包括供气气源、减压阀、压力传感器、液体容器、节流阀、T型微流道、微小检测电极、电容传感器和微处理器，减压阀与供气气源、液体容器连通；液体容器与节流阀相连，节流阀与T型微流道连通；微小检测电极成对布置于T型微流道的上、下两侧；微小检测电极与电容传感器相连；电容传感器与微处理器相连；压力传感器与微处理器相连；微处理器与节流阀相连。本发明将微流控芯片、微小检测电极与微流体流量调节装置集成为一体，可以提高牛奶体细胞数的检测精度，并降低检测成本，实现牛奶体细胞数的在线定量检测。

Description

基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置及方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，涉及一种牛奶体细胞在线电检测装置及方法。

背景技术

微流控技术在化学、材料、生物、医学以及食品等多个学科领域都具有重要应用。特别地，在食品科学中，由于牛奶体细胞数是反映牛奶品质和奶牛健康程度的一项重要指标，如何快速而准确的检测牛奶的动物体细胞数，对于保证牛奶品质和监测奶牛健康具有重要意义。目前，牛奶体细胞数的检测方法主要分为直接检测法和间接检测法。直接检测法最典型的是荧光显微镜计数法，该方法需要对细胞进行荧光标记，然后基于计算机视觉，通过图像处理完成牛奶体细胞数的在线检测。直接检测法需要显微镜、高速相机等昂贵的测量设备，检测成本很高。间接检测法主要采用检测试纸，通过测量牛奶的pH值，间接获得牛奶体细胞数，该方法只能估算牛奶体细胞数的大致范围，不能得到体细胞数的精确值。因此，目前常用的牛奶体细胞数在线检测技术，主要存在两大缺点：1）操作过程复杂，检测成本高：检测前，需要对牛奶体细胞进行荧光标记，检测过程中，需要采用显微镜、高速相机等光学设备采集图像，并通过在线图像处理获得牛奶体细胞数。2）检测精度低：为了降低检测成本，采用测量牛奶的pH值等方法间接获得牛奶体细胞数，难以实现牛奶体细胞数的定量检测。

发明内容

为了解决目前常用的牛奶体细胞数在线检测技术存在的上述缺点，本发明提供了一种基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置及方法。本发明将微流控芯片、微小检测电极与微流体流量调节装置集成为一体，可以提高牛奶体细胞数的检测精度，并降低检测成本，实现牛奶体细胞数的在线定量检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，包括供气气源、减压阀、第一压力传感器、第一液体容器、第一节流阀、第二压力传感器、第二液体容器、第二节流阀、T型微流道、微小检测电极、电容传感器和微处理器，其中：

所述减压阀的气体入口与供气气源的出口连通，减压阀的气体出口与第一液体容器、第二液体容器的气体入口连通；

所述第一液体容器的液体出口与第一节流阀的液体入口相连，第二液体容器的液体出口与第二节流阀的液体入口相连；

所述第一节流阀的液体出口与T型微流道的第一入口连通，第二节流阀的液体出口与T型微流道的第二入口连通；

所述微小检测电极成对布置于T型微流道第一入口和第二入口交汇处与T型微流道出口之间的微流道的上、下两侧；

所述微小检测电极的电容信号输出端与电容传感器的电容信号输入端相连；

所述电容传感器的电容信号输出端与微处理器的电容信号输入端相连；

所述第一压力传感器和第二压力传感器的气体压力信号输出端与微处理器的压力信号输入端相连；

所述微处理器的控制指令信号输出端与第一节流阀和第二节流阀的控制指令信号输入端相连。

一种利用上述装置在线电检测牛奶体细胞的方法，包括如下步骤：

一、供气气源经过减压阀进入盛有牛奶的第一液体容器和盛有硅油的第二液体容器中，由第一压力传感器和第二压力传感器测量第一液体容器和第二液体容器的气体驱动压力；

二、随着气体驱动压力增大，牛奶和硅油两种不相容液体在气压驱动下流入T型微流道，牛奶与硅油在T型微流道的交汇处相遇，通过两相液体的相互挤压和剪切作用，在T型微流道中形成离散的牛奶液滴，通过微处理器发出指令信号，改变第一节流阀和第二节流阀的阀口开度，调节牛奶液滴的形成速度，使得牛奶液滴长度变化范围为50～200 µm；

三、当牛奶液滴经过微小检测电极时，微小检测电极两端的电容值增大，电容传感器测量微小检测电极两端的电容，由数据采集卡读取电容值，并将电容值实时传送给微处理器，经过信号处理后获得牛奶体细胞数。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1）操作过程简单：检测前不需要对牛奶体细胞进行荧光标记，只需要将一定体积的牛奶溶液装入液体容器即可，简化了牛奶体细胞的预处理过程。

2）检测成本低：由于电检测方法不需要采用显微镜、高速相机等光学设备采集图像，对检测装置要求低，降低了检测成本。

3）检测速度快：电检测方法通过在T型微流道两侧布置多对微小检测电极，实时测量微小检测电极输出的电容信号获得牛奶体细胞数，不需实时采集牛奶体细胞图像并进行图像处理，且图像处理过程较为复杂、耗时长，电检测方法可实现牛奶体细胞数的在线快速测量。

4）检测精度高：由于微小检测电极具有较高的电容测量精度和灵敏度，当T型微流道中的牛奶液滴经过微小检测电极时，检测电极两端的电容值增大，通过微处理器实时采集检测电极输出的电容信号，可实现牛奶体细胞数的在线定量检测，提高牛奶体细胞数的测量精度。

附图说明

图1是本发明所述基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置的工作原理图；

图2是具体实施方式二微小检测电极与T型微流道的位置分布图；

图3是具体实施方式三牛奶体细胞数电检测的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置由供气气源1、减压阀2、第一压力传感器3、第一液体容器4、第一节流阀5、第二压力传感器6、第二液体容器7、第二节流阀8、T型微流道9、微小检测电极10、电容传感器11和微处理器12构成。其中：

所述减压阀2的气体入口与供气气源1的出口连通，减压阀2的气体出口与第一液体容器4、第二液体容器7的气体入口连通；

所述第一液体容器4的液体出口与第一节流阀5的液体入口相连，第二液体容器7的液体出口与第二节流阀8的液体入口相连；

所述第一节流阀5的液体出口与T型微流道9的第一入口连通，第二节流阀8的液体出口与T型微流道9的第二入口连通；

所述微小检测电极10成对布置于T型微流道9第一入口和第二入口交汇处与T型微流道9出口之间的微流道的上、下两侧；

所述微小检测电极10的电容信号输出端与电容传感器11的电容信号输入端相连；

所述电容传感器11的电容信号输出端与微处理器12的电容信号输入端相连；

所述第一压力传感器3和第二压力传感器6检测第一液体容器4和第二液体容器7的气体驱动压力，改变气体驱动压力可以调节两相液体的流量比，以保证牛奶液滴形成稳定，第一压力传感器3和第二压力传感器6的气体压力信号输出端与微处理器12的压力信号输入端相连，微处理器12的控制指令信号输出端与第一节流阀5和第二节流阀8的控制指令信号输入端相连，由微处理器12发出指令信号，调节T型微流道9中的牛奶液滴的形成速度。

工作原理：

本实施方式由精密减压阀调定液体容器的气体驱动压力，通过改变气体驱动压力，调节流入T型微流道的液体流量。外部压缩空气经过精密减压阀进入盛有两种不相容液体（牛奶和硅油）的液体容器中，由压力传感器测量液体容器的气体驱动压力。随着气体驱动压力增大，两种不相容液体在气压驱动下流入T型微流道，牛奶与硅油在T型微流道的交汇处相遇，通过两相液体的相互挤压和剪切作用，在T型微流道中形成离散的牛奶液滴，通过微处理器发出指令信号，改变节流阀的阀口开度，可调节牛奶液滴的形成速度。由于牛奶相对介电常数大于硅油相对介电常数的十倍以上，两种液体的相对介电常数差别较大，当牛奶液滴经过微小检测电极时，检测电极两端的电容值增大，会产生一个电容脉冲信号，通过实时采集检测电极输出的电容信号，并由微处理器进行信号处理，可实现牛奶体细胞数的在线定量检测。

本实施方式能够实时测量微流道中的牛奶液滴数量，实现牛奶体细胞数的在线定量检测，对于保证牛奶质量和监测奶牛健康具有重要意义。供气气源1的供气压力大小为1～2 bar，T型微流道9中牛奶液滴长度的调节范围为50～200 µm。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一作进一步说明。电检测方法需要在T型微流道两侧布置多对微小检测电极，实时测量微小检测电极输出的电容信号获得牛奶液滴数，微小检测电极在T型微流道两侧对称分布，且T型微流道同侧相邻电极的间距保持一致，检测电极末端与T型微流道存在一定间隙，为非接触测量。

本实施方式中，所述微小检测电极宽度为200 µm，T型微流道宽度w为100 µm，检测电极末端与T型微流道的间隙c大小为20µm，相邻电极的间距d为3000 µm。

本实施方式中，所述微小检测电极距离第一入口和第二入口交汇处的距离大于3倍的牛奶液滴长度。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，为实现牛奶体细胞数的在线定量检测，电检测方法实时采集检测电极输出的电容信号，并由微处理器进行信号处理，信号处理过程包括：电容传感器测量微小检测电极两端的电容，由数据采集卡读取电容值，并将电容值实时传送给微处理器，经过信号处理后获得牛奶体细胞数。

电容传感器的测量范围为：0～4 pF，测量精度为4 fF，电容采集频率最大为100Hz。

Claims

1.一种基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述装置包括供气气源、减压阀、第一压力传感器、第一液体容器、第一节流阀、第二压力传感器、第二液体容器、第二节流阀、T型微流道、微小检测电极、电容传感器和微处理器，其中：

2.根据权利要求1所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述供气气源的供气压力大小为1～2 bar。

3.根据权利要求1所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述微小检测电极宽度为200 µm。

4.根据权利要求1所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述T型微流道宽度为100 µm。

5.根据权利要求1、3或4所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述微小检测电极末端与T型微流道的间隙大小为20µm。

6.根据权利要求1或3所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述相邻微小检测电极的间距为3000 µm。

7.根据权利要求1所述的基于微流控技术的牛奶体细胞在线电检测装置，其特征在于所述电容传感器的测量范围为：0～4 pF，测量精度为4 fF，电容采集频率最大为100 Hz。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述装置在线电检测牛奶体细胞的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

二、随着气体驱动压力增大，牛奶和硅油两种不相容液体在气压驱动下流入T型微流道，牛奶与硅油在T型微流道的交汇处相遇，通过两相液体的相互挤压和剪切作用，在T型微流道中形成离散的牛奶液滴，通过微处理器发出指令信号，改变第一节流阀和第二节流阀的阀口开度，调节牛奶液滴的形成速度；

9.根据权利要求8所述的在线电检测牛奶体细胞的方法，其特征在于所述信号处理过程包括：电容传感器测量微小检测电极两端的电容，由数据采集卡读取电容值，并将电容值实时传送给微处理器，经过信号处理后获得牛奶体细胞数。

10.根据权利要求8所述的在线电检测牛奶体细胞的方法，其特征在于所述牛奶液滴长度的调节范围为50～200 µm，微小检测电极距离第一入口和第二入口交汇处的距离大于3倍的牛奶液滴长度。