CN109253963A - 自驱动颗粒计数仪及其计数方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动颗粒计数仪及其计数方法。其中，自驱动颗粒计数仪，包括：微流道板，提供一微流道，供待计数的颗粒通过；两个微电极，分别在微流道的上、下方相对设置；摩擦纳米发电机，与两个微电极电性连接，输出的电信号加载于两个微电极之间；以及信号收集处理装置，收集并处理两个微电极在颗粒通过时的电脉冲信号，实现自驱动计数。该自驱动颗粒计数仪计数精度高，操作方便，制备材料来源广，经济成本低，保证了使用者的人身安全，实现了自驱动计数；并且微流道易加工，宏观上便于操作，流道堵塞易清理。
Description
技术领域
本公开属于微米尺寸的颗粒计数和微流道技术领域，涉及一种自驱动颗粒计数仪及其计数方法。
背景技术
对于微米尺寸的颗粒来说，对其数目的计量成为生命科学研究、工业、农业、诊断和其它医疗等不可缺少的部分。以细胞计数为例来说，现有的颗粒计数仪主要有两种，一种是血细胞计数仪器，基于“库尔特原理”，即电阻检测法；一种是流式细胞仪或体细胞计数仪，基于荧光流式计数器原理。
电阻检测法是在待测液体中置一微孔，在微孔的两端各加恒定电流或电压的电极，当液体中的颗粒经过微孔时，电极间的电阻就会产生瞬间的变化，进而产生电脉冲，对这种电脉冲进行计数就可得到颗粒的数量，脉冲幅度的大小表示颗粒的大小。血细胞是电的不良导体，标本稀释液为电解质溶液，能使血细胞保持在血液中的原有形状，通过各种血细胞所产生的脉冲的大小以区分不同种类的细胞。但是这种血细胞计数仪需要外接电源，这里的电源包括：恒定电压源、恒定电流源或者脉冲电源，没有外接电源，则不能进行细胞计数，这样进行测试对应的电源能耗就不可避免；另外，此类细胞计数仪制备价格高昂，市场售价几十万至几百万不等。
荧光流式计数器进行颗粒计数的方法为：细胞经荧光染色后，通过高速流动系统，细胞排成单行，逐个流经检测区进行测定。当细胞从流动室喷嘴处流出时，细胞经激光束照射产生荧光和散射光，由光电倍增管接收，转换成脉冲信号，数据经电脑处理，分辨细胞的类型并计数。这种流式细胞仪或体细胞计数仪仍然需要外部电源产生激光束，需要大量电源能耗，而且细胞计数前要经过荧光染色、流动室流出并使细胞排列等步骤，过程比较繁琐；此外，仪器的制备价格高昂，市场售价上百万。
因此，亟需提出一种能够减少能耗的自驱动的颗粒计数仪，不需要外界的电压源、电流源或脉冲电源提供驱动力，并且计数过程简单，仪器成本较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种自驱动颗粒计数仪及其计数方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种自驱动颗粒计数仪，包括：微流道板，提供一微流道，供待计数的颗粒通过；两个微电极，分别在微流道的上、下方相对设置；摩擦纳米发电机，与两个微电极电性连接，输出的电信号加载于两个微电极之间；以及信号收集处理装置，收集并处理两个微电极在颗粒通过时的电脉冲信号，实现自驱动计数。
在本公开的一些实施例中，两个微电极和微流道之间处于导通状态或者绝缘状态。
在本公开的一些实施例中，微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为微流道，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态；或者微流道板包含一封闭的中空结构，该中空结构为微流道，当微流道板的材料为绝缘材料时，两个微电极处于微流道板外侧，该微流道板使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态；或当微流道板的材料为金属材料时，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态。
在本公开的一些实施例中，微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为微流道，该微流道与两个微电极之间处于导通状态；或者微流道板包含一封闭的中空结构，该中空结构为微流道，当微流道板的材料为绝缘材料时，两个微电极处于微流道板内侧，与微流道之间处于导通状态；或当微流道板的材料为金属材料时，两个微电极设置于微流道板的内侧或外侧。
在本公开的一些实施例中，当微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为微流道时，对应微流道板的材料至少为如下材料中的一种：
金属材料、高分子材料、或无机材料。
在本公开的一些实施例中，微流道的横截面的有效尺寸供单个粒子通过，通过调节该微流道的形状及微流道长度，实现对微流道中流体的流速调节，其中，横截面的有效尺寸表示当该横截面通过颗粒时，能够通过该颗粒的最大尺寸对应的长度和宽度。
在本公开的一些实施例中，微流道横截面的有效尺寸满足：长度介于0.01μm～1cm之间，宽度介于0.001μm～0.5cm之间，面积大于1×10-5μm2；和/或微流道的长度介于1μm到100cm之间；和/或微电极的宽度介于0.01μm～500μm之间；和/或微电极的厚度大于5nm。
在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机包括：垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机、线性滑动模式的摩擦纳米发电机、以及自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机。
在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机的输出电压大于或等于0.1mV。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基于自驱动颗粒计数仪的计数方法，包括：利用摩擦纳米发电机产生的电能输出加载于微流道的两个微电极之间，通过信号收集处理装置测量在待测颗粒通过微电极过程中两个微电极之间的电信号变化，从而根据电信号变化的强度和数目判断颗粒的大小和数目，实现自驱动计数。
在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机产生的电能输出包括：周期性机械激发产生的脉冲电信号以及滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的自驱动颗粒计数仪及其计数方法，具有以下有益效果：
(1)通过结合摩擦纳米发电机和微流道技术，利用摩擦纳米发电机周期性机械激发产生的脉冲电信号或者滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号施加在微流道的两个微电极之间，通过对颗粒流过微电极之间时产生的瞬间电脉冲信号进行放大、阈值调节、甄别和计数便可以实现对流过微流道的颗粒计数，计数精度高，操作方便，制备材料来源广，经济成本低，摩擦纳米发电机高电压、低电流的特点充分保证了使用者的人身安全，无需考虑电源漏电，短路及人体接触之类的安全问题，实现了自驱动计数；
(2)微流道具有尺寸和形状微型化及易调节的优势，通过调整微流道截面尺寸可限制流道中单位体积通过的颗粒数量，通过调整微流道的整体形状及流道长度可调节流道中流体的流速；相比于现有细胞计数仪，微流道本身的尺寸(面积≥1×10-5μm2)可自动将进入流道的细胞限制在单个细胞水平，可保证细胞计数的准确性；并且微流道易加工，宏观上便于操作，流道堵塞易清理；
(3)通过设置微流道上正对的两个微电极之间有、无绝缘层，对应该颗粒计数仪有两种工作模式：当两个微电极之间不存在绝缘层时，通过观察微电极之间的电阻变化即可实现计数，当两个微电极之间存在绝缘层时，通过观察两个电极之间的介电常数的变化即可实现计数。
附图说明
图1为根据本公开一实施例的自驱动颗粒计数仪的示意图。
图2A为根据本公开一实施例的微电极之间绝缘时，微流道沿着流道方向的剖面图。
图2B为根据图2A所示的微流道沿着M-M截面剖开的剖面图。
图3A为根据本公开其它一实施例的微电极之间绝缘时，微流道沿着流道方向的剖面图。
图3B为根据图3A所示的微流道沿着m-m截面剖开的剖面图。
图4A为根据本公开一实施例的微电极之间导通时，微流道沿着流道方向的剖面图。
图4B为根据图4A所示的微流道沿着N-N截面剖开的剖面图。
图5A为根据本公开其它一实施例的微电极之间导通时，微流道沿着流道方向的剖面图。
图5B为根据图5A所示的微流道沿着n-n截面剖开的剖面图。
图6A为根据本公开一实施例的垂直分离模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
图6B为根据本公开一实施例的线性滑动模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
图6C为根据本公开一实施例的自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
【符号说明】
10-微流道板； 11-微流道；
21-第一微电极； 22-第二微电极；
31-第一绝缘层； 32-第二绝缘层；
50-摩擦纳米发电机；
51-第一摩擦层； 52-第二摩擦层；
53-第一电极层； 54-第二电极层；
60-导线； 70-信号收集处理装置。
具体实施方式
本公开提供了一种自驱动颗粒计数仪及其计数方法，通过结合摩擦纳米发电机和微流道技术，利用摩擦纳米发电机周期性机械激发产生的脉冲电信号或者滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号施加在微流道的两个微电极之间，通过对颗粒流过微电极之间时产生的瞬间电脉冲信号进行收集和处理便可以实现对流过微流道的颗粒计数，计数精度高，操作方便，制备材料来源广，经济成本低，保证了使用者的人身安全，实现了自驱动计数；并且微流道易加工，宏观上便于操作，流道堵塞易清理。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开中，术语“微流道的流道长度”表示沿着颗粒流动的方向的尺寸，“微电极的宽度”表示沿着流道长度的方向对应的尺寸。“横截面的有效尺寸”表示当该横截面通过颗粒时，能够通过该颗粒的最大尺寸对应的长度和宽度。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种自驱动颗粒计数仪。
图1为根据本公开一实施例的自驱动颗粒计数仪的示意图。
参照图1所示，本公开的自驱动颗粒计数仪，包括：微流道板10，提供一微流道11，供待计数的颗粒通过；两个微电极，分别在微流道11的上、下方相对设置；摩擦纳米发电机50，与两个微电极电性连接，输出的电信号加载于两个微电极之间；以及信号收集处理装置70，收集并处理两个微电极在颗粒通过时的电脉冲信号，实现自驱动计数。
下面结合附图，对本公开的自驱动颗粒计数仪的各个部分进行详细介绍。
本实施例中，摩擦纳米发电机50与两个微电极之间采用导线60相连接，信号收集处理装置70也采用导线60与两个微电极连接。
本实施例中，微流道板10的制备材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如PET，PMMA，PDMS，环氧树脂等；以及无机材料，例如硅，二氧化硅，玻璃等。
通过调整微流道的横截面尺寸可限制流道中单位体积通过的颗粒数量，通过调整微流道的整体形状及流道长度可调节流道中流体的流速。这里以细胞为例进行说明。
本实施例中，针对细胞尺寸进行微流道的尺寸设置，使得微流道本身的尺寸可将进入到流道中的细胞限制在单个细胞水平，与现有细胞计数仪相比，无需进行额外的细胞排列等步骤。在微流道出口或入口处横截面有效尺寸为长度在0.01μm到1cm之间，宽度在0.001μm到0.5cm之间，面积应大于1×10-5μm2。
本实施例中，微流道的流道长度没有具体限制，但应大于或等于1μm，保证颗粒实现流通，优选的，微流道长度设置在1μm到100cm之间；微流道的形状也没有具体限制，可以为：例如圆管形，长方形体型，S弯曲形，树枝状等等，只要能保证颗粒通过即可，另外，微流道的横截面形状图1中以矩形进行示意，需要说明的是，该横截面的形状不局限于矩形，还可以是圆形、椭圆形或者其他不规则形状，出于方便加工的考虑，优选规则形状。
本公开的微流道11上、下的两个微电极之间可以是导通的状态，也可以是绝缘的状态，对应两种结构：在两个微电极和微流道之间不存在绝缘层；以及在两个微电极和微流道之间存在绝缘层。
本实施例中，两个微电极分别为第一微电极21和第二微电极22，第一微电极21位于微流道的上方，第二微电极22位于微流道的下方，二者正对设置。在微流道与两个微电极之间，可同时有绝缘层，也可同时不含绝缘层，也可以其中一个微电极和微流道之间含有绝缘层，而另一个不含绝缘层，只要满足两个微电极之间实现导通或者绝缘的状态即可。
图2A为根据本公开一实施例的微电极之间绝缘时，微流道沿着流道方向的剖面图。图2B为根据图2A所示的微流道沿着M-M截面剖开的剖面图。
在一实施例中，微流道板10包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为微流道11，即微流道板10位于微流道11的左右两侧，微流道11的上、下方是开放的，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态；此时，该微流道板10的材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如PET，PMMA，PDMS，环氧树脂等；以及无机材料，例如硅，二氧化硅，玻璃等。结合图2A和图2B所示，第一绝缘层31设置于第一微电极21和微流道11之间；第二绝缘层32设置于第二微电极22和微流道11之间，当然，也可以只设置其中一个绝缘层，这里仅作为示例，不局限于此，只要使得第一微电极21和第二微电极22之间处于绝缘状态即可，从而形成电容检测计数模式。两个微电极之间形成平行板电容器，其对应电容大小可用公式C＝ζS/4πkd表示，其中C表示电容值，ζ表示两个正对的微电极之间的介电常数，k为常数，d为两个微电极之间的垂直距离，S为两个微电极正对的面积。
该电容检测计数模式为：将含有细胞的电解液注入到微流道11中，当悬浮在电解液中的细胞通过微流道11上、下正对的第一微电极11和第二微电极12之间时，两个微电极之间的介电常数ζ瞬间发生变化，则这两个正对的微电极之间的电容值也对应发生变化，瞬间会引起微电极输出的电信号变化，出现一个变化的电脉冲，利用信号收集处理装置70，收集并处理两个微电极在细胞通过时的电脉冲信号，信号处理过程包括：对脉冲信号进行放大，阈值调节，甄别和计数，即可实现对通过微流道的细胞进行计数。
在该实施例中，微流道11横截面长度介于0.01μm～1cm之间，宽度介于0.001μm～0.5cm之间；第一微电极21和第二微电极22的宽度介于0.01μm～500μm之间，第一微电极21和第二微电极22的长度可以不同，但都应保证越过微流道11，在微流道上方具有正对的部分，另外，第一微电极21和第二微电极22的正对部分的面积可以相同，也可以不同，正对的面积以二者相对重合的部分为准，优选面积相同。
本实施例中，绝缘材料包括但不限于：PDMS，硅胶，AB胶，环氧树脂，玻璃等。优选的，绝缘层厚度在0.001μm～50μm之间，但本公开对于绝缘层的厚度不作限制，在实际应用过程中，可以根据实际需要对绝缘层厚度进行适应性调整。
优选的，为保证微电极良好的导电性及粘附，第一微电极21和第二微电极22的厚度应大于5nm；另外，为保证细胞通过两个微电极之间时能够最大程度的改变两个微电极之间的介电常数或电容值大小，使得对应的电脉冲信号比较易于检测，优选的，第一微电极21和第二微电极22的宽度在0.1μm～100μm之间。
图3A为根据本公开其它一实施例的微电极之间绝缘时，微流道沿着流道方向的剖面图。图3B为根据图3A所示的微流道沿着m-m截面剖开的剖面图。
在其他一实施例中，该微流道板10包含一封闭的中空结构，该中空结构为微流道11，当微流道板的材料为绝缘材料时，两个微电极处于微流道板10外侧，该微流道板10使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态，参照图3A和图3B所示的情况，当然，也可以在微流道板10与两个电极之间再增加额外的绝缘层，起到改变初始介电常数的目的，处于简化结构以及信号灵敏度的考虑，这里不增加额外的绝缘层；当微流道板10的材料为金属材料时，为了达到绝缘的目的，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态，情况与图2A和图2B所示，只是微流道板的结构有所不同而已，这里不再作图示意。
图4A为根据本公开一实施例的微电极之间导通时，微流道沿着流道方向的剖面图。图4B为根据图4A所示的微流道沿着N-N截面剖开的剖面图。
在另一实施例中，微流道板10包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为所述微流道11，即微流道板10位于微流道11的左右两侧，微流道11的上、下方是开放的，该微流道11与两个微电极之间处于导通状态，即在第一微电极21和第二微电极22之间不存在绝缘层；此时，该微流道板10的材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如PET，PMMA，PDMS，环氧树脂等；以及无机材料，例如硅，二氧化硅，玻璃等。结合图4A和图4B所示，第一微电极21设置于微流道11的上方，第二微电极22正对第一微电极21设置于微流道11的下方，使得第一微电极21和第二微电极22之间处于导通状态，从而形成电阻检测计数模式；在该实施例中，在第一微电极21的外侧还设置有第一绝缘层31，以及在第二微电极22的外侧设置有第二绝缘层32，第一绝缘层31及第二绝缘层32的存在，是作为第一微电极21及第二微电极22的基底，防止电极在使用过程中脱落。
该电阻检测计数模式为：将含有细胞的电解液注入到微流道11中，当悬浮在电解液中的细胞通过微流道11上、下正对的第一微电极11和第二微电极12之间时，两个微电极之间的电阻瞬间发生变化，对应两个正对微电极之间的电信号(电流/电压)变化，出现一个变化的电脉冲，利用信号收集处理装置70，收集并处理两个微电极在细胞通过时的电脉冲信号，信号处理过程包括：对脉冲信号进行放大，阈值调节，甄别和计数，即可实现对通过微流道的细胞进行计数。
在该实施例中，微流道11横截面长度介于0.01μm～1cm之间，宽度介于0.001μm～0.5cm之间；第一微电极21和第二微电极22的宽度介于0.01μm～100μm之间，第一微电极21和第二微电极22的长度可以不同，但都应保证越过微流道11，在微流道上方具有正对的部分，另外，第一微电极21和第二微电极22的正对部分的面积可以相同，也可以不同，优选相同。
本实施例中，微流道长度不做限制，但应大于1μm，优选的，为保证微电极良好的导电性及粘附，第一微电极21和第二微电极22的厚度应大于5nm；另外，为保证细胞通过两个微电极之间时能够最大程度的改变两个微电极之间的介电常数或电容值大小，使得对应的电脉冲信号比较易于检测，优选的，第一微电极21和第二微电极22的宽度在0.1μm～1cm之间。
图5A为根据本公开其它一实施例的微电极之间导通时，微流道沿着流道方向的剖面图。图5B为根据图5A所示的微流道沿着n-n截面剖开的剖面图。
在其它一实施例中，微流道板10包含一封闭的中空结构，该中空结构为微流道11，当微流道板10的材料为绝缘材料时，两个微电极处于微流道板10内侧，与微流道11之间处于导通状态，参见图5A和图5B所示，此时，在实际制作器件的时候，该微流道板10相当于如图4A和图4B所示的第一绝缘层31和第二绝缘层32的作用，作为第一微电极21及第二微电极22的基底，防止电极在使用过程中脱落，同时也起到提供微流道的作用；当微流道板10的材料为金属材料时，两个微电极可以设置于微流道板10的内侧，也可以设置于微流道板10的外侧，这里仅作为说明，未于图中示意。
本公开的自驱动颗粒计数仪以摩擦纳米发电机作为自驱动电源，无需外接电压源、电流源或者脉冲电源，可利用摩擦纳米发电机收集来自水波，人体运动，振动，风等各种形式的机械能并将其转化为电能，从而加载在两个微电极之间作为信号输入。另外，摩擦纳米发电机在收集低频机械能方面也展现出独特的优势，其最大单位面积输出功率可达500W/m2，能量转化效率可达50％以上。在周期性机械激发下摩擦纳米发电机产生交流电输出，可通过该摩擦纳米发电机两个电极之间的电压(V)，转移电荷量(Q)及两摩擦层之间的位移(X)对该过程进行表征。
制备摩擦纳米发电机的原材料来源丰富，包括：天然材料及人工高分子材料等；天然材料常见的有甲壳素，丝素蛋白，蛋清，纤维素等等；人工高分子常见的有PTFE膜，Kapton膜，PLGA膜，PLA膜，PET膜，PDMS膜等，价格低廉，任意两种电负性不同的材料相互摩擦均可产生电能；而且摩擦纳米发电机装置简单、便于移动，甚至方便携带。利用摩擦纳米发电机作为自驱动电源供给，可避免常规电源带来的高成本，并且摩擦纳米发电机具有高电压(常见：几伏至上千伏)、低电流(常见：pA至μA)的特点，可以充分保证使用者的人身安全，无需考虑电源漏电，短路及人体接触之类的安全问题。
目前摩擦纳米发电机按照产生原理可分为4类，包括：垂直接触分离模式(vertical contact-separation mode)、单电极模式(single-electrode mode)、线性滑动模式(linear sliding mode)和自由摩擦层模式(freestanding triboelectric-layermode)。本公开的自驱动颗粒计数仪包括其中的3类摩擦纳米发电机，分别为：垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机、线性滑动模式的摩擦纳米发电机、以及自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机，其中，垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机输出的电信号为：电压的大小、方向均发生变化的脉冲信号；线性滑动模式和自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机输出的信号为电压的大小发生变化的脉冲信号。
图6A为根据本公开一实施例的垂直分离模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
在一实施例中，自驱动颗粒计数仪选用垂直分离模式的摩擦纳米发电机，其结构参照图6A所示，该摩擦纳米发电机50包括：第一摩擦层51；第二摩擦层52，与第一摩擦层51之间存在间距且相对设置，可接触、分离；第一电极层53，设置于第一摩擦层51外侧；以及第二电极层54，设置于第二摩擦层52外侧，其中，第一摩擦层51和第二摩擦层52的材料具有摩擦电极序差异。
本实施例中，两种摩擦层的材料具有摩擦电极序差异，可为任意不同的两种材料，包括但不限于：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如树脂类，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚四氟乙烯膜(PTFE)，Kapton膜，丝素膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
本实施例中，两个电极层的材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；无机材料，例如碳粉，碳纳米管，石墨烯等；或导电高分子材料，例如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等。
本实施例中，优选的，两个摩擦层之间的有效接触面积应大于或等于0.5cm2；为了保证检测的精度和灵敏度，优选的，该摩擦纳米发电机的输出电压应大于或等于0.1mV；在一实例中，对于摩擦纳米发电机进行周期性拍打，实现两个摩擦层的接触-分离，其中拍打频率应大于60次/每分钟，以实现要求的输出电压。
在一个实例中，自驱动颗粒计数仪中摩擦纳米发电机的第一电极层53的材料为金，第一摩擦层51的材料为经过等离子体刻蚀后的聚四氟乙烯(PTFE)膜，第二摩擦层52和第二电极层54的材料均为铝箔，铝箔厚度200μm，第一摩擦层51和第二摩擦层52的间距为1cm。其中，PTFE膜进行等离子体刻蚀是为了摩擦面积，以便增大输出电压。该摩擦纳米发电机的制备过程为：利用磁控溅射的方法，将厚度为50μm的PTFE膜的直流100W功率下溅射约100nm厚的金膜作为PTFE膜的电极层；随后用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀，在PTFE膜表面制备一层PTFE纳米柱整列，氧气(O2)，氩气(Ar)，四氟化碳(CF4)气体注入到ICP腔室内气流流速比例分别为10.0，15.0，30.0sccm，对应的等离子体(plasma)的功率密度400W，plasma离子加速功率为100W。PTFE在ICP腔室内刻蚀40s，获得纳米柱的尺寸约为1.5μm。对应的，该自驱动颗粒计数仪的微流道中的两个微电极之间绝缘，微流道使用PDMS模板法制备而成，微流道的尺寸如下：长度为5cm，宽度为10μm～20μm，高度为15μm～30μm，此微流道的尺寸每次只允许一个血细胞通过。本实例中，用线性马达对摩擦纳米发电机进行垂直方向的周期性机械拍打，频率为5Hz，输出电压介于10V～250V之间，电流介于1μA～40μA之间。将该电压、电流输出信号通过导线60连接到微流道11上面正对的两个微电极：第一微电极21和第二微电极72上。通过注射泵将含有血细胞的电解液注射到微流道中，微流道中电解液的流速介于0.1cm/s-5cm/s之间。并将有血细胞通过的两个微电极之间的电信号通过导线连接到信号收集处理装置70，此示例中，信号收集处理装置70为示波器。每当有血细胞流过微流道的两个微电极之间时，微电极电压或电流在示波器上会产生一个瞬间电脉冲，对该电脉冲信号进行放大，阈值调节，甄别和计数处理，即可对通过微流道的细胞进行自驱动计数。
图6B为根据本公开一实施例的线性滑动模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
在另一实施例中，自驱动颗粒计数仪选用线性滑动模式的摩擦纳米发电机，其结构参照图6B所示，该摩擦纳米发电机50包括：第一摩擦层51；第二摩擦层52，与第一摩擦层51接触设置，可相对滑动；第一电极层53，设置于第一摩擦层51外侧；以及第二电极层54，设置于第二摩擦层52外侧，其中，第一摩擦层51和第二摩擦层52的材料具有摩擦电极序差异。
本实施例中，两种摩擦层的材料具有摩擦电极序差异，可为任意不同的两种材料，包括但不限于：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如树脂类，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚四氟乙烯膜(PTFE)，Kapton膜，丝素膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
本实施例中，两个电极层的材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；无机材料，例如碳粉，碳纳米管，石墨烯等；或导电高分子材料，例如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等。
本实施例中，优选的，两个摩擦层之间的有效接触面积应大于或等于0.5cm2；为了保证检测的精度和灵敏度，优选的，该摩擦纳米发电机的输出电压应大于或等于0.1mV；在一实例中，该摩擦纳米发电机的两个摩擦层之间进行平移滑动速度应大于30cm/s，以实现要求的输出电压。
图6C为根据本公开一实施例的自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。
在又一实施例中，自驱动颗粒计数仪选用自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机，其结构参照图6C所示，该摩擦纳米发电机50包括：第一摩擦层51；第二摩擦层52，与第一摩擦层51接触设置，可相对旋转摩擦；第一电极层53，设置于第一摩擦层51外侧；以及第二电极层54，设置于第二摩擦层52外侧，其中，第一摩擦层51和第二摩擦层52的材料具有摩擦电极序差异。该实施例中包含两个第二摩擦层52，这两个第二摩擦层52之间存在距离，可供每一个第二摩擦层52与第一摩擦层实现自由旋转摩擦。
本实施例中，两种摩擦层的材料具有摩擦电极序差异，可为任意不同的两种材料，包括但不限于：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；高分子材料，例如树脂类，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚四氟乙烯膜(PTFE)，Kapton膜，丝素膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
本实施例中，两个电极层的材料包括：金属材料，例如金，银，铜，铁，铝等；无机材料，例如碳粉，碳纳米管，石墨烯等；或导电高分子材料，例如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等。
本实施例中，优选的，两个摩擦层之间的有效接触面积应大于或等于0.5cm2；为了保证检测的精度和灵敏度，优选的，该摩擦纳米发电机的输出电压应大于或等于0.1mV；在一实例中，该摩擦纳米发电机的两个摩擦层之间进行旋转的转速应大于5转每秒，以实现要求的输出电压。
参照上述对电容检测计数模式和电阻检测计数模式的介绍，摩擦纳米发电机为两个微电极之间提供电信号输入，这里由摩擦纳米发电机输出的电信号在不受干扰的时候是有规律、可以预测的，在有细胞(颗粒)通过两个微电极时，两个微电极之间的电容或电阻发生变化，那么对应在信号收集处理装置中收集到的电信号对应会有一个变化的电脉冲，这个变化的电脉冲的强度和数目则反映了细胞的尺寸和数目。因此，在具体应用过程中，摩擦纳米发电机可以直接将信号输出至两个微电极，也可以经过整流或者其他信号调整装置处理之后输入至两个微电极，都可以实现对细胞的自驱动计数。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于自驱动颗粒计数仪的计数方法。参照图1所示，该计数方法包括：利用摩擦纳米发电机产生的电能输出加载于微流道的两个微电极之间，通过信号收集处理装置测量在待测颗粒通过微电极过程中两个微电极之间的电信号变化，从而根据电信号变化的强度和数目判断颗粒的大小和数目，实现自驱动计数。
其中，信号收集处理装置对信号的处理过程包括：对收集到的脉冲信号进行放大，阈值调节，甄别和计数，即可实现对通过微流道的颗粒进行计数。
本实施例中，摩擦纳米发电机产生的电能输出包括：周期性机械激发产生的脉冲电信号以及滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号。
本实施例中，该自驱动颗粒计数仪适用于尺寸在微米级的颗粒，包括与细胞尺寸相当的带电颗粒或者其他微粒子等，进行计数的原理与之类似，这里不再赘述。
综上所述，本公开提供了一种自驱动颗粒计数仪及其计数方法，通过结合摩擦纳米发电机和微流道技术，利用摩擦纳米发电机周期性机械激发产生的脉冲电信号或者滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号施加在微流道的两个微电极之间，通过对颗粒流过微电极之间时产生的瞬间电脉冲信号进行放大、阈值调节、甄别和计数便可以实现对流过微流道的颗粒计数，计数精度高，操作方便，制备材料来源广，经济成本低，摩擦纳米发电机高电压、低电流的特点充分保证了使用者的人身安全，无需考虑电源漏电，短路及人体接触之类的安全问题，实现了自驱动计数；微流道具有尺寸和形状微型化及易调节的优势，通过调整微流道截面尺寸可限制流道中单位体积通过的颗粒数量，通过调整微流道的整体形状及流道长度可调节流道中流体的流速；相比于现有细胞计数仪，微流道本身的尺寸(面积≥1×10-5μm2)可自动将进入流道的细胞限制在单个细胞水平，可保证细胞计数的准确性；并且微流道易加工，宏观上便于操作，流道堵塞易清理；通过设置微流道上正对的两个微电极之间有、无绝缘层，对应该颗粒计数仪有两种工作模式：当两个微电极之间不存在绝缘层时，通过观察微电极之间的电阻变化即可实现计数，当两个微电极之间存在绝缘层时，通过观察两个电极之间的介电常数的变化即可实现计数。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仪是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种自驱动颗粒计数仪，包括：
微流道板，提供一微流道，供待计数的颗粒通过；
两个微电极，分别在微流道的上、下方相对设置；
摩擦纳米发电机，与两个微电极电性连接，输出的电信号加载于两个微电极之间；以及
信号收集处理装置，收集并处理两个微电极在颗粒通过时的电脉冲信号，实现自驱动计数。
2.根据权利要求1所述的自驱动颗粒计数仪，其中，所述两个微电极和微流道之间处于导通状态或者绝缘状态。
3.根据权利要求1或2所述的自驱动颗粒计数仪，其中：
所述微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为所述微流道，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态；或者
所述微流道板包含一封闭的中空结构，该中空结构为所述微流道，当所述微流道板的材料为绝缘材料时，两个微电极处于所述微流道板外侧，该微流道板使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态；或当所述微流道板的材料为金属材料时，在微流道板与两个微电极之间至少设置有一绝缘层，该绝缘层使两个微电极和微流道之间处于绝缘状态。
4.根据权利要求1或2所述的自驱动颗粒计数仪，其中：
所述微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为所述微流道，该微流道与两个微电极之间处于导通状态；或者
所述微流道板包含一封闭的中空结构，该中空结构为所述微流道，当所述微流道板的材料为绝缘材料时，两个微电极处于所述微流道板内侧，与微流道之间处于导通状态；或当所述微流道板的材料为金属材料时，两个微电极设置于微流道板的内侧或外侧。
5.根据权利要求3或4所述的自驱动颗粒计数仪，其中，当所述微流道板包含一上、下开放的中空结构，该中空结构为所述微流道时，对应微流道板的材料至少为如下材料中的一种：
金属材料、高分子材料、或无机材料。
6.根据权利要求1至5任一项所述的自驱动颗粒计数仪，所述微流道的横截面的有效尺寸供单个粒子通过，通过调节该微流道的形状及微流道长度，实现对微流道中流体的流速调节，其中，横截面的有效尺寸表示当该横截面通过颗粒时，能够通过该颗粒的最大尺寸对应的长度和宽度。
7.根据权利要求6所述的自驱动颗粒计数仪，其中：
所述微流道横截面的有效尺寸满足：长度介于0.01μm～1cm之间，宽度介于0.001μm～0.5cm之间，面积大于1×10-5μm2；和/或
所述微流道的长度介于1μm到100cm之间；和/或
所述微电极的宽度介于0.01μm～500μm之间；和/或
所述微电极的厚度大于5nm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的自驱动颗粒计数仪，其中，所述摩擦纳米发电机包括：垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机、线性滑动模式的摩擦纳米发电机、以及自由摩擦层模式的摩擦纳米发电机。
9.根据权利要求8所述的自驱动颗粒计数仪，其中，所述摩擦纳米发电机的输出电压大于或等于0.1mV。
10.一种基于自驱动颗粒计数仪的计数方法，包括：
利用摩擦纳米发电机产生的电能输出加载于微流道的两个微电极之间，通过信号收集处理装置测量在待测颗粒通过微电极过程中两个微电极之间的电信号变化，从而根据电信号变化的强度和数目判断颗粒的大小和数目，实现自驱动计数。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述摩擦纳米发电机产生的电能输出包括：周期性机械激发产生的脉冲电信号以及滑动、旋转式摩擦产生的连续性电信号。
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