CN110770547A - 测量微小体积液体的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种确定液滴体积的方法和测试装置。该测试装置在所使用的沉积条件下，在与液体接触角已知的表面上沉积待测液滴，从而形成以下之一：(i)前进接触角，(ii)后退接触角，和(iii)中间接触角。该测试装置的获取该液滴的图像。该测试装置测量液滴的高度或直径的大小。在一个实施例中，该测试装置根据接触角与一个或多个参数之间的关系，计算液滴的体积，该参数选自液滴的最大高度、接触面的直径、液滴的曲率半径，或液滴的横截面积。

Description

测量微小体积液体的方法及装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)，要求于2017年5月5日递交的题为“METHOD ANDDEVICE FOR MEASURING MINUTE VOLUME OF LIQUID”，美国专利临时申请序列号为62/502,024的美国专利临时申请的优先权的权益，其全部内容出于任何目的通过引用并入本文。
背景技术
1.技术领域
本文公开的技术领域总体上涉及分配小液滴的装置和方法，并且更具体地涉及测量所分配的液滴的体积。
2.相关技术描述
可以通过几种方式来测量液体的体积。可以使用带刻度的量筒或移液管直接测量液体的体积。可替代地，可以测量一定量的液体的质量，然后将其除以密度以得到体积。这些方法对于小体积的液体不方便。带刻度的容器的精度受到测量过程的主观性的限制。对小体积使用质量测量法需要灵敏且昂贵的天平。这些方法不适用于快速方便的使用。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种用于分配小液滴的装置及方法，并且更具体地，提供测量所分配的液滴的体积的装置及方法。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于确定液滴的体积的方法和测试装置。在一个实施例中，测试装置在所使用的沉积条件下，将待测液体的液滴沉积在与液体具有已知的接触角的表面上，从而形成以下之一：(i)前进接触角，(ii)后退接触角，和(iii)中间接触角。
在另一个实施例中，该测试装置对液滴成像。在另一个实施例中，该测试装置测量液滴的高度或直径的大小，或上述两者的大小。在另一个实施例中，该测试装置根据接触角与一个或多个参数的关系来确定液滴的体积，该参数选自由以下项目组成的组：液滴的最大高度、接触面的直径、液滴的曲率半径，和液滴的横截面积。
在下文示出的实施例中更充分地解释了这些特征和其他特征。应该理解，通常，一个实施例的特征也可以与另一实施例的特征结合使用，并且这些实施例并不意图限制本发明的范围。
附图说明
本发明的各种示例性实施例将在下面的具体实施方式中，结合附图，逐一清楚说明，其中：
图1示出了根据一个或多个实施例的在液滴与表面之间形成的接触角的图，该接触角是表面与液滴在与该表面接触的点处的切线之间的夹角；
图2示出了根据一个或多个实施例的获得表面上的液滴的体积的方法的流程图；及
图3示出了根据一个或多个实施例的用于确定液体在测试物上的接触角的测试装置的框图。
具体实施方式
当液滴落在表面上并使其达到平衡时，其形成对称形状，该对称形状由以下几种力的平衡确定：液体表面张力、固体表面能、作用在液体上的重力，以及液体与该液体处于其上的表面之间的吸引力强度。如果液滴很小，则重力相对于表面张力和界面张力很小，可以忽略不计。在这种情况下，液滴呈球形，并且液滴的形状由接触角θ限定。这是在液滴与表面的相交点处的切线与该表面之间的夹角。接触角定义为由液-固界面和液-气界面的交点形成的角度(通过从接触点沿液滴轮廓中的液-气界面施加切线的几何方法来获得)。固体、液体和蒸汽共存的界面被称为“三相接触线”。当液体在表面上扩散时能观察到小的接触角，而当液体粘附在表面上时能观察到大的接触角。更具体地，接触角小于90°表明表面是亲水性的，并且流体将散布在表面上较大面积；而接触角大于90°通常表明表面是疏水性的，使得流体将最小程度地与表面接触，并形成紧凑的液滴。
图1示出了表面上的小液滴的示意图。虚线表示具有与球形液滴的曲率半径R的相同的半径的圆。角度θ是接触角，d是接触面的直径，h是液滴在表面上方的最大高度，而A是液滴的最大横截面积。
接触角与液体的表面张力以及基底(substrate)表面能的关系由杨氏方程式定义：
γs＝γsl+γlcosθ (1)
其中γs＝基底表面能；
γsl＝基底-液体界面能；
γs＝液体表面张力。
除了取决于基底表面能、液体表面张力和基底-液体界面能之外，接触角还取决于液体的沉积方式。随着液体在先前不湿润的表面上缓慢前进，它确定了前进接触角。这是在给定的液体-基底对之间可以存在的最大接触角。如果润湿后，将液体从表面缓慢除去，则确定后退接触角。这是可以存在的特定的液体-基底对的最小接触角。在前进角和后退角之间的其它角度也是可能的，并取决于液体沉积的具体方式。这意味着，给定的液体和基底，该基底的表面能不变，并且将所述液体带到该表面的方法不变，则接触角将为恒定。
接触角和球形液滴的体积之间的关系是通过以下等式给定，该等式从基本的三角学得出。若液滴的基部直径和接触角是已知的：
Figure BDA0002324162620000031
若液滴的高度和接触角是已知的：
Figure BDA0002324162620000032
这些等式表明，若已知液滴在表面上的接触角并且可以同时测量液滴的高度或基部直径，则可以精确地计算液滴的体积。等式2和3很方便；液滴的几何形状、接触角和体积之间的其他关系可以用来确定其体积。一示例是从曲率半径和接触角确定液滴的体积：
Figure BDA0002324162620000033
或根据横截面积和接触角确定：
Figure BDA0002324162620000034
该方法并不限于因体积小而是成球形的液滴。若液滴足够大，使得重力引起变形，使得液滴不再球形，其它方程是可用的，虽然不能如等式(2)-(5)那样提供解析解，但仍能从接触角、液滴的尺寸以及液滴的密度，得到相当准确的估计值。
图2示出用于精确测量微小液滴体积的方法200。在一个或多个实施例中，方法200包括用液体测试表面以确定接触角，该接触角是该表面的特征，并且通过该方法使液体与该表面接触(框202)。该接触角可以是前进角、后退角，或者中间角。方法200包括在表面上沉积待测液滴，其在所使用的沉积条件下提供所述液体的已知的接触角，由此形成前进接触角、后退接触角，或中间接触角(框204)。方法200包括测量选自以下项中的一个的大小：(i)液滴的最大高度，(ii)接触面的直径，(iii)液滴的横截面积，以及(iv)曲率半径(框206)。举例来说，方法200可以包括测量液滴的高度或曲率半径，例如从侧面拍摄的图像或某种其他方便的方法得到(框208)。类似地，方法200可以包括从上方获得液滴的图像以确定接触面的平均直径(框210)。如果液滴与表面形成了>90°的接触角，并且在俯视图上的接触面是模糊的，则可以从最大液滴直径确定曲率半径。方法200包括使用适当的等式，根据体积与接触角，或者体积与高度、接触面直径、液滴的外径、曲率半径，或横截面积之间的关系来计算液滴的体积(框214)。例如，可以根据预期的接触角和等式2、3、4或5，计算体积。
在一个或多个实施例中，本发明提供了确定从测试装置分配的液滴的体积的方法，该方法包括：(a)将来自测试装置的假定体积的待测液体，以液滴的形式沉积至校准参考表面上，其中，在所使用的沉积条件下，校准参考表面提供与液滴的已知接触角；(b)与液滴形成已知的接触角，其选自由以下项目组成的组：(i)前进接触角，(ii)后退接触角，和(iii)中间接触角；(c)测量液滴的尺寸，其中所测量的尺寸选自由以下项组成的组：(i)液滴的最大高度；(ii)接触面的直径；(iii)曲率半径；(iv)横截面积；及(d)根据已知的接触角与测量的尺寸的关系计算液滴的体积。在一个或多个实施例中，该方法还包括(e)确定液滴的假定体积和计算的体积之间的差。
在一个或多个实施例中，该方法还包括(e)校正由测试装置分配的液体的体积与假定的体积之间的差。在一个或多个实施例中，对由测试装置分配的液体的体积与假定的体积之间的差异的校正，可以是通过将误差因子算入测试结果中来得到，该测试结果通过在测试表面上的测试装置得到。在一个或多个实施例中，可以通过调节由测试装置分配的液体的体积以校正该差异，来校正由测试装置分配的液体的体积与假定的体积之间的差异。
在一个或多个实施例中，通过调节相应的阀被打开的时间间隔，相应阀的打开的程度，和/或液体加压系统提供的压力(例如由压缩气体系统提供的压缩气体所限定的压力)，来调节液滴体积。
在一个或多个实施例中，测试装置包括处理器353和喷嘴阀孔口334，其被适配为使得液体分配器316被校准分配液体318，而通过在相应的阀被打开时，调节各个阀被打开的时间间隔、相应的阀被打开的程度，和/或液体加压系统提供的压力(例如由压缩气体系统提供的压缩气体所限定的压力)，根据沉积在校准参考表面上的液滴的计算体积，来将液滴的体积校准至假定的体积。
在一个或多个实施例中，已知且恒定的(consistent)接触角的校准参考表面准备以用作体积确定装置。在一个或多个实施例中，校准参考表面包括涂覆以墨水、聚合物、或其他涂料的材料，其具有恒定的预设接触角。在一个或多个实施例中，该校准参考表面包括涂覆有聚合物的基底。
在一个或多个实施例中，测试装置是用于沉积已知体积的液体的装置。在一个或多个实施例中，测试装置是用于测量液体在材料表面上的润湿特性的装置，该装置包括：液体分配组件、尺寸确定组件，和数据生成组件，其中，该液体分配组件配置为，将一定体积的液体沉积在该材料的表面上；其中，该尺寸确定组件配置为，确定沉积在表面上的液体的一个或多个尺寸；其中，该数据生成组件配置为，基于该尺寸确定组件，来分析关于材料表面上液体的体积一个或多个几何特征的信息。
由于少量污染的存在，或表面的组分和微观结构的细微差别，材料的表面在样品之间或在点之间可能有所不同。某些材料和表面制备方法提供了比其他方法更始终一致的表面能。使用标准的材料和具有一致和精确已知的接触角的表面作为校准参考，改善了技术的精度。在一个实施例中，校准参考包括聚合物膜，例如聚丙烯或聚酯。在一个实施例中，聚合物膜是廉价的和一次性的。在一个实施例中，以卷的形式或片材形式得到聚合物膜，这有助于保护待测表面不受接触或暴露而造成的污染。可以将校准参考聚合物膜进行氧化，或通过诸如火焰、电晕或等离子工艺的技术处理，以产生表面，其提供具有方便值的恒定接触角。当精心制备时，聚合物膜通常具有在几度或更小范围内可重复的接触角。在一个实施例中，预先制备的聚合物片材在5度，4度，3度，2度，1度，0.75度或0.5度或更小范围内，具有可重复的接触角。其他表面被证明是方便的，包括聚合物膜和聚合物片材、经电晕处理的聚合物膜和聚合物片材、纸、纤维或卡片纸(涂覆的或裸露的)、印刷的纸或卡片纸、覆盖以薄膜或涂层的表面，例如油漆、气相沉积涂料，或自组装的单层或多层。在一个或多个实施例中，可以在基底上使用具有已知表面特性的涂层，其中该基底选自包括以下项目的组：纸、硬纸板、盒纸板(containerboard)、塑料、玻璃纸、纺织品、木材、金属、玻璃、云母板、硝化纤维或混凝土，优选纸、硬纸板、盒纸板，或塑料。在一个或多个实施例中，该涂层可以是从由聚合物或金属组成的组中选择的一种或多种组合物。
在一个或多个实施例中，通过喷涂、喷墨印刷、胶印、苯胺印刷、丝网印刷、绘图(plotting)、接触压印、轮转凹版印刷、旋涂、反凹版涂布、狭缝涂布、幕涂、滑床涂布、薄膜印刷机、定量薄膜印刷机、刮板涂层、刷子涂层和/或铅笔(pencil)，最好通过喷墨印刷或喷涂，来施加该涂层。
使用者可以在使用前立即制备具有恒定接触角的其他方便表面，例如通过用溶剂，去污剂，研磨剂或其某种组合，清洁表面；通过使用前立即从复合材料上剥离保护层，或去除剥离层。对于这样的表面重要的特性是，具有已知的接触角和可重复的接触角。虽然可以使用具有已知的和可再现(reproducible)的接触角的任何表面，但具有更高的接触角的表面更为有利，原因有几个。如等式1所示，具有较大接触角的表面具有较低的表面能。较低表面能的表面作为体积测量装置更实用，因为它们更稳定，并且耐污染和不易与环境发生反应。
在一个实施例中，本发明已经证明了一种特别方便的方法，其使用通过印刷工艺制备的卡片纸，以提供液体接触角为约75°且标准偏差为约1°的表面。当一批这样的卡片纸被打印出来后，通过校准参考测试，方便地形成由该特定批的表面返回的平均接触角。每一批的测试都考虑了可能影响接触角的批次之间的材料或工艺变化。
具有可再现的接触角的表面，对于测量由诸如喷墨打印机或表面能测量装置之类的装置所沉积的液体的体积特别方便。一种应用涉及确认通过小阀沉积的液体的体积，以用于测量表面的润湿特性。该仪器沉积液滴，从上方对该液滴进行成像以确定接触面的平均直径或平均面积，并使用该信息以及假定的液体体积来计算接触角。然而，如果沉积的液体的体积随时间变化，例如由于机构特性的变化引起，则计算出的接触角将是错误的。定期检查和确认所沉积的液滴的体积是有价值的。通过在已知接触角的表面上沉积液滴，例如新近通过去除剥离层或通过某种其他清洁方法而暴露的复合校准参考材料的表面，或一块印有油墨的卡片纸，以形成具有恒定接触角的表面，来方便地实现这一点，然后使用上面的等式2计算精确的体积。如有需要，可以通过这种方式，确定并调整沉积的体积的精确性和准确度。
可以通过本领域技术人员已知的任何方法来测量参考表面的润湿性的参考量。润湿性可以通过接触角测角法确定。在一个实施例中，使用固着(或静态)液滴测量来确定润湿性。在另一实施例中，使用前进接触角和/或后退接触角测量，来确定润湿性性，该接触角测量可选地使用Wilhelmy平衡来测量。在一个实施例中，可以使用以下两种仪器和步骤来确定校准参考材料的前进接触角和后退接触角：
(a)张力计测试法。如本文所使用的张力测定法是，用于测量表面的接触角和润湿性的方法的集合，并且涉及当固体与测试液体接触时的相互作用力的重力测量(Wilhelmy方法)。这些相互作用力是动态量，反映的是整个浸没物件(润湿长度)的相互作用。在将物件移入和移出测试液体时测量力。从这些测量中，可以间接地分别计算前进接触角和后退接触角(Wilhelmy方程)。在一个实施例中，Wilhelmy方法可以利用动态接触角分析仪(DCA)。
(b)测角仪测试法。如本文所用，测角法涉及固体基底上的测试液体的固着液滴的光学测试。测量每种测试液体的切线角，以直接测量接触角。取决于液滴的沉积方式，可以用测角仪确定前进接触角、后退接触角，或中间接触角。这些角度仅反映了液滴周边(接触线)下方区域施加的平均力，而不反映物体的整体体积(bulk)。这些角度计算可用于确定表面能和相应的分量。在一个实施例中，测角法涉及背光液滴，其被光学成像，并使用机器视觉算法确定在固-液接触点处由液滴所对的角度。
在一个或多个实施例中，本发明可以通过改变赋予沉积液滴的动能来确定前进接触角、后退接触角或中间接触角。在每单位体积大动能沉积的液滴形成接近后退角的接触角。在单位体积中几乎没有动能或没有动能沉积的液滴形成接近前进角的接触角。可以在前进接触角和后退接触角之间的任何位置调节沉积的动能的量。因此，可以因此调节液体沉积装置的参数，使得以每单位体积以中等范围的动能沉积液滴，从而形成在后退接触角和前进接触角之间的中点处或附近的接触角。这种方法使得具有更宽范围的表面性质的材料沉积是有用的。
在一个或多个实施例中，测试液滴应该在动能的基本上相同的沉积条件下沉积，其用于确定校准参考表面的特征(characteristic)接触角。
测角仪测试法和张力仪测试法都获得了相似的结果，其中测角仪是小面积的并且是静态测量的。在另一实施例中，可以使用包含这些溶液的达因(Dyne)溶液或达因笔。达因溶液是具有不同表面张力的化学混合物，如果表面能足够高，其将润湿表面，或者，如果表面能低于预设阈值，则将形成液珠。使用达因溶液测定的值称为该表面的润湿张力。在某些情况下，可以使用润湿张力来计算表面的特征接触角。
在一个或多个实施例中，本发明提供了一种自动或半自动的方法，用于精确地调节由装置沉积的液体的体积。如果基于假定的液体体积，置于已知接触角的表面上的液滴的直径、高度、曲率半径，或横截面积与预期值不同，则可以增加或减少沉积的液体量，直到所需的液滴直径或高度与预期值匹配。
对于总体积为0.1μl-5μl的液滴，动能的便利水平(convenient level)在约0.1μJ-10μJ的范围内。在一个实施例中，这些赋予液滴约0.5μJ-2μJ的总动能。
液体处理系统的体积流率是重要的参数，其可能难以测量和控制，特别是当流率低或流率间断时。控制低流率或间断流率重要的示例包括喷墨，或“按需滴落”("drop-on-demand")技术、印刷系统、自动组合化学装置、自动细胞培养系统和滴定仪。本发明的方法和装置可以用于医学和生物技术行业以及其他行业。用于通过装置精确调节所沉积的液体体积的一些应用实例包括，用于血液-细胞分离的装置、生化测定、化学合成、遗传分析、药物筛选、抗原抗体反应系列、组合化学、药物测试、医学和生物学诊断，以及组合化学。该方法和装置还用于电色谱、表面微加工、激光烧蚀、喷墨打印机，和机械微研磨。在这些系统中，液体流率和分配的体积会由于因素的变化而改变，例如由于夹带的空气量变化或温度变化等。依赖于液体的热导率或随流率变化的其他特性的普通的质流仪在这些情况下不起作用。在这些情况下，可以通过将液体的小液滴分配至已知接触角的表面上，并测量液滴的几何特性，例如接触面的直径，或高度，在必要时，间歇性确认流量，或确定和调整分配的体积。
在一个示例中，美国专利8,272,254描述了一种用于测量液体在表面上的接触角的装置，其通过引用整体并入本文。该设备使用阀，该阀从加压容器处获得液体，以将液滴沉积在表面上。然后，该装置获取液滴的图像，并从该图像确定接触面的直径。然后根据液滴的面积或直径和假定的液体体积计算接触角，假定的液体体积事先通过直接测量液体质量而确定。如果实际液体量与假定的液体量不同，则计算的接触角将是错误的。这种情况会发生在，当在重新填充操作期间无意地将气泡引入系统中时，或可能是由于溶解的空气从溶液中逸出时。
可以通过在给定沉积条件下，在表面上沉积液滴，其返回已知的接触角来确认精度，例如，一块用墨水印刷过的卡片纸，其给出了一致且已知的接触角。通过仪器计算接触角，并假设原始液滴质量。可以在测试表面上进行多次测量取平均以提高精度。如果计算的接触角与打印后的卡片纸表面上的预期接触角相比有误差，则仪器可以改变用于计算接触角的液滴体积的值，也可以通过调节液滴沉积参数来调整沉积的液滴的体积。可以根据需要经常重复该过程，以获得沉积体积的准确性的任何置信水平。
图3示出了测试装置300，该测试装置300用于基于液滴302在测试物306的表面304上的已知接触角，来快速确定体积。特别地，测试装置300测定液滴302的一个或多个几何特征，例如其高度、横截面积、曲率半径，或直径。尽管可以测量任何体积的液滴的尺寸，但是已经发现有利的是使用尺寸在0.1毫米至10毫米大小的液滴。在一个实施例中，液滴尺寸为0.5毫米至5毫米的大小。在一个实施例中，测试装置300被结合在手持式壳体308内以形成测试装置310。在一个实施例中，单个手持式装置可以非常方便地用于在不同表面上的生产环境中，或用在不同取向的结构中。
测试装置310将图像传感器312，例如带有伸缩光学器件的摄像机，定位在表面304的已知有利位置处。该测试装置310可以包括位置确定组件314，其为表面304提供物理参考或感测参考。液体分配器316将液体318以液滴320的形式，沿着轨迹朝向表面304分配，以形成并向液滴302赋予可控制量的能量。例如，液体318可以包含在液体容器322中，该液体容器322由蠕动泵324通过液体分配器316的孔326推动，该孔的大小可产生选定体积并处于选定速度下的液滴320。
在一个或多个实施例中，从加压容器供应液体，该加压容器能够以期望的能量将液体推出阀。
在一个或多个实施例中，该测试装置300包括喷嘴阀孔口334，其具有适于选择性地阻挡液体并允许液体流过该孔的阀。在一个或多个实施例中，处理器353和喷嘴阀孔口334适配为，使得液体分配器316以小于约50μl/s、45μl/s、40μl/s、35μl/s、30μl/s、25μl/s、20μl/s、15μl/s，或10μl/s，或更小的流率，将液体318以液滴的形式分配至测试表面。在另一实施例中，处理器353和喷嘴阀孔口334适配为，使得液体分配器316以大于约0.1μl/s、0.5μl/s、1μl/s、1.5μl/s、2μl/s、2.5μl/s、3μl/s、4μl/s，或5μl/s或更高的流速，将液体318以液滴的形式分配至测试表面。
在一个或多个实施例中，可以由处理器353来控制流率，例如，通过控制和调节阀的打开的程度，和/或控制和调节液体加压系统提供的压力(例如，压缩气体系统提供的加压气体所限定的压力)。在一个或多个实施例中，处理器353适配为，针对每个测试装置，通过调节相应的阀被打开的时间间隔、相应阀的打开程度，和/或液体加压系统提供的压力(例如，压缩气体系统提供的加压气体所限定的压力)，来调节液滴的体积。在一个或多个实施例中，处理器353适配为，针对每个液体分配器，通过调节相应的阀被打开时的时间间隔、相应阀的打开程度，和/或液体加压系统提供的压力(例如，压缩气体系统提供的加压气体所限定的压力)，根据沉积在校准参考面上的液滴的计算的体积，自动校准液滴的体积。
液体分配器316可以控制液滴320的能量。高动能产生后退接触角，而低动能产生前进接触角。最小量的动能是必要的，以补偿沿着轨迹的空气阻力和重力效应，以将足够的能量赋予液滴302并获得期望的接触角。例如，可以通过喷嘴阀孔口334的尺寸来控制动能。对于另一个示例，可以通过蠕动泵324施加的可变压力的量来控制动能。已经证明，在0.1磅每平方英寸(psi)至10psi或更高psi范围内的压力是合适的。在一个示例性实施例中，喷嘴具有直径为0.003-0.007英寸的蓝宝石孔口。在与具有0.015英寸的不锈钢孔的不锈钢喷嘴相同的压力下，该喷嘴可实现更高的速度。
在一个或多个实施例中，测试装置还包括一个、两个，或多个液体分配器，每个液体分配器与液体容器装置流体连通，更具体地与液体容器装置的至少一个液体容器流体连通。每个这些液体分配器被适配并设置为，用于将储存在液体容器装置中的液体的液滴施加至测试表面的表面上。在设置两个或更多个液体分配器的情况下，它们可联接至液体容器装置，以使得它们将相同的液体施加至表面上的不同位置，例如，以确定表面性质的变化，或者它们可联接至储存不同液体的液体容器装置的不同液体容器。
可以与本文描述的装置和方法一起使用的示例性液体，是水、二甲基亚砜(DMSO)、甲酰胺(formamide)与乙二醇单乙醚(glycol monoethyl ether)的混合物、水和乙醇的混合物，以及其他具有所期望的润湿特性的液体。在一个实施例中，将去离子超滤水用于测试目的。
在一个或多个示例性实施例中，控制环境温度、样品和测试溶液的温度，以及相对湿度。在一个实施例中，在15℃(59°F)和35℃(95°F)的最大范围以及35％至70％的相对湿度的最大范围内进行测试。在另一实施例中，在20℃至25℃和40％至60％RH的最大范围内进行测试。
成像传感器312可以被定位成测量液滴302的体积、高度、基部直径，和曲率中的一个或多个参数。数据生成器340分析液滴302的图像345a，345b，一个或多个参数，其选自由以下项目组成的组：液滴302的高度、液滴302的基部直径，和液滴302的曲率。基于该分析，数据生成器340基于已知的接触角和测量的尺寸，来计算液滴302的体积。在一个实施例中，该测试装置310还包括照明器346，例如激光器。数据生成器340通过成像传感器312通过利用该照明器346照射液滴302，来测定液滴302的几何特征。
该测试装置314还可以包括附加的照明源，例如发光二极管(LED)、激光器、荧光灯、白炽灯、频闪灯、照相机闪光灯，或其他合适的光源，用于照明材料表面上的液体。该照明源可以被结合至壳体320中，或者可以与壳体320分离。
测试装置314可以由单个致动装置操作，或者在需要时，可以添加附加致动装置或用户界面350，其包括视觉显示装置351和听觉信号装置352，以控制该装置或输入数据，例如样品信息或测试参数。用户界面350可以包括触摸屏、小键盘、拨动开关、按钮、滚珠、滚轮、转盘(dial)、鼠标等。该测试装置314可包括处理器353，并且可选地可以完全包含在壳体320中。该测试装置314可以利用存储器354，存储装置356可以存储由测试装置314收集和生成的数据。数据生成器340可以包括表面物质检测实用程序358，其存储在存储装置356中并由处理器353执行。可以通过已知方法从装置中获取存储的数据，例如无线传输至远程装置、存储在可移动介质(未示出)，如拇指驱动器或存储芯片上，以及通过电缆或扩展坞(未示出)。存储的数据可以具有多种用途，例如用于质量控制和遵从制造的标准和规定。
处理器353被适配为控制并且优选地自动控制液体加压系统的操作，特别地，控制加压液体所使用的压力，或控制施加至加压液体的压力，以及，针对每个液滴定量分注装置，控制相应的喷嘴阀孔口334的打开和关闭，以从相应液体管线的出口向表面以加压液体喷流的形式施加相应液体的液滴，该液滴可以有利地具有限定的液滴体积。该喷流，由液体加压系统提供的压力驱动，例如由来自压缩气体系统的加压气体驱动，可以根据有关液体的性质以及流的参数，以连续流或多个液滴的形式输送。
处理器353可以有利地是电子组件，例如微控制器，其可以与装置的一些组件或全部剩余组件集成至公共壳体中。然而，例如，也可以将处理器353设置为单独的计算装置，例如适当编程的计算机或PC，其连接至装置的其余部分并且不与处理器的该装置的其他组件集成至公共壳体中。
测试装置314能够对微量的流体样品和试剂进行体积测量，以使手持式生物仪器和诊断工具具有更快的处理速度。该测试装置314应用于医学、制药、化学、生物学诊断、环境测试、食品测试、水质测试以及其他领域等。该测试装置314可以用于一系列抗原-抗体反应、药物测试、医学和生物学诊断，以及组合化学。系统30的其他用途包括喷墨打印机、血-细胞-分离设备、生化测定、化学合成、遗传分析、药物筛选、电色谱、表面微加工、激光烧蚀，和机械微研磨(micromilling)。该测试装置314易于制造和集成。该测试装置314已经在许多领域中使用，特别是在医学和生物技术行业中。
该装置包括壳体、液体分配组件、位置确定组件和数据生成组件。液体分配组件，在本文中也称为液体分配器，被配置为将一定体积的液体沉积在基底材料的表面上。位置确定组件被配置为获得装置相对于该表面上的液体的位置的有关信息。数据生成组件，在本文中也称为数据生成器，被配置为获取材料表面上液体体积的几何形状的有关信息。
在本发明的一个方面，该液体分配器包括将一种或多种较小体积的液体弹射(ballistic)沉积至材料的表面上，以形成待测量的液滴。本实施例包括与液体容器流体连通的喷嘴。该液体在离开喷嘴之前被加压，并且可以在容器、喷嘴中或在中间阶段被加压，例如在蠕动泵中被加压。可以通过活塞或通过诸如泵和气体填充的其他加压技术，来实现对容器的加压。喷嘴可以在打开状态和关闭状态之间通过电致动，使得在打开状态下，加压液体通过喷嘴分配至材料的表面上，而在关闭状态下，不分配液体。本实施例分配多个较小体积的液体的脉冲，其引向该材料表面的相同位置，以形成该体积的液体。赋予液滴的能量的大小影响所形成的最终接触角。示例性的液滴速度在0.4米/秒至5.0米/秒的范围内。在一个实施例中，液滴速度在0.8米/秒至3.0米/秒的范围内。这些赋予液滴的总动能约为0.1μJ-10μJ。在一个实施例中，这些赋予液滴的总动能约为0.5μJ-2μJ。
较小体积的液体可以在大约10nl、大约50nl、大约100nl、大约200nl、大约300nl，或大约400nl的量级。以脉冲的形式提供较小的体积以达到液体的最终体积，在一个实施例中，其可以在约0.5μl至约10μl之间的范围内。在另一实施例中，液体的最终体积可以在约1μl至约5μl之间的范围内。在另一个实施例中，液体的最终体积为约2μl。可以在从大约0.01秒到大约1.0秒的相对短的时间段内，沉积该体积的液体。在一个实施例中，在约0.5秒或更短的时间内沉积该体积的液体。其他较小体积的液体和最终体积的液体以及沉积时间也可以在当前描述的装置和方法中使用。
在另一实施例中，液体分配组件是细长的中空突起部，其具有在壳体的远侧的开口，以及与该中空突起部流体连通的液体容器。可能的细长的中空突起部的例子包括注射器针头和移液管尖端。一定体积的液体从液体容器穿过该中空突起部，并在远侧开口处离开该中空突起部，在该处液体被沉积至材料的表面上。细长的中空突起部可选地可兼作赋予动能的组件。例如，中空突起部可以联接至装置，该装置能够将振动形式的动能传递给中空突起部，进而将动能传递给一定体积的液体。合适的动能赋予装置的示例是电磁换能器、压电换能器、质量偏心的电机、声学装置，以及这些装置的组合。
位置确定组件通过测量数据生成组件与材料表面之间的距离，或测量数据生成组件相对于材料表面的角度这两者中的至少一个，来确定装置相对于表面上液体的位置。位置确定组件可以像具有固定长度的机械探针一样简单，其在数据收集组件和表面上的液体之间保持固定距离。在本实施例中，机械探针接触材料的表面以保持数据生成组件的相对位置。位置确定组件还可包括点光源、激光器(未示出)，以及声学测量装置(未示出)。
使用点光源、激光器或声学测量装置作为位置确定组件，可以允许该装置精确地测量接触角或计算接触角，而无需实际接触材料的表面。点光源照亮材料表面上的区域。被照亮的区域的形状为圆锥形(conic section)。可以分析被照亮的区域的形状以及液体的体积，以计算距该表面的距离，及表面的平面与数据收集组件之间的角度(α)。点光源、激光器和声学测量装置允许构造这样的设备，该设备仅须从一定距离范围内的任何地方引向该表面，例如在大约0.25英寸至大约2英寸的范围内，或在大约0.5英寸到大约1.5英寸的范围内。装置可操作的距离范围由多种因素决定，包括，例如液体分配组件和/或数据生成组件的有效操作范围。
数据生成组件是一种能够获取材料表面上的液体的几何形状的有关信息的装置。该几何形状信息包括形状，前缘的接触角、平均接触角、直径(d)、平均直径，和/或材料表面上的液体的曲率。示例性的数据生成组件包括照相机、激光器、扫描仪，和/或声学装置。图中所示的示例性数据生成组件是照相机。在一些实施例中，数据生成组件和位置确定组件可以被包括在同一元素中。例如，激光器或声学装置可以同时用作数据生成组件和位置确定组件。
该装置还可以包括附加的照明源，例如发光二极管、荧光灯、白炽灯、频闪灯、照相机闪光灯，或其他合适的光源，以照亮材料表面上的液体。照明源可以被结合至壳体(未示出)中，或者可以与壳体分离。
该装置可以由单个致动装置来操作，或者当有需要时，可以添加附加的致动装置或用户界面来控制该装置或输入数据，例如样品信息或测试参数。用户界面可以包括触摸屏、小键盘、拨动开关、按钮、滚珠、滚轮、转盘(dial)、鼠标等。电子电路可以包括处理器，并且可选地可完全包含在壳体内。电子电路还可以存储由装置收集和产生的数据。可以通过已知方法从装置中获取存储的数据，例如无线传输至远程装置、存储在可移动介质(未示出)，如拇指驱动器或存储芯片上，以及通过电缆或扩展坞(未示出)。存储的数据可以具有多种用途，例如用于质量控制和遵从制造的标准和规定。
该装置可以进一步包括显示装置，该显示装置联接至该电子电路，用于显示包括数据和/或图像的信息。该显示装置可以包括发光二极管(其包括单个发光二极管和由发光二极管组成的屏幕)、液晶显示器，和/或计量器(gauge)。该显示装置可以位于壳体内或壳体上，或者可以位于远程装置的副(secondary)壳体内或之上，并通过电触点(未示出)、电缆和无线连接中的至少一种方式联接至电子电路的至少一部分。该显示装置可以传递被认为与装置的使用相关的任何信息，例如表面的表面能、表面上的液体体积的表示、表面上的液体体积的图像、通过指示符、失败指示符、出错消息、表面上的液体的直径、表面上的液体的平均直径、由表面上的液体形成的接触角、表面上液体的形状、该表面的润湿特性、电池电量，和容器体积。
该装置可选地可包括听觉信号装置(未示出)。该听觉信号装置可以是简单的音调或混合音，也可以是复杂的语音。该听觉信号装置可以例如，指示该装置正在使用中、测试成功完成或未成功完成、通过指示或失败指示、错误、该装置相对于表面的相对位置正确、电池寿命，以及容器中的剩余液体量。
可以与本文描述的装置和方法一起使用的示例性液体，是去离子水、二甲基亚砜(DMSO)、甲酰胺与乙二醇单乙醚的混合物、水和乙醇的混合物，以及其他具有期望的润湿特性的液体。
在一个实施例中，用一种以上的液体确定接触角的测量值，以便将表面能评估为多分量矢量的量，并获得更准确的表面能计算。
在一个实施例中，通过以下方式将能量赋予液滴：空气或其他气体而不是其他液滴的微爆流，以获得小于前进角的接触角。当能量被赋予液滴时，将形成小于前进角的接触角。如果赋予液滴足够的能量，将形成后退接触角。
测试显示装置可以包括发光二极管(其包括单个发光二极管和由发光二极管组成的屏幕)、液晶显示器，和或计量器。该显示装置可以位于壳体内或壳体上，或者可以位于副壳体或远程装置内或之上，并通过电触点、电缆，以及无线连接中的至少一种，连接至测试装置的至少一部分。该显示装置可以传递被认为与装置的使用相关的任何信息，例如表面的表面能、表面上的液体体积的表示、表面上的液体体积的图像、通过指示符、失败指示符、出错消息、表面上的液体的直径、表面上的液体的平均直径、由表面上的液体形成的接触角、表面上液体的形状、该表面的润湿特性、电池电量，和容器体积。
该装置可选地可包括听觉信号装置。该听觉信号装置可以是简单的音调或混合音，也可以是复杂的语音。听觉信号装置可以例如，指示该装置正在使用中、测试成功完成或未成功完成、通过指示或失败指示、错误、该测试装置相对于表面的相对位置正确、电池寿命，以及容器中的剩余液体量。
本文所引用的所有出版物、专利和专利申请，无论是上文还是下文，均以其整体引用的方式并入本文，其程度与每个单独的出版物、专利或专利申请均被明确地和单独地表示为已通过引用的方式合并相同。
必须注意，在本说明书和所附的权利要求书中使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”包括复数指示物，除非内容中另有明确规定。因此，例如，提及“着色剂”包括两种或更多种这样的剂。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员之一所理解的共同含义。尽管在本发明的实践中可以使用许多与本文描述的那些相似或等同的方法和材料，但是本文描述了优选的材料和方法。
如本领域普通技术人员将意识到的那样，本发明的方法和组合物显着地减少或消除和现有技术的方法和组合物相关的缺点和不足。
应该注意的是，当在本公开中使用时，术语“包括”，“包含”以及源自根词“包括”的其他派生词是开放式术语，其指定了任何所述特征、元素、整体、步骤或组件的存在，并且不旨在排除一个或多个其他特征、元素、整体、步骤、组件或其组合的存在或附加。
根据需要，本文公开了本发明的具体实施方式；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以多种形式实施。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础，以及作为代表基础，以教导本领域的普通技术人员以实质上任何适当具体结构多方面地实施本发明。
虽然显然本文公开的本发明的说明性实施例实现了上述目的，但是应当理解，本领域的普通技术人员可以设计出许多变型和其他实施方式。因此，应当理解，所附的权利要求书旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这样的变型和实施例。

Claims (17)

1.一种确定从液体分配装置分配的液滴的体积的方法，所述方法包括：
(a)将来自所述液体分配装置的待测量的假定体积的液体，以液滴的形式沉积至校准参考表面上，其中，在所使用的沉积条件下，所述校准参考表面提供与液滴形成的已知的接触角；
(b)与液滴形成已知的接触角，其选自由以下项组成的组：(i)前进接触角，(ii)后退接触角，以及(iii)中间接触角；
(c)测量所述液滴的尺寸，其中测量的所述尺寸选自：(i)液滴的最大高度，(ii)接触面的直径，(iii)曲率半径，和(iv)横截面积；及
(d)根据已知的接触角与所测量的尺寸的关系，计算所述液滴的实际体积。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤(e)确定所述液滴的假定体积与所计算的实际体积之差。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤(f)校正由所述液体分配装置分配的所计算的液体实际体积与所述假定体积之差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对由液体分配装置分配的所计算的实际液体体积与假定体积之间之差进行校正，包括：调节由测试装置分配的实际的液体体积以校正所述差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过调节一个或多个阀被打开的时间间隔、一个或多个阀的打开程度和/或由所述液体分配装置提供给分配液体的压力，来调节由所述液体分配装置分配的实际的液体体积，以校正所述差。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述液体分配装置包括用于测量液体在材料的表面上的润湿特性的装置，其包括：液体分配组件、尺寸确定组件，和处理器组件，其中，所述液体分配组件配置为将一定体积的液体沉积在材料的所述表面上；其中，所述尺寸确定组件配置为确定沉积在所述表面上的液体的一个或多个尺寸，其中，所述处理器组件配置为基于所述尺寸确定组件分析材料表面上的液体体积的一个或多个几何特征有关信息。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括：对从所述校准参考表面的多个区域测量的所述液滴的假定体积与所计算的实际体积之差求平均。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，校准参考表面包括基底，所述基底涂覆有具有恒定的预设的接触角的油墨、聚合物、金属，或其他涂料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体分配装置是用于沉积已知体积的液体的装置。
10.一种液体分配装置校准系统，包括：液体分配组件、尺寸确定组件和处理器组件；其中，所述液体分配组件配置为将一定体积的液体沉积在基底的表面上；其中，所述尺寸确定组件配置为确定沉积在所述表面上的液体的一个或多个尺寸；其中，所述处理器组件联接至所述尺寸确定组件，并配置为基于所述尺寸确定组件分析关于基底的所述表面上的液体的体积的一个或多个几何特征的信息。
11.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，测量的所述尺寸选自由以下项组成的组：(i)液滴的最大高度；(ii)接触面的直径；(iii)曲率半径，和(iv)横截面积。
12.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，根据已知的接触角与所测量的尺寸之间的关系，来计算液滴的体积。
13.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，确定所分配的液体的体积与预期的体积水平之差。
14.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，将调节信号传输至喷嘴阀，所述喷嘴阀联接至所述液体分配组件，所述信号调节一个或多个参数，以使喷嘴分配接近预期体积水平的一定体积的液体。
15.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，通过调节系统的一个或多个参数，可控地调节所述液体分配组件的操作，调节系统的一个或多个参数选自由以下项组成的组：调节一个或多个喷嘴阀被打开的时间间隔、调节一个或多个喷嘴阀打开的程度，和/或调节由液体分配装置提供给分配的液体的压力。
16.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，针对每个液体分配组件，通过调节一个或多个喷嘴阀被打开的时间间隔、一个或多个喷嘴阀打开的程度，和/或由液体加压系统提供的压力，根据沉积在校准参考表面上的液滴的计算的体积，自动校准所述液滴的体积。
17.根据权利要求10所述的液体分配装置校准系统，其中，所述处理器组件适配为，计算在所述一个或多个基底的多个区域上的测量的液体体积的平均值。
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