CN110935492A - 流体实时流速的微流控检测系统及检测方法 - Google Patents

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李美航
李扬兮
刘爱国
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    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
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    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Abstract

本发明公开了一种流体实时流速的微流控检测系统及检测方法，该系统包括可编程控制的、连接有注射器的泵1，荧光显微镜5和计算机7，还包括均匀扁平的双入口微流控芯片4，均匀扁平的双入口微流控芯片4由第一入液管9、第二入液管10和汇合通道11组成并呈Y字型管道，管道的截面呈矩形，汇合通道上设置有刻度12；均匀扁平的双入口微流控芯片4活动设置在荧光显微镜5的载物台上，计算机7分别与可编程控制的、连接有注射器的泵1和荧光显微镜5电连接。本发明的流体实时流速的微流控检测系统及检测方法，能够直接快速的测出待测流体的流速，即待测流体的实时流速，为定量研究微通道中微粒或流体的运动规律以及细胞力学行为提供基础。

Description

流体实时流速的微流控检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于微流控技术实验装置领域，涉及一种流体实时流速的微流控检测系统及检测方法。
背景技术
微流控(microfluidics)技术以其精细化、定量化的优点越来越多地被应用各个领域，除了能在微尺度的条件下观察粒子或者流体的运动之外，也因其能够为培养在微流控底部通道的细胞加载剪切力刺激而被广泛用于研究细胞生物力学。而如何测得微流控芯片内流体的流速是定量研究微通道中微粒或流体的运动规律以及细胞力学行为的关键。
目前，该领域有一些常见的在微流控通道中确定流体流速的实验方法。如将高精度的速度传感器置于微通道内，可直接测得传感器附近的流体速度，这种方法提高了微流控芯片的制作难度和成本，且传感器的存在会对微通道内的流速分布有一定的影响；而通过记录微珠等粒子在流体内随时间变化的相对位移，基于此推导出流体的速度，此类方法不仅需要往流体中添加价格昂贵的微珠，而且需要空间分辨率很高的微珠运动图像捕获设备。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种流体实时流速的微流控检测系统。
本发明的第二个目的是提供一种流体实时流速的微流控检测方法。
本发明的技术方案概述如下：
流体实时流速的微流控检测系统，包括可编程控制的、连接有注射器的泵1，荧光显微镜5和计算机7，还包括均匀扁平的双入口微流控芯片4，均匀扁平的双入口微流控芯片4由第一入液管9、第二入液管10和汇合通道11组成并呈Y字型管道，管道的截面呈矩形，第一入液管9与汇合通道11的夹角为180°，第一入液管9与第二入液管10的夹角为60°～90°，汇合通道上设置有刻度12；均匀扁平的双入口微流控芯片4的第一入液管9通过第一管道3与所述注射器连接，第二入液管10与第二管道2连接；均匀扁平的双入口微流控芯片4的汇合通道11通过第三管道8与废液回收容器6连接；均匀扁平的双入口微流控芯片4活动设置在荧光显微镜5的载物台上，计算机7分别与可编程控制的、连接有注射器的泵1和荧光显微镜5电连接。
均匀扁平的双入口微流控芯片的高为10μm～100μm，长为200μm～40000μm，第一入液管的宽为200μm～2000μm，第二入液管的宽为200μm～2000μm，汇合通道的宽为400～10000μm。
流体实时流速的微流控检测方法，包括如下步骤：
1)使用流体实时流速的微流控检测系统；
2)分别将溶液A通入到第一入液管9，将溶液B通入到第二入液管10，溶液A是注射器中充满的荧光素水溶液，通过计算机控制可编程控制的、连接有注射器的泵1使体积流量率为QA(t)，溶液B的体积流量率未知；溶液A和溶液B在均匀扁平的双入口微流控芯片中汇合，形成有明显分界线的层流；利用荧光显微镜和计算机记录下汇合通道11视野中的有明显分解线的层流荧光图像，由于通道横截面积S确定，通过公式(7)获得流体A的流速uA(t)：
QA(t)＝uA(t)S (7)
在汇合通道(11)读取溶液A和溶液B的流体宽度比值
Figure BDA0001809032650000021
通过公式(9)获得待测流体B的流速uB(t)，即待测流体的实时流速：
Figure BDA0001809032650000022
本发明的优点：
本发明的流体实时流速的微流控检测系统及检测方法，能够直接快速的测出待测流体的流速，即待测流体的实时流速，为定量研究微通道中微粒或流体的运动规律以及细胞力学行为提供基础。
附图说明
图1为均匀扁平双入口微流控芯片结构示意图。
图2为是本发明的一种流体实时流速的微流控检测系统结构示意图。
图3为本发明的一种流体实时流速的微流控检测系统中均匀扁平的双入口微流控芯片示意图。
图4为显示读取溶液A和溶液B的流体宽度示意图。
具体实施方式
本发明基于流体在微流控通道中的低雷诺数层流特性，利用已知流速的荧光素溶液流体和未知流速的待测流体进入均匀扁平的双入口微流控芯片的入液管后，读取溶液A和溶液B的流体宽度比值，通过公式(9)获得待测流体B的流速uB(t)，即待测流体的实时流速。
假设分别从第一入液管9和第二入液管10输入已知流速的溶液A溶液和待测流溶液体B溶液，由于均匀扁平的双入口微流控芯片的高度H远小于宽度W和长度L，如图1所示。假定两种溶液是粘性系数相等的牛顿流体，忽略均匀扁平的双入口微流控芯片出入口边界效应的影响，认为均匀扁平的双入口微流控芯片内流动为充分发展的层流，汇合通道内液体流动主要受压力梯度和上下平行平板摩擦力的影响，忽略侧面边界和重力的影响，通道内流体的控制方程可简化为：
Figure BDA0001809032650000031
式中，u＝u(y,t)为z方向上的流速，p＝p(z,t)为压力，t为时间，η为流体粘度，ρ为流体密度。当压力梯度
Figure BDA0001809032650000032
周期性变化时，流动腔内流体将做周期性脉动，此时流速u也按周期性变化，方程(1)的解为：
Figure BDA0001809032650000033
式中，an是n次谐波分量对应的Womersley数且
Figure BDA0001809032650000034
A(ωn)为压力梯度对应于圆频率ωn的谐波分量。根据流速表达式(2)可进一步可求出流量率Q(t)的表达式为：
Figure BDA0001809032650000035
由公式(2)和(3)可得流速u(y,t)用流量率Q(t)的谐波分量Qn(ωn)表示为:
Figure BDA0001809032650000036
在实际应用中，用于体外细胞加载剪切力和生化信号刺激的微通道几何尺寸较小，流速也很小，因此流体运动为小雷诺数流动Re<<1，且Womersley数满足，an＜＜1，则汇合通道中流速u的表达式(4)可简化为如下准定常流表达式：
Figure BDA0001809032650000041
假定已知流速的荧光素水溶液(溶液A)和待测溶液B体积流量率分别为QA(t)和QB(t)，溶液A和溶液B的流速相同且在汇合通道内沿z方向上的流速满足：
Figure BDA0001809032650000042
其中，Q＝QA(t)+QB(t)，且有
QA(t)＝uA(t)S (7)
QB(t)＝uB(t)S (8)
其中S为汇合通道的横截面积，则流速uA(t)和uB(t)满足:
Figure BDA0001809032650000043
式中，WA和WB分别为溶液A和溶液B在混合微通道内所占宽度，且W＝WA+WB。上式表明在流动腔入口处溶液A和溶液B的宽度比WA/WB可以由两溶液的流速比uA(t)/uB(t)确定。本文中定义两溶液的流速比为uA(t)/uB(t)＝(1-ε)/ε，同时将整个均匀扁平的双入口微流控芯片宽度W沿着x方向标注上总长为2的刻度，此时溶液B在均匀扁平的双入口微流控芯片宽度为εW，溶液A的宽度为(1-ε)W，这两个量决定了荧光粉溶液流入汇合通道的入口(z＝0)边界。当溶液A和溶液B进入汇合通道中后，利用荧光显微镜可获得由明显分界线的混合层流图像，在图像中可直接读出刻度值n(0≤n≤2)，由于可依据已知uA，则可推算出待测流体随时间变化的流速uB(t)。由于待测流速的测量范围是由已知流速荧光素溶液流体所决定的，即测量范围不能超过荧光素溶液流体的流速。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
流体实时流速的微流控检测系统(图2)，包括可编程控制的、连接有注射器的泵1，荧光显微镜5和计算机7，还包括均匀扁平的双入口微流控芯片4(图1，图3)，均匀扁平的双入口微流控芯片4由第一入液管9、第二入液管10和汇合通道11组成并呈Y字型管道，管道的截面呈矩形，第一入液管9与汇合通道11的夹角为180°，第一入液管9与第二入液管10的夹角为60°(也可以选用60°～90°中任意的角度，如65°、70°、75°、80°、85°、90°)，汇合通道上设置有刻度12；均匀扁平的双入口微流控芯片4的第一入液管9通过第一管道3与所述注射器连接，第二入液管10与第二管道2连接；均匀扁平的双入口微流控芯片4的汇合通道11通过第三管道8与废液回收容器6连接；均匀扁平的双入口微流控芯片4活动设置在荧光显微镜5的载物台上，计算机7分别与可编程控制的、连接有注射器的泵1和荧光显微镜5电连接。
均匀扁平的双入口微流控芯片的高为20μm，长为500μm，第一入液管的宽为400μm，第二入液管的宽为400μm，汇合通道的宽为1000μm。
流体实时流速的微流控检测方法，包括如下步骤：
1)使用流体实时流速的微流控检测系统；
2)分别将溶液A通入到第一入液管9，将溶液B通入到第二入液管10，溶液A是注射器中充满的荧光素水溶液(在显微镜下与待测溶液B清晰分辨的浓度为5μmol/mL的罗丹明6水溶液，也可以选用其它的荧光素水溶液)，通过计算机控制可编程控制的、连接有注射器的泵1使荧光素水溶液(溶液A)体积流量率为QA(t)(1mL/h)，溶液B的体积流量率QB(未知)；溶液A和溶液B在均匀扁平的双入口微流控芯片中汇合，形成有明显分界线的层流；利用荧光显微镜和计算机记录下汇合通道11视野中的有明显分解线的层流荧光图像(图4)，由于汇合通道横截面积S确定，通过公式(7)获得流体A的流速uA(t)为50m/h：
QA(t)＝uA(t)S (7)
在汇合通道(11)读取溶液A和溶液B的流体宽度比值
Figure BDA0001809032650000051
通过公式(9)
Figure BDA0001809032650000052
获得待测流体B此时刻的流速
Figure BDA0001809032650000053
即待测流体的实时流速。
均匀扁平的双入口微流控芯片的高可以选10μm～100μm中的任意数。如10μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。
长可以选200μm～40000μm中的任意数。如200μm、300μm、400μm、450μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、2000μm、3000μm、4000μm、5000μm、6000μm、7000μm、8000μm、9000μm、10000μm、20000μm、30000μm或40000μm。
第一入液管的宽可以选200μm～2000μm中任意数。如200μm、300μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm或2000μm。
第二入液管的宽可以选200μm～2000μm中任意数。如200μm、300μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm或2000μm。
汇合通道的宽为400μm～10000μm中任意数。如400μm、500μm、600μm、700μm、900μm、1000μm、2000μm、3000μm、4000μm、5000μm、6000μm、7000μm、8000μm、9000μm或10000μm、。
利用公式(7)和(9)，可以方便地测出待测流体的实时流速。

Claims (3)

1.流体实时流速的微流控检测系统，包括可编程控制的、连接有注射器的泵(1)，荧光显微镜(5)和计算机(7)，其特征是包括均匀扁平的双入口微流控芯片(4)，所述均匀扁平的双入口微流控芯片(4)由第一入液管(9)、第二入液管(10)和汇合通道(11)组成并呈Y字型管道，管道的截面呈矩形，第一入液管(9)与汇合通道(11)的夹角为180°，第一入液管(9)与第二入液管(10)的夹角为60°～90°，汇合通道上设置有刻度(12)；均匀扁平的双入口微流控芯片(4)的第一入液管(9)通过第一管道(3)与所述注射器连接，第二入液管(10)与第二管道(2)连接；均匀扁平的双入口微流控芯片(4)的汇合通道(11)通过第三管道(8)与废液回收容器(6)连接；均匀扁平的双入口微流控芯片(4)活动设置在荧光显微镜(5)的载物台上，计算机(7)分别与可编程控制的、连接有注射器的泵(1)和荧光显微镜(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的流体实时流速的微流控检测系统，其特征是所述均匀扁平的双入口微流控芯片的高为10μm～100μm，长为200μm～40000μm，第一入液管的宽为200μm～2000μm，第二入液管的宽为200μm～2000μm，汇合通道的宽为400μm～10000μm。
3.流体实时流速的微流控检测方法，其特征是包括如下步骤：
1)使用权利要求1的流体实时流速的微流控检测系统；
2)分别将溶液A通入到第一入液管(9)，将溶液B通入到第二入液管(10)，所述溶液A是注射器中充满的荧光素水溶液，通过计算机控制可编程控制的、连接有注射器的泵(1)使体积流量率为QA(t)，溶液B的体积流量率未知；溶液A和溶液B在均匀扁平的双入口微流控芯片中汇合，形成有明显分界线的层流；利用荧光显微镜和计算机记录下汇合通道(11)视野中的有明显分解线的层流荧光图像，由于通道横截面积S确定，通过公式(7)获得流体A的流速uA(t)：
QA(t)＝uA(t)S (7)
在汇合通道(11)读取溶液A和溶液B的流体宽度比值
Figure FDA0001809032640000011
通过公式(9)获得待测流体B的流速uB(t)，即待测流体的实时流速：
Figure FDA0001809032640000012
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