CN112666233B - 一种基于平面电极阵列的藻类检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，包括以下：多电极传感器阵列和微管道；所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；所述微管道包括入水口、水流道和出水口；藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。本发明的有益效果是：不但可以提供实时的检测结果，还能实现传感器的小型化和低功耗，降低制造成本，有效补充现有检测手段。
Description
技术领域
本发明涉及水质藻类检测领域，尤其涉及一种基于平面电极阵列的藻类检测系统。
背景技术
以蓝藻为代表的各类藻类过度繁殖而产生的水华现象是我国水生态安全的最主要威胁之一。现阶段常见的蓝藻检测方法有实验室分析法、遥感检测法和活体荧光分析法，但从水华防治的效果看，现有方法仍存在检测周期长、测量精度不足和成本高等不同方面问题。
发明内容
有鉴于此，面向水华防治中的实际需求，针对藻类自身生物特性和不同水华阶段其浓度差异，本发明提供一种基于平面电极阵列的藻类监测传感器，通过对电极阵列和微管道的优化设计，实现对以蓝藻为代表的藻类的浓度测量。
本发明提出的一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，具体包括以下：
多电极传感器阵列和微管道；
所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；
所述微管道包括入水口、水流道和出水口；
藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。
进一步地，所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：
S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；
S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；
S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目。
进一步地，步骤S102中，所述水体电容增加，其原理如式(1)所示：
式(1)中，C为蓝藻细胞发生极化反应后测得的整体水体电容；Cwater为极化反应前的水体电容；Ccell为极化反应后增加的水体电容；εwater为水体介电常数；εcell为极化反应后增加的等效水体介电常数；κ为所述叉指电极的电极常数。
进一步地，所述叉指电极的电极常数κ计算公式如式(2)：
其中，
s为电极对之间的间距，w为电极宽度，N为电极总数；L为电极长度；K为第一类完全椭圆积分，其计算式如式(3)：
式(2)中，k由电极形状确定，
t为积分项，dt为微元项。
进一步地，所述多电极传感器阵列还用于测量水体电导率，水体电导率的计算公式如式(4)：
式(4)中，σ为水体电导率，R为叉指电极之间的电阻。
进一步地，所述微管道的入水口和出水口尺寸与蓝藻尺寸相匹配。
进一步地，所述微管道的材料为聚二甲基硅氧烷。
所述多电极传感器阵列引出引脚与外部测量电路相连。
本发明提供的有益效果是：不但可以提供实时的检测结果，还能实现传感器的小型化和低功耗，降低制造成本，有效补充现有检测手段。
附图说明
图1是本发明一种基于平面电极阵列的藻类检测系统的结构图；
图2是非均匀电场和均匀电场下蓝藻细胞的极化反应效果示意图；
图3是本发明设计的非对称电极示意图；
图4是本发明所涉及的多电极传感器阵列样品；
图5是本发明所涉及的与多电极传感器阵列样品相适应的微管道结构；
图6是多电极传感器阵列样品与微管道封装后的示意图；
图7是微管道结构的平面设计示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，包括以下：
多电极传感器阵列和微管道；
所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；
所述微管道包括入水口、水流道和出水口；
藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。
所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：
S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；
请参考图2，图2是非均匀电场和均匀电场下蓝藻细胞的极化反应效果示意图；图2左半部分为非均匀电场。图2右半部分为均匀电场；在均匀电场下，细胞极化仅体现出电容效应，而在非均匀电场下，细胞除了电容效应之外，还因为各部位受电场力的不同，而产生细胞运动，形成了电阻效应。
请参考图3，根据蓝藻细胞的极化反应，图3是本发明设计的非对称电极示意图；图3上半部分为非对称叉指电极剖面图；图3下半部分为非对称叉指电极平面图；
S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；
S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目。
单个蓝藻细胞一般直径在几微米到十几微米的范围内，当外加电场作用于细胞时，细胞内的自由离子受电场影响，根据自身电荷性质沿电场方向或朝与电场相反的方向移动，并最终受限于细胞膜而积聚于细胞内部边沿。虽然这些离子本身不能离开细胞，但由于库伦定律，它们会吸引细胞外水体中的异性电荷积累在细胞膜的外侧，形成类似电容的结构，从而增加所在水体的总电容，这种现象也称为细胞的极化。
假设所用的电极为平行电极，其相对面积为A，电极间水体厚度为d，其电容可表示为
其中ε为水体的介电常数，通常为定值，发生细胞极化效应时，等效于增加水体介电常数，继而增加整体电容。
由于增加的电容与蓝藻浓度存在正相关关系，因此通过测量电容，就可以评估蓝藻数目。
具体如下，假设标准水样中蓝藻含量为Npre，所测电容值为Cpre,纯净水中所测电容值为Cpure，则实际工作中，对待评估水样测得其电容值为Csample，则其蓝藻含量Nsample，依据以下公式计算
即
其中Csample为实测值，Npre，Cpre和Cpure均为传感器制造后的校准环节中所获固定参考值，不受之后实验影响。
对应在本发明中，本发明采用的为叉指电极，其电极常数可以根据蓝藻的尺寸进行相应匹配；
则步骤S102中，所述水体电容增加，其原理如下所示：
式中，C为蓝藻细胞发生极化反应后测得的整体水体电容；Cwater为极化反应前的水体电容；Ccell为极化反应后增加的水体电容；εwater为水体介电常数；εcell为极化反应后增加的等效水体介电常数；κ为所述叉指电极的电极常数，在电极选用平行电极的情况下，电极常数为
所述叉指电极的电极常数κ计算公式如下：
其中，
s为电极对之间的间距，w为电极宽度，N为电极总数；L为电极长度；K为第一类完全椭圆积分，其计算式如下：
式中，k由电极形状确定，
t为积分项，dt为微元项。
可见，叉指电极的电极常数κ如平行板电极一般是可控的，根据蓝藻的尺寸设计好电极后，可以确定其具体值，并进一步的应用于电导率，电容等电学参数的测量中。
本申请中，叉指电极的各尺寸如表1所示。
表1电极阵列尺寸参数和蓝藻细胞尺寸匹配参考值
| 编组 | 指宽W | 间距S | 指长L | 指数N |
| 1 | 0.1mm | 0.1mm | 30mm | 40 |
| 2 | 0.2mm | 0.2mm | 30mm | 20 |
| 3 | 0.5mm | 0.5mm | 30mm | 10 |
| 4 | 0.5mm | 2mm | 30mm | 4 |
本实施例中，通过四组传感器电极，可以相应的获得四个蓝藻浓度，最终结果以其中最高的两个浓度取平均值而得。该计算方法一方面是因为所测浓度越高，说明传感器电极与水体中蓝藻形态耦合越好，另一方面是通过平均值可以减少由单组电极测量所造成的潜在误差。
本领域技术人员可以根据其他实际需求，设计其他不同的参数，这里仅为解释说明，不用于限定；
微管道能对传感器电极进行初步封装，为所测水体与电极构建接触的渠道和场所，其一方面能将水体进行初步过滤再传输至电极，排除部分干扰，另一方面可以配合输水管和水泵等外部设备，增加并量化传感器的所测水样。
请参考图4-图6，图4-6为电极与微管道连接关系图；
图4是本发明所涉及的多电极传感器阵列样品；其由电极部分和透明的衬底部分组成，其中电极又可根据其功能分为测量电极部分和引出焊盘部分。图4中，中间部分即为电极部份，而上下两侧对应的即为引出的焊盘部分；
图5是本发明所涉及的与多电极传感器阵列样品相适应的微管道结构；图4中左侧和右侧单独凸起的部分分别为入水和出水口，入水口和出水口与其下方的镂空部分相连，共同形成水流通道，出入水口的尺寸参考藻类和干扰物质体积设计。
图6是多电极传感器阵列样品与微管道封装后的示意图，通过微管道结构对电极实现了封装，引出电极部分可以根据测量电路改成SMA等各类接口。
在传感器电极参数和微管道结构基本确定后，可以通过改进微管道材料提升结构性能。
聚二甲基硅氧烷PDMS俗称硅橡胶，是微流控芯片中最常用的微流材料，其成本低廉、易于造型，不易损坏。
请参考图7，图7是微管道结构的平面设计示意图；
基于PDMS的微管道可以通过光照、刻蚀、显影等微流控加工工艺制作。PDMS基片在氧等离子体中氧化后，与电极衬底封合，外涂环氧树脂并在内上打孔，提供液体通路。
传感器为了更好地检测蓝藻，会以电极阵列方式存在，而对于电极阵列，同样可以建立微管道结构。
将多个传感器排列于微管道中，引出其电极引脚用于外部测试电路。考虑到辅助电极能够在某些条件下提升传感器性能，故也可将辅助电极集成于微管道结构中。通过将水体注入口和流出口与水泵相连，可以加快所测水体流经电极的速度，从而增加所测水量，提升检测准确性。由于微管道结构的加入，可能会对电极的检测结构和所测水体成分造成影响，因此需要对微管道封装后电极阵列的重新校准。
校准需要进行水体电导率的测量，本申请中所述多电极传感器阵列还用于测量水体电导率，水体电导率的计算公式如下式：
式中，σ为水体电导率，R为叉指电极之间的电阻。
最后，对本发明所涉及的内容进行总结如下：
本发明以藻类为测量对象，蓝藻为核心目标，基于经典的叉指电极结构进行电极设计。
根据蓝藻细胞的单体形态和其在不同浓度区间的空间分布状态，设计一组宽度和间距不等的叉指电极用于不同状态下的蓝藻测量；
依据蓝藻在均匀电场和非均匀电场下的运动模式和等效电效应，设计对称和非对称的电极组合；
考虑到无机物离子的普遍存在，设计针对电导率的测量电极；
最终，形成由一系列电极测量组成的传感器阵列，对不同浓度下的蓝藻进行全面测量。
在电极阵列基础上，借鉴微流控芯片中流体控制理念，设计微管道保障传感器的测量效果。
参考蓝藻和主要干扰物质的几何尺寸和生物形态等特征，设计适合蓝藻的管道结构和过滤结构，对蓝藻和主要干扰物进行分离。
微管道在几何尺寸和造型与电极阵列相适应，一方面保障蓝藻与电极的充分耦合，确保传感器的检测性能；另一方面排除体积较大的干扰物质和其他污染物质与电极直接接触，保障传感器的稳定性。
本发明通过传感器电极参数的设计，调整传感器的检测范围，可以覆盖不同藻类形态和体积。
本发明提供的有益效果是：不但可以提供实时的检测结果，还能实现传感器的小型化和低功耗，降低制造成本，有效补充现有检测手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，其特征在于：具体包括：
多电极传感器阵列和微管道；
所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于水流道中，用于测量水体电容；
所述微管道包括入水口、水流道和出水口；
藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出；
所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：
S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；
S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；
S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目；
步骤S102中，所述水体电容增加，其原理如式(1)所示：
式(1)中，C为蓝藻细胞发生极化反应后测得的整体水体电容；Cwater为极化反应前的水体电容；Ccell为极化反应后增加的水体电容；εwater为水体介电常数；εcell为极化反应后增加的等效水体介电常数；κ为所述叉指电极的电极常数；
所述叉指电极的电极常数κ计算公式如式(2)：
其中，
s为电极对之间的间距，w为电极宽度，N为电极总数；L为电极长度；K为第一类完全椭圆积分，其计算式如式(3)：
式(2)中，k由电极形状确定，
t为积分项，dt为微元项；
所述多电极传感器阵列还用于测量水体电导率，水体电导率的计算公式如式(4)：
式(4)中，σ为水体电导率，R为叉指电极之间的电阻；
所述微管道的入水口和出水口尺寸与蓝藻尺寸相匹配；
所述微管道的材料为聚二甲基硅氧烷；
所述多电极传感器阵列引出引脚与外部测量电路相连。
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