CN102944500A - 用于检测液体粘度的通道装置和***及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物工程领域，特别涉及微流控粘度的检测设备和技术，用于检测液体粘度的通道装置，所述通道装置的功能单元包括测量主通道和缓冲通道，所述缓冲通道与所述测量主通道连接且平行，所述缓冲通道的直径大于测量主通道的直径，所述缓冲通道的长度小于测量主通道的长度，所述测量主通道和缓冲通道为圆柱体通道；所述通道装置含有至少一个功能单元，优选集合多个所述功能单元；粘度的测定方法是基于Poiseuille定律的公式求得的；本装置为微升级装置，准确度和精确度高；本方法可重复性高，采用的试剂少，可用于牛顿流体和非牛顿流体的测定。

Description

用于检测液体粘度的通道装置和***及其应用

技术领域

本发明属于器械装置领域，特别涉及微流控粘度的检测设备和技术。

背景技术

粘度及其测量在国民经济的许多部门都有着广泛的应用，例如在石油(原油开采与输运，石油产品的质量评定、油品的混合等)、化工(油漆、涂料、粘合剂、三大合成材料——塑料、橡胶、合成纤维等)、轻工(纺织、造纸、化妆品等)、食品(奶油、巧克力、果酱等)、建材(玻璃、陶瓷、水泥等)、煤炭、冶金(熔融金属与矿渣等)等领域，粘度测量关系到控制生产流程，保证安全生产、控制与评定产品质量等方面；特别在医药领域，血液流变性(包括血液粘度，血浆粘度等)直接影响到血液流动的阻力，与人体多种生理病理过程密切相关，目前已经是脑中风、冠心病、高血压、高血脂病、动脉硬化等心脑血管疾病常用临床检测指标之一，粘度检测成为医学诊断的重要手段之一。

近年来，随着微流控芯片技术的兴起，粘度测量在科学研究上的应用也越来越受到人们的重视。微流控芯片(microfluidic chi p)是指：通过微细加工技术将微通道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件窗口和连接器等功能元件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料上；旨在将生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应，并对其产物进行分析。研究芯片内的流体流动是影响微流控芯片的设计的重要因素之一，而流体的粘度关系到通道内流体的流动的精密控制，因此，粘度测量技术也成为研究者的重点之一。

传统粘度检测方法主要有毛细管法和旋转法两种主流方法，毛细管法主要依据泊肃叶定律进行测量，常用的是重力型毛细管法(主要用于石油产品中)，以及加压型毛细管法等。毛细管法测量高分子溶液粘度是也测量高分子物质分子量的重要方法。旋转法粘度测量也是一种相对成熟的测量方法，通过检测流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速不同来确定流体的粘度。国际上有许多知名品牌公司开发了一系列旋转式流变仪广泛应用于各种工业行业中。

针对不同物质的测量要求，还有落球法、振动法、平板法、粘度杯法及在此基础上的各种改良方法。随着科学技术的发展，粘度测量方法也朝着微型化以及快速，精确的方向发展，近年来，有研究报道了许多新兴的微型粘度计设计，这些微型粘度计用量只需要微升乃至纳升级别，甚至可以测量细菌被膜的流变性质，甚至细胞液的粘度也成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘度仪，所述粘度仪是以Poiseuille定律为基础设计的微升级粘度检测装置和***，精确度高，构型简单。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

用于检测液体粘度的通道装置，所述通道装置的功能单元包括测量主通道和缓冲通道，所述缓冲通道的一端与所述测量主通道连接且平行，所述缓冲通道的直径大于测量主通道的直径，所述缓冲通道的长度小于测量主通道的长度，所述测量主通道和缓冲通道为圆柱体通道。所述通道装置含有至少一个功能单元，优选集合多个所述功能单元。

优选的，所述通道装置为微流控装置，所述测量主通道长度不少于4厘米，直径为0.15-1毫米；所述缓冲通道的直径为所述测量主通道的10-20倍。所述通道装置以透明材质制备而成，选择透明材质便于观察。当测量主通道的长度小于4厘米时，测试的结果准确度变低；所述主通道的直径选择0.15-1毫米，体现了“微量”的优势；但直径小于0.15毫米时，测试的结果准确度变低。

优选的，所述测量主通道和缓冲通道为水平通道。水平通道可以降低液体势差带来的误差。但退一步说，微量级的液体势差带来的误差本身较小。

优选的，所述测量主通道的另一端连接有张力抵消通道。

优选的，所述张力抵消通道的直径为缓冲通道的直径的0.9-1.1倍，所述张力抵消通道的长度为缓冲通道的长度的0.9-1.1倍。

优选的，所述缓冲通道的另一端连接设置有进液管。进液管的设置可避免液体遗漏到微流控粘度仪之外的辅助设备上。

优选的，所述通道装置由透明材质制成。透明材质便于观测。

含有所述的通道装置的***，所述***包括恒温装置和置于恒温装置中的通道装置，所述通道装置的缓冲通道或进液管连接有恒压驱动装置，所述缓冲通道的上方安装有视频装置。

本发明的目的之二在于提供液体粘度的检测方法，该方法是基于Poiseuille定律而来的，该方法误差小，耗费试剂小，具有很高的可重复性和高精确性。

基于所述的通道装置测量液体粘度的方法，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置内，所述标准液从所述缓冲通道流向所述测量主通道，观测所述标准液流经所述缓冲通道距离l和需要的时间t，其中，距离l记为l_标，时间t记为t_标；将待测样品以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道流向所述测量主通道，观测所述标准液流经所述缓冲通道距离l和需要的时间t，其中，距离l记为l_测，时间t记为t_测；

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标、t_标、l_测和t_测代入公式I中，求得待测样品的粘度值；所述公式I中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值η；

I。

或

基于所述的通道装置测量液体粘度的方法，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置内，所述标准液从所述缓冲通道流向所述测量主通道，观测在规定的时间t内所述标准液流经所述缓冲通道距离l，其中，距离l记为l_标；将待测样品以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道流向所述测量主通道，观测在规定的时间t内所述标准液流经所述缓冲通道距离l，其中，距离l记为l_测；

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标和l_测代入公式II中，求得待测样品的粘度值；所述公式II中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值η；

II。

进一步，步骤A中，在所述缓冲通道的上方安装用于捕获液体流动的视频装置，所述视频装置安装有录像软件，所述l_标和l_测通过视频装置监测并比较不同时间段的流体流动情况象素并计算而获得。

进一步，所述方法在恒温条件下进行。

本发明的有益效果在于：1)微流控装置采用的检测试剂少；2)本方法准确度高；3)本方法可重复性好；3)由于驱动装置可给予恒定的压力，在压力一定时，流动速度一定，切变率也一定，所以，可以检测特定切变率下的流体的粘度，可用于牛顿流体和非牛顿流体的检测；4)用摄像捕获装置测量的数据误差小；5)本装置制作工艺简单，无需借助精密仪器；6)本装置成本低；7)本装置适合于多样本检测，可最大限度降低空间、时间和温度带来的误差。

附图说明

图1为本通道装置的结构示意图。

图2为通道装置的***结构示意图。

具体实施方式

所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

微流控装置：把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。

第一部分基于泊肃叶定律的公式

泊肃叶定律：流体在水平圆管中作层流运动时，其体积流量Q与管子两端的压强差Δp(p)，测量主通道的半径r，(所述测量主通道的)长度L，以及流体的粘度值η有以下关系：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\π}{R}^{4}P}{8\mathrm{QL}}$

(公式III)；

(公式IV)；

(公式V)

(公式VI)

(公式I)

当t测＝t标时，有公式II如下：

上述公式中，S为所述缓冲通道2的截面积，v为液体(牛顿流体或非牛顿流体)在所述缓冲通道2内的平均流动速度，t为液体在在所述缓冲通道2内流动一定距离所需要的时间，l为液体在所述缓冲通道2内流动t时间的距离。

第一部分实施例1-8微流控粘度仪的制备

实施例1用于检测液体粘度的通道装置，所述通道装置5的功能单元包括测量主通道1和缓冲通道2，所述缓冲通道2与所述测量主通道1水平连接，所述缓冲通道2的直径大于测量主通道1的直径，所述缓冲通道2的长度小于测量主通道1的长度，所述测量主通道1和缓冲通道2为圆柱体通道。

实施例2作为实施例1的优选实施例，所述通道装置5为微流控装置，所述测量主通道1长度不少于4厘米，直径为0.15-1毫米；所述缓冲通道2的直径为所述测量主通道1的10-20倍。本实施例的微流控装置，主通道1长度不为6.5厘米，直径为0.2毫米；所述缓冲通道2的直径为所述测量主通道1的12倍。

实施例3作为实施例2的优选实施例，所述测量主通道1和缓冲通道2为水平通道。

实施例4作为实施例3的优选实施例，所述测量主通道1的另一端连接有张力抵消通道3。

实施例5作为实施例4的优选实施例，所述张力抵消通道3的直径和长度分别为缓冲通道2的直径和长度的0.9-1.1倍。本实施例中所述张力抵消通道3和缓冲通道2的直径和长度相同。

实施例6作为实施例5的优选实施例，所述缓冲通道2同进液管4相连。

实施例7作为实施例6的优选实施例，所述通道装置由透明材质制成，本实施例选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

实施例8

含有所述的通道装置的***，所述***包括恒温装置6和置于恒温装置6中的通道装置5(实施例7中的通道装置)，所述通道装置5的缓冲通道2或进液管4连接有恒压驱动装置，所述恒压驱动装置为U形管压力器，其使用原理可参照马诗龙等的《U形压力计的测量不确定度分析及改进》；所述缓冲通道2的上方安装有捕获液体在缓冲通道流动情况的视频装置7，所述视屏装置7有录像软件。视频装置7的上方装有光源8。

第二部分通道装置的应用

实施例9

(一)方法步骤

基于实施例8制备含有所述的通道装置的***测量水粘度的方法，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置5内，所述标准液从所述缓冲通道2流向所述测量主通道(1)，观测在规定的时间t内所述标准液(20℃条件下的水，其粘度值为1.002mPas)流经所述缓冲通道2距离l，其中，距离l记为l_标；

将待测样品(不同温度条件下的水，详见表1)以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道2流向所述测量主通道1，观测在规定的时间t内所述标准液流经所述缓冲通道2距离l，其中，距离l记为l_测。当用摄像捕获装置对l_测和l_标进行测量时，距离l通过象素进行换算，参照杨高波等编著《MATLAB图像/视频处理应用及实例》一书。除了用摄像捕获装置，常规的距离测量工具均可用于测定距离l。

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标和l_测代入公式II中，求得待测样品的粘度值；所述公式II中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值；

II。

(二)运用视屏装置测量l_标和l_测的值

详见杨高波等编著的《MATLAB图像/视频处理应用及实例》一书。或余松煜、周源华、张瑞等编著《数字图像处理》一书。

(三)结果

表1检测结果

与公布的实际粘度值相比较，本芯片的测量误差小于1％，相对误差为0.8986％。

实施例10

(一)方法步骤

基于权利要求1所述的通道装置测量液体粘度的方法，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置内，所述标准液从所述缓冲通道2流向所述测量主通道1，观测所述标准液(20℃条件下的水，其粘度值为1.002mPas)流经所述缓冲通道2距离l和需要的时间t，其中，距离l记为l_标，时间t记为t_标；将待测样品以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道2流向所述测量主通道1，观测所述标准液流经所述缓冲通道2距离l和需要的时间t，其中，距离l记为l_测，时间t记为t_测；

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标、t_标、l_测和t_测代入公式I中，求得待测样品的粘度值；所述公式I中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值；

l。

(二)运用视屏装置测量l_标和l_测的值

详见杨高波等编著的《MATLAB图像/视频处理应用及实例》一书。

(三)结果

将37℃条件下DMEM高糖培养基运用本方法进行测试，其粘度值η为0.7439毫帕秒(mPas)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.用于检测液体粘度的通道装置，其特征在于，所述通道装置(5)包括测量主通道(1)和缓冲通道(2)，所述缓冲通道(2)的一端与所述测量主通道(1)连接且平行，所述缓冲通道(2)的直径大于测量主通道(1)的直径，所述缓冲通道(2)的长度小于测量主通道(1)的长度，所述测量主通道(1)和缓冲通道(2)为圆柱体通道。

2.根据权利要求1所述的通道装置，其特征在于，所述测量主通道(1)长度不少于4厘米，直径为0.15-1毫米；所述缓冲通道(2)的直径为所述测量主通道(1)的10-20倍。

3.根据权利要求1所述的通道装置，其特征在于，所述测量主通道(1)和缓冲通道(2)为水平通道。

4.根据权利要求1所述的通道装置，其特征在于，所述测量主通道(1)的另一端连接有张力抵消通道(3)。

5.根据权利要求4所述的通道装置，其特征在于，所述张力抵消通道(3)的直径为缓冲通道(2)的直径的0.9-1.1倍，所述张力抵消通道(3)的长度为缓冲通道(2)的长度的0.9-1.1倍。

6.根据权利要求1所述的通道装置，其特征在于，所述缓冲通道(2)的另一端连通设置有进液管(4)。

7.根据权利要求1所述的通道装置，其特征在于，所述通道装置由透明材质制成。

8.基于权利要求1所述的通道装置测量液体粘度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置内，所述标准液从所述缓冲通道(2)流向所述测量主通道(1)，观测所述标准液流经所述缓冲通道(2)距离l和需要的时间t，其中，距离l记为l_标，时间t记为t_标；将待测样品以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道(2)流向所述测量主通道(1)，观测所述标准液流经所述缓冲通道(2)距离l和需要的时间t，其中，距离1记为l_测，时间t记为t_测；

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标、t_标、l_测和t_测代入公式I中，求得待测样品的粘度值；所述公式I中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值η；

I。

9.基于权利要求1所述的通道装置测量液体粘度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A标准液和待测样品的参数测量

将已知粘度的标准液以恒定压力p加入所述通道装置(5)内，所述标准液从所述缓冲通道(2)流向所述测量主通道(1)，观测在规定的时间t内所述标准液流经所述缓冲通道(2)距离L，其中，距离L记为L_标；将待测样品以恒定压力p加入所述通道装置内，所述待测样品从所述缓冲通道(2)流向所述测量主通道(1)，观测在规定的时间t内所述标准液流经所述缓冲通道(2)距离l，其中，距离l记为l_测；

B待测样品的粘度计算

将步骤A测得的l_标和l_测代入公式II中，求得待测样品的粘度值；所述公式II中，η_标为所述标准液的粘度值，为已知；η_测为所述待测样品的粘度值η；

II。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：步骤A中，所述距离l用捕获液体流动的视频装置(7)测量，所述视频装置安装有录像软件。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述方法在恒温条件下进行。

12.含有权利要求1所述的通道装置的***，其特征在于：所述***包括恒温装置(6)和置于恒温装置(6)中的通道装置(5)，所述通道装置(5)的缓冲通道(2)或进液管(4)连接有恒压驱动装置，所述缓冲通道(2)的上方安装有视频装置(7)。

Images