CN110959112B - 微流体颗粒分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流体颗粒分析装置，该微流体颗粒分析装置包括通过限定从入口端到出口端的主流动方向的主通道而处于流体连通的入口和出口，该主通道由从该入口端延伸到该出口端的主通道壁限定并且具有在20μm到120μm范围内的第一截面尺寸和至少100μm的第二截面尺寸，该主通道壁在顶点处具有沿着该主流动方向延伸的开口并且通向分析区段，该分析区段具有处于5μm到50μm范围内的分析距离的表面以及用于检测颗粒的传感器***。本发明还涉及一种使用微流体颗粒分析装置检测颗粒或监测颗粒的浓度的方法。

Description

微流体颗粒分析装置
技术领域
本发明涉及一种微流体颗粒分析装置并且涉及一种使用微流体颗粒分析装置检测流体中的颗粒的方法。该装置可用于检测和量化饮用水、工业工艺流中、人工制备的液体样本中和其他类似粘度的液体(尤其是水溶液)中的细菌。
现有技术
与生物负荷监测、食品安全测试、卫生和清洁验证、饮用水监测等相关的细菌分析是这样的领域，在该领域中目前几乎没有允许检测和量化样本中的细菌的足够快速的技术以防止产品污染和由细菌水平高引起的操作停止。许多细菌测试通常需要孵育或其他耗时的富集步骤，这意味着最快的测试提供结果需要至少24小时。确实存在可以在几个小时内给出细菌水平的指示的分析方法，但是这个时间范围通常是不够的。在大多数情况下，样本必须被送到实验室。由于与让人们处理和分析样本相关联的高成本，这严重限制了测试频率。
在食品安全测试以及工业设备的卫生和清洁验证中，这意味着受感染的食品或设备通常会在操作员可获得细菌测量结果之前被装送到供应链的下一环节。这种工作流程给食品生产商带来了呈以下形式的巨大风险，即，潜在地不得不发出非常昂贵的产品召回。由于卫生条件差或受感染的产品而造成的受污染的食品每年在全球范围内导致许多人死亡和住院治疗。
对于供水公用设施，这意味着受危险细菌感染的水将在获得检测结果之前很久就被供应给了市民。细菌污染会导致感染，包括呕吐和流感样症状，这可能需要住院治疗。由于分析缓慢，通常在市民生病之前，没有发现饮用水的污染。
在医院、制药公司和其他敏感性生产设施情况下，未发现的高细菌水平会导致资源浪费、昂贵的应对措施或最终的致命后果。
因此，最终在许多行业都非常需要对细菌的改进的快速监测，其中响应时间应该是几分钟，而不是几小时或几天。
微流体装置通常用于分析并且也用于生产目的。因此，US 4,756,884描述了一种用于检测生理性流体样本中分析物的存在的分析装置。该装置使用毛细管力将样本吸入装置的内部腔室，并且毛细管流装置可以包括作为泵起作用的毛细管。
US 2010/022680提供了用于使用聚合物溶液的受控混合通过纳米沉淀来生产聚合物药物递送颗粒的微流体***。这些***代表了流体动力学流动聚焦的用途的实例。
US 2007151852提供了在第一通道段中利用压力驱动流同时在另一个连接的通道段中提供基本上电动驱动流的***。这些***具有可独立控制的流型，一个是压力驱动的，而另一个是电动驱动的。
US 2011/089328披露了一种电动微流体流式细胞仪设备。该***具有连接输入端口和输出端口的微通道。微通道具有在背离微通道的相反方向上延伸的信号和噪声检测通道，以接收环境电气噪声。
US 2010/006441披露了一种流体***，该流体***包括用于容纳液体的空间和与该空间连通的侧向腔室。侧向腔室包含电极，该电极可以用于探测、测量(例如使用阻抗)或操纵工作区中的细胞。披露了各种通道布局。
存在用于检测悬浮在液体中的颗粒(比如细菌)的几种技术。实验室中用于检测和量化液体中的细胞的常用技术是电阻抗光谱法(EIS)，在文献中也被称为阻抗流式细胞仪(IFC)。因此，例如，Cheung等人2010年的综述文章(Cytometry Part A(细胞计数法，A部分),2010,77A:648-666)总结了在微流体***中使用EIS的背景知识。
Gawad等人(Lab Chip(实验室芯片),2004,4:241-251)提出了使用EIS分析细胞的微流体流式细胞仪的理论考虑。建议对悬浮在电导率为12,880μS/cm的KCl溶液中的细胞进行表征，但未示出实际实例。
Gawad等人的工作由Cheung等人在2005年实施(Cytometry Part A(细胞计数法，A部分),2005,65A:124-132)。Cheung等人2005年研究了红细胞及其衍生成分和具有相当大小的珠(即直径约为5μm)的分化。展现了微流体装置的制造和测试，并示出了如何使用该装置来执行使用两种不同频率的EIS。该装置采用10mm/s的流量，并且细胞悬浮在高电导率的磷酸盐缓冲盐水中。
Houssin等人(IEEE 2009年传感器会议,396-399)报告了在微型装置中使用EIS用于分析具有低电导率的水中的小隐孢子虫属的寄生虫卵囊。David等人(Biotechnologyand Bioengineering(生物技术与生物工程),2011,109:483-492)提供了流式细胞术与微流体EIS之间的比较。
上述微流体EIS不适用于工业或非研究环境中的样本的分析，因为这种样本通常含有具有许多不同尺寸和性质的颗粒，可能是混合的和未知的样本组成。使用的通道尺寸很小，并且如果样本中存在较大的颗粒，则容易堵塞。
WO 2016/116535披露了一种微流体颗粒分析装置，其中来自入口的流经由入口歧管被分成旁路通道和测量通道。测量通道可以使用EIS来检测颗粒，这些颗粒可以是饮用水或其他液体中的细菌。歧管将流分开，以便在测量通道中适当使用EIS，但是***仍然容易被颗粒堵塞，特别是在测量通道的入口处。
鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种用于特别是使用EIS技术测量悬浮在液体中的颗粒、细菌和其他细胞的改进型微流体装置，。微流体装置的重复使用(无论是用于在长时间段内测量流动流中的细菌和/或颗粒，还是用于测量许多不同独特样本中的细菌和/或颗粒)对于工业应用特别相关，因为它可以显著降低成本并改进易用性，并且本发明寻求解决这个问题。
发明内容
本发明涉及一种微流体颗粒分析装置，该微流体颗粒分析装置包括通过限定从入口端到出口端的主流动方向的主通道而处于流体连通的入口和出口，该主通道由从入口端延伸到出口端的主通道壁限定并且具有在20μm到120μm范围内的第一截面尺寸和至少100μm的第二截面尺寸，该主通道的第一顶点与第二顶点相对，这些顶点在第二截面尺寸上彼此相对，主通道壁在第一顶点和/或第二顶点处具有沿着主流动方向延伸的开口，并且主通道壁沿着开口通向分析区段，该分析区段的第一表面与第二表面相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离，并且该分析区段具有用于检测颗粒的传感器***。
在第二方面，本发明涉及一种微流体颗粒分析装置，该微流体颗粒分析装置包括通过限定从入口端到出口端的主流动方向的主通道而处于流体连通的入口和出口，该主通道由从入口端延伸到出口端的主通道壁限定并且具有在5,000μm2到38,000μm2范围内的截面面积和在20μm到500μm范围的截面尺寸，该主通道壁具有沿着主流动方向延伸的开口，并且主通道壁沿着开口通向分析区段，该分析区段的第一表面与第二表面相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离，并且该分析区段具有用于检测颗粒的传感器***。
在使用中，液体流被引导通过微流体颗粒分析装置(即从入口到出口)，并且流过微流体颗粒分析装置的液体被分析以获得颗粒的含量，例如颗粒被“检测”。微流体颗粒分析装置也可以称为流式***。当随时间进行颗粒的检测时，该检测也可以称为“监测”颗粒，例如可以测量液体中的颗粒的含量。
通常，用于检测颗粒的传感器要求颗粒以有限的流量经过传感器以便检测颗粒，而提供本发明，微流体颗粒分析装置可以被设计成匹配期望的传感器。WO 2016/116535的装置具有入口歧管，该入口歧管根据两个通道各自的流动阻力将入流分导旁路通道和测量通道中。然而，为了将适当大小的流转向到测量通道中，测量通道比旁路通道小得多，并且入口歧管可能被颗粒堵塞。本发明人现已惊奇地发现，不需要入口歧管来将合适的流转向到分析区段。因此，主通道壁中沿着主流动方向延伸的开口将允许流经微流体颗粒分析装置的液体中存在的颗粒经由开口进入分析区段，因此允许检测颗粒。在优选的实施例中，微流体颗粒分析装置不包括歧管，例如主通道被分成两个或更多个分离的通道的区段。特别地，微流体颗粒分析装置不包括与测量通道分离的旁路通道。
在本发明的背景中，“歧管”是这样的通道布局，在该通道布局中通道被分成两个或更多个通道，以便将流分到两个或更多个通道中。技术人员可以根据两个或更多个通道的流动阻力容易地计算通过歧管到两个或更多个通道中的流分配。特别优选的是，微流体颗粒分析装置不包括提供从第一通道到第二通道和另外的通道的并联流体连通的歧管，其中，第二通道的截面尺寸在1μm到50μm范围内。
本发明的微流体颗粒分析装置可以在通道中包含用于操纵流动的结构。例如，在实施例中，微流体颗粒分析装置包括供应通道(例如具有在20μm到120μm范围内的第一截面尺寸和在200μm到1000μm或更大范围内的第二截面尺寸)，该供应通道被分成两个或更多个主通道，每个主通道具有至少100μm的第二截面尺寸。每个主通道优选地具有如上限定的开口和分析区段。在分析区段的下游，两个或更多个主通道可以组合成单个出口通道。在另外的实施例中，例如对应于本发明的第二方面，第二截面尺寸没有下限，例如它可以低于200μm，并且供应通道被分成两个主通道，每个主通道具有在5,000μm2到38,000μm2范围内的截面面积，并且具有在20μm到500μm范围内的截面尺寸。因此，在此实施例中，供应通道的截面面积是至少10,000μm2，使得可以将其分成截面面积是至少5,000μm2的两个主通道。
因此，微流体颗粒分析装置允许检测流动经过传感器***的颗粒，例如细菌、酵母或其他真核细胞。因为微流体颗粒分析装置不需要歧管或其他流动障碍物，所以当微流体颗粒分析装置中不存在歧管时，可以显著减少堵塞。另外，微流体装置的使用寿命因此大大延长。
主通道由从入口端延伸到出口端的主通道壁限定。主通道的截面的形状可以被自由选择，但是它通常可以由第一截面尺寸和第二截面尺寸限定。在本发明的背景下，截面通常将被限定在主流动方向的法向平面中，并且在主流动方向的法向平面中，第一截面尺寸将垂直于第二截面尺寸。例如，第二截面尺寸通常是在主流动方向的法向平面中的最大观察截面尺寸，并且第一截面尺寸可以是在主流动方向的法向平面中垂直于第二截面尺寸的任何截面尺寸。然而，也可以设想到主通道可以是圆形的，使得其可以用单个截面尺寸来描述。第二方面中，任一截面尺寸可以在20μm到500μm范围内。在本发明的背景下，“主通道壁”可以根据主通道的截面形状具有合适的任意数量的侧面。主通道壁中的开口可以在主通道壁的任何表面上。
然而，通常优选的是，主通道具有在50μm到120μm范围内的第一截面尺寸以及尽可能大的第二截面尺寸，例如至少100μm、比如至少200μm、比如至少300μm(例如在200μm到300μm范围内)、或者至少400μm。特别地，在这方面，主通道的截面面积不限于38,000μm2。当主通道具有在20μm到120μm范围内(例如在30μm到110μm或40μm到100μm范围内)的第一截面尺寸和更大的第二截面尺寸时，可以自由选择截面形状。例如，截面形状可以是矩形或者截面形状可以是椭圆形，或者截面可以具有对应于矩形和椭圆形的任意组合的形状。在这个实施例中，不管主通道的截面形状如何，在更大的第二截面尺寸中彼此相对的两个点可以被称为“顶点”。“顶点”可以在主通道壁的任何具有两个壁表面同时两个壁表面之间的角度在10°到180°范围内(但是通常处于或小于90°，例如在40°到90°的范围内)的区段处。因此，主通道第一顶点与第二顶点相对，并且主通道壁中的开口位于截面形状的任一顶点中，使得分析区段也位于该顶点中。替代性地，开口位于第一顶点和第二顶点两者。因此，在特定实施例中，微流体颗粒分析装置具有例如位于相对的顶点的两个分析区段，。此实施例提供了比仅具有一个分析区段的实施例更高质量的数据输出。本发明人现已惊奇地发现，当第一截面尺寸处于或低于120μm，例如在50μm到120μm范围内，并且分析区段位于截面形状的顶点时，用于检测颗粒的传感器***中颗粒的存在与通过主通道的流量无关，使得获得被检测颗粒的数量与流量之间的比例线性关系，并且由此获得颗粒的监测和因此样本中的颗粒浓度的测量与流量无关。因此，当第一截面尺寸处于或低于120μm，比如高达110μm、或高达100μm、或高达90μm、或高达80μm时，微流体颗粒分析装置的校准被简化，因为监测独立于流量。图1将记录在本发明的微流体装置(该微流体装置具有第一截面尺寸(“高度”)为100μm以及第二较大尺寸(“宽度”)为220μm的主通道)中的颗粒浓度与记录在微流体装置(其具有第一截面尺寸(“高度”)为140μm以及第二较大尺寸(“宽度”)为350μm的主通道)中的颗粒浓度进行了比较。如图1中明显看到的，在本发明的微流体颗粒分析装置中，颗粒浓度与流量无关。
进一步优选的是，主通道的截面面积在5,000μm2到38,000μm2的范围内。不管截面面积如何，存在于通过微流体颗粒分析装置的流中的颗粒将进入分析区段，从而允许检测颗粒。本发明人现已惊奇地发现，当截面面积处于或低于38,000μm2时，用于检测颗粒的传感器***中的颗粒的检测独立于通过主通道的流量，使得获得检测到的颗粒的数量与流量之间的比例线性关系，并且由此样本中的颗粒的监测独立于流量(参见图1)。因此，当截面面积处于或低于38,000μm2时，微流体颗粒分析装置的校准被简化，因为检测独立于流量。当截面面积大于38,000μm2时，仍然可以检测到颗粒，因为颗粒确实进入分析区段，但是微流体颗粒分析装置的校准更麻烦，因为流量必须被考虑在内。
只要主通道具有处于或低于38,000μm2的截面面积，或者如果主通道具有处于或低于120μm(例如在50μm到120μm的范围内)的第一截面尺寸，并且分析区段位于截面形状的顶点，则在用于检测颗粒的传感器***中的颗粒检测独立于通过主通道的流量。
本发明的微流体颗粒分析装置限定了主通道的主流动方向，并且主通道具有通向分析区段的开口，该开口沿着主流动方向延伸。在本发明的背景下，术语“沿着”是指分析区段在主通道的入口端附近或入口端处具有入口，并且在主通道的出口端附近或入口端处具有出口。然而，分析区段的长度通常仅受用于检测颗粒的传感器***的限制，并且分析区段的长度可以被自由选择。因此，分析区段的方向可以平行于主流动方向。然而，主通道壁中的开口也可能转向，不与主流动方向平行。例如，主通道壁中的开口可以沿着与主流动方向限定在0°到30°范围内的角度的直线。开口也可以具有围绕主通道的螺旋形状。
主通道还可以包括用于另外的分析区段的开口，使得微流体颗粒分析装置可以包括一个以上的分析区段。例如，微流体颗粒分析装置可以包括2个、3个、4个或更多个分析区段。
分析区段的第一表面与第二表面相对、相距5μm到50μm范围内(例如在10μm到20μm范围内)的分析距离。应当理解的是，第一表面和第二表面之间的分析距离小于主通道的第一截面尺寸。特别地，主通道的第一截面尺寸应是第一表面与第二表面之间的分析距离的至少两倍，优选地至少五倍。这将允许对分析区段中的颗粒流量进行足够的限制，以便检测颗粒。一般而言，第一表面与第二表面之间的分析距离与旨在检测的颗粒的大小相匹配。第一表面和相对的第二表面优选地彼此平行。
主通道壁中的开口的截面尺寸(例如垂直于主流动方向的尺寸)将通常与分析区段的第一表面与相对的第二表面之间的分析距离相同。然而，也可以设想到开口的尺寸可以大于第一表面与第二表面之间的分析距离。
微流体颗粒分析装置的分析区段具有与主通道壁中的开口相对的后壁。一般而言，主通道壁中的开口与后壁之间的距离应该是至少10μm，以便为用于检测颗粒的传感器***形成空间。然而，只要存在用于检测颗粒的传感器***的空间，从主通道壁中的开口到后壁的距离可以自由选择。一般而言，优选的是，从主通道壁中的开口到后壁的距离在10μm到50μm范围内，例如20μm到30μm。用于检测颗粒的传感器***优选地(即在分析区段中)被定位成距开口至少5μm的垂直距离，例如在5μm到20μm的范围内的垂直距离。例如，当用于检测颗粒的传感器***包括电极时，从主通道壁中的开口到电极的垂直距离应该是至少5μm，比如至少10μm。
主通道的长度(例如从入口端到出口端的距离)可以自由选择。然而，出于实际原因，距离应是至少500μm。为了避免主通道上不必要的压降，压降不应超过30,000μm。
分析区段(例如开口)的长度可以自由选择。然而，分析区段应该足够长以容纳用于检测颗粒的传感器。在实施例中，开口以及由此还有分析区段从主通道的入口端延伸到出口端。在另一个实施例中，从入口端到出口端的距离在200μm到30,000μm范围内，例如500μm到30,000μm。例如，开口可以从主通道的入口端延伸到出口端，并且具有在200μm到30,000μm或500μm到30,000μm范围内的长度。在实施例中，开口比从入口端到出口端的距离更短。例如，开口可以在主流动方向上具有10μm到5000μm的范围内的延伸部。
微流体颗粒分析装置的入口根据需要使用任何通道设计被供应液体，并且同样地根据需要使用任何通道设计从出口移除液体。一般而言，液体可以在主通道的入口端的上游的入口点处进入微流体颗粒分析装置，并且液体可以在主通道的出口端的下游的出口点处离开微流体颗粒分析装置。在实施例中，微流体颗粒分析装置包括提供从入口点到主通道的入口端的流体连通的供应通道和提供从主通道出口端到出口点的流体连通的出口通道。通常，供应通道和出口通道具有与主通道相同或更大的截面面积。在特定实施例中，微流体颗粒分析装置包括与两个主通道并联流体连通的供应通道，每个主通道具有如上所限定的分析区段，这些分析区段进而与出口通道处于流体连通。当微流体颗粒分析装置包括与两个或更多个主通道处于流体连通的供应通道时，每个主通道具有分析区段，例如一个或两个分析区段，可以更快地获得被分析的样本的统计证据，使得在进行颗粒和细胞浓度测量时获得更快的分析。这也允许比对于仅具有单个分析区段的微流体颗粒分析装置测量更低的浓度的颗粒。
此外，当包括供应通道时，它可以降低微流体颗粒分析装置的整体流体动阻力。由于对主通道的最小长度的实际限制，添加供应通道以及可选地还有出口通道可能是将微流体颗粒分析装置的流体动阻力降低到期望水平的唯一方式。在特定实施例中，微流体颗粒分析装置包括与具有不同截面面积的两个主通道处于流体连通的供应通道。这将提供更高的数据质量，因为在两个主通道中，相同的液体在不同的线性流量下被同时分析。
不受任何特定理论的限制，本发明人相信，当雷诺数接近1时的非斯托克斯流动以及因此水的惯性将促进颗粒的沉积，特别是在流动的突然方向变化期间，例如当测量通道与主通道分开时。本发明的微流体颗粒分析装置的分析区段不包含通过该装置的流动中的任何突然的方向变化，因此由这种效应引起的颗粒沉积是最小的。随着沉积以及由此堵塞的风险的降低，微流体颗粒分析装置允许对颗粒含量比例如饮用水和传统上被认为是清洁的其他来源中预期的高得多的液体流进行监测，甚至进行长期监测。例如，微流体颗粒分析装置可以用于持续监测其中细胞计数比饮用水这高得多的工业发酵中的细菌、酵母、丝状真菌、植物细胞(例如藻类或苔藓等)的含量，而没有细胞或其他颗粒沉积的风险。当微流体颗粒分析装置要用于批量测量(即其中分析单个手动制备的样本的测量)时，降低沉积以及由此堵塞的风险也是有利的，因为可以在不维护或更换微流体部件的情况下进行大量批量测量。
用于检测颗粒的传感器***可以是能够检测颗粒的任何传感器***，并且特别地通过使第一表面与第二表面之间的分析距离在5μm到50μm范围内，可以检测到0.1μm到20μm的大小范围内的颗粒，例如细菌或真核细胞。利用第一表面与第二表面之间的这种分析距离，电阻抗光谱法(EIS)可用作检测***，但是可以使用任何测量原理。其他检测原理是光学检测或使用荧光的检测。颗粒可以是任何微粒。特别地，颗粒的大小可以在0.1μm到20μm的范围内，比如0.5μm到5μm。颗粒可以是生物细胞(比如原核细胞，例如细菌)、或真核细胞(例如酵母、原生动物、寄生虫、变形虫)、植物细胞(例如藻类或苔藓)、或哺乳动物细胞(例如血细胞)、或重组真核生产细胞，例如中国仓鼠卵巢上皮细胞或昆虫细胞。其他相关颗粒可以是铁锈颗粒或由腐蚀产生的其他颗粒。
传感器***通常将具有限定的检测极限，使得当颗粒浓度超过检测极限时，传感器***可以触发警报。检测极限可以根据传感器***的具体用途按要求自由设置，但它取决于要监测的液体和样本以及怀疑包含在液体中的颗粒。例如，对于纯净水(PW)，检测极限可以在1ml-1到100ml-1或更低的范围内，例如10ml-1。对于饮用水，取决于饮用水的来源和可能的污染物，检测极限也可以更高，例如在1,000ml-1到107ml-1的范围内，比如10,000ml-1到1,000,000ml-1。传感器***还可以监测液体样本(例如单个有限体积样本)中的颗粒，比如用于测量液体样本中的颗粒的浓度。
微流体颗粒分析装置包含在基底中，并且可以采用任何合适的基底材料。可以使用适用于特定基底的任何技术在基底中形成通道。例如，基底可以是玻璃(例如玻璃晶片)、或者硅(例如硅晶片)，并且通道可以使用光刻技术或蚀刻技术来形成。光刻技术或蚀刻技术可以用于制备相同高度的通道，但是通常优选的是制造具有不同高度的主通道和分析区段。这可以通过例如使用各向同性或各向异性蚀刻以在整个设计中改变主通道的高度来改变主通道的流体动阻力来实现。在实施例中，可以通过组合例如玻璃中的供应通道的氢氟酸(HF)蚀刻和干法蚀刻来形成主通道进行这样的设计，在该设计中，供应通道和/或出口通道比主通道更深。基底也可以是聚合材料，并且通道可以使用例如微加工、微模制、微注射成型、激光烧蚀、3D打印等来形成。光刻技术或蚀刻技术允许比宏观制造低得多的公差，导致每个设计相同，并且因此实际上极大地简化了所得到的产品的任何大规模制造。因此，在特定实施例中，微流体颗粒分析装置中的特征，例如通道的宽度和高度，具有大约±2μm、例如大约±1μm的公差。这些公差允许比具有更高公差的***更精确地确定进入***的液体的颗粒浓度。然而，制造方法可以自由选择，在另一个实施例中，公差为大约±5μm。
用于检测微粒的***(尤其是流式***)通常在检测微粒的位置处具有与在***中要检测的微粒相同量级的大小的通道，例如，其截面尺寸在1μm到50μm范围内。这种通道将具有流体动阻力，并且流体动阻力的构思可以被认为是电势与电流之间的电动定律(即，欧姆定律)的模拟，使得通道中的流量Q与通道上施加的压降ΔP和流体动阻力R以下列方式相关：ΔP＝R·Q。微流体通道具有小尺寸，例如<1mm，并且因此总是具有显著的流体动阻力。对于矩形截面的微通道，流体动阻力可以使用公式1近似表示：
Figure BDA0002378380440000091
其中μ动态粘度，L是通道的长度，w是通道的宽度，以及h是通道的高度。等式1在h<w时有效，但当h≈w时也可用于近似表示流体动阻力。然而，当h≈w时，流体动阻力的更好近似值可以使用等式2获得：
Figure BDA0002378380440000092
在整个本文件中，术语“高度”用于描述垂直于由结构的宽度和长度限定的平面的结构(例如通道)的截面尺寸。然而，高度也可以称为“深度”，并且这两个术语可以互换使用。术语“高度”和“深度”通常对应于主通道的第一截面尺寸，并且“宽度”通常对应于主通道的第二截面尺寸，当主通道不是矩形时也是如此。因此，当主通道的截面(例如主流动方向的法向平面中的截面)偏离矩形时，高度或深度通常将描述第一截面尺寸中的最大截面尺寸。流体动阻力近似值的计算对本领域技术人员来说是公知的，例如如通过理论微流体学(Henrik Bruus,2007,牛津物理学硕士系列18,牛津大学出版社,ISBN 978-0-19-923508-7)所示，其内容通过援引并入本文；特别是第1、2、3、4和6章所示。
微流体***的大流体动阻力是例如用于施加通过微流体***的流动的外部压力诱导部件的问题。由于流体动阻力，单个微流体通道可能需要1到20巴的压差来获得通道中所期望的流量。例如，截面尺寸为10μm×10μm、长度为2cm的单个通道在2μl/min的流量下具有9.2巴的压降。大于5巴的压力要求限制了压力诱导单元的选择，如果制造的***对成本敏感或需要非常可靠的话，这可能是重大挑战。这对于分发μl/min到ml/min量级的体积的泵尤其相关，因为非常昂贵的产品将在高背压下运行，但是由于成本原因与大规模生产无关。这个问题在比如饮用水等介质的分析的背景下变得更加相关，其中期望的是监测较大的体积，例如数千立方米。同样地，对于监测工业工艺流，这个问题也是相关。根据本发明，“监测”不要求要监测的液体的整个体积通过微流体颗粒分析装置，并且整个体积的一小部分的分析被认为给出了液体的整个体积的代表性结果。
而且，对于这种规模的通道(例如具有大约1mm或更小的截面尺寸)，在通道中流动的液体主要限于以层状状态流动，这可以从雷诺数的计算中看出。层状流动意味着在微通道中流动的液体将处于“无滑动”状态，其中微通道的壁处的液体线性速度将为零。无滑动状态对于分析流动中存在的颗粒尤其具有挑战性，因为无滑动状态将导致颗粒在微通道的截面上的通量分布不均匀。对于以低浓度存在的颗粒的分析(例如在食品安全测试、饮用水或在纯净水(PW)中的细菌检测中)，细菌分布不均匀可能导致假阴性结果或假阳性结果，这取决于用于检测的算法。
本发明人现已惊奇地发现，尽管存在无滑动边界状态，但当包含颗粒的液体被施加到微流体颗粒分析装置的入口时，本发明的微流体颗粒分析装置允许准确检测和监测分析区段中的颗粒。
微流体颗粒分析装置包括与主通道处于流体连通的入口。入口可以具有允许例如通过入口点连接到用于分析的外部液体源的任何设计。例如，入口点可以包括内径在100μm到3000μm范围内(例如1300μm或850μm)的管状连接。入口点还可以包括用于在微流体颗粒分析装置中形成液体流动的装置，比如泵。当微流体颗粒分析装置包括泵时，可以使用任何类型的泵，并且特别是泵可以提供100μl/min到1000ml/min(例如100μl/min到1ml/min，或1ml/min到10ml/min)范围内的液体流量。
在本发明的微流体颗粒分析装置中，只有主通道中的一小部分流进入分析区段，但是如上所解释的，所检测的颗粒的数量与流量之间的比例线性关系从未降低。这允许在主通道中使用大的线性流量，并且由此可以将相应大的体积流量施加于微流体颗粒分析装置。例如，当1ml/min的体积流量被施加到截面面积为30,000μm2的主通道时，主通道中的线性流量为0.56m/s，并且分析区段中的线性流量将足够低以便例如使用EIS(参见图1)检测颗粒。一般而言，主通道中的线性流动速度将在10mm/s到10m/s范围内。在特定实施例中，采用外部绕行区段，其中150ml/min的流量被转向成使得1ml/min进入微流体颗粒分析装置并，而其余部分通过外部绕行区段被转向。
在另一个实施例中，外部部件包括用于去除大于截止值的颗粒的过滤单元。截止值可以基于微流体颗粒分析装置的目的来选择，例如相对于用于分析的颗粒的大小来选择，使得高于截止值的颗粒在进入微流体颗粒分析装置之前从液体中被去除。例如，过滤单元可以具有在10μm到200μm、比如20μm到100μm范围内的截止值，例如40μm或100μm。然而，由于分析区段位于主通道壁的开口中，例如在10μm到100μm范围内的大颗粒通常不是问题，因为这些颗粒将穿过***而不影响分析区段中相关颗粒的检测。因此，在实施例中，微流体颗粒分析装置不包括过滤单元，特别是具有截止值在10μm到100μm的范围内的过滤器的过滤单元。
当主通道具有小于第二截面尺寸的第一截面尺寸时，第二截面尺寸和主流动方向通常限定平面，使得主通道具有“平面设计”。在实施例中，入口通过与主通道的平面成一定角度的通道(例如与平面设计的平面正交的通道)与主通道处于流体连通。因此，在微流体颗粒分析装置中要分析的液体以与微流体颗粒分析装置中的通道的平面设计成一定角度(例如正交于该平面设计)被施加。使入口与平面设计的平面成一定角度通常简化了微流体颗粒分析装置与外部部件(比如泵或管)的连接。同样地，在此实施例中，微流体颗粒分析装置的制造被简化。
在另一个实施例中，入口与主通道的平面设计处于同一平面。与微流体颗粒分析装置的平面设计处于同一平面地施加要分析的液体是有利的，因为它可以在液体进入主通道之前最小化颗粒的沉积。例如，当入口正交于微流体颗粒分析装置的平面时，颗粒可以被沉积在入口与主通道或入口歧管相遇的地方，然而，当入口与平面设计处于同一平面时这被阻止，使得阻止了“入口沉淀”。阻止入口沉淀对于用于监测工业工艺流(例如来自发酵罐的流)中的颗粒(例如细菌、酵母、植物细胞等)的微流体颗粒分析装置尤其有利。入口沉淀风险的降低在来自具有高浓度细胞(例如来自发酵罐的细菌、酵母或植物细胞)的工业工艺流的单个样本的分析也是相关。因此，微流体颗粒分析装置特别适用于监测浓度在106ml-1到108ml-1范围内的颗粒。
入口沉淀的减少对于不是用于与细菌检测相关的非单次使用的装置尤其重要，因为静止的(例如沉淀的)细菌可以在沉淀的地方生长，并且因此影响后续测量中的浓度，从而产生假阳性结果。另外，当外部部件包括截面面积大于主通道和可选的供应通道的流动区段时，与微流体颗粒分析装置中的线性流动速度相比，外部区段中的线性流动速度降低，并且降低的线性流动速度可能形成颗粒可以沉降的空间，使得它们进入微流体颗粒分析装置被延迟或者甚至阻碍，这是不期望的。本发明的微流体颗粒分析装置有利地允许施加高体积流量，例如1ml/min或更高，因为分析区段中的线性流量对于检测和监测颗粒来说足够低，使得通过该装置的线性速度通常较高，例如高于0.1m/s或高于1.0m/s，这减少了沉淀。
微流体颗粒分析装置包括与主通道的出口端处于流体连通的出口。因此，出口的主要功能是为微流体颗粒分析装置中的液体提供出口，该出口不受特别限制。入口和出口可以相同，使得微流体颗粒分析装置可以被描述为关于通过***的流量“对称”，并且“入口”可以用作“出口”，反之亦然。这确保在逆流下的操作可以施加于该装置，以便去除可能已沉降在***中的颗粒。例如，在操作之后，流动可以被短暂逆转以去除沉降的颗粒。流动也可以更频繁地逆转(例如在测量期间)，这可以增加微流体颗粒分析装置的使用寿命，因为颗粒的积聚会受到限制。对称设计另外简化了制造。
优选的是，出口(例如通过出口点)包括用于连接到外部部件的装置，比如附加管、辅助泵等。进一步优选的是，出口点和任何外部部件的流体动阻力与微流体颗粒分析装置的流体动阻力相比是微不足道的。
优选的是，微流体颗粒分析装置的总流体动阻力尽可能低。因此，在优选的实施例中，主通道的长度对应于用于容纳用于检测分析区段中的颗粒的传感器***所需的最小长度。还优选的是，分析区段(例如开口)的长度对应于用于容纳用于检测颗粒的传感器***所需的最小长度。例如，分析区段的长度，例如开口代表的长度，可以在10μm到5000μm(例如100μm到2000μm,比如1000μm，或者20μm到500μm)的范围内。优选的是，外部部件和主通道的截面面积大约为相同量级，例如在几个量级内。
分析区段的第一表面可以与第二表面相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离，并且主通道壁中的开口与后壁之间的距离可以在5μm到50μm范围内。例如，第一表面与相对的第二表面之间的分析距离可以在10μm到20μm范围内，并且主通道壁中的开口与后壁之间的距离可以在10μm到20μm范围内。为了检测细菌，第一表面与第二表面之间的分析距离可以是大约10μm。对于这种大小的分析区段，在与本发明的背景下相关的流动条件下(例如在适当的流动速度下)，雷诺数是大约1或小于1。传统上在微流体学中，流动被假定为斯托克斯流动。然而，当雷诺数是大约1或大于1时，流动可以被称为非斯托克斯流动；在非斯托克斯流动中，惯性力变得相关，这对含有颗粒的流动液体很重要。
而且，根据等式3，还可以计算在通道中流动的颗粒的特殊雷诺数Rp：
Figure BDA0002378380440000121
其中Re是雷诺数，a是颗粒直径，以及Dh是通道的水力直径。当Rp是大约1时，将观察到颗粒的惯性聚焦，使得当通道具有在50μm到300μm范围内的第一截面尺寸和在50μm到300μm范围内的第二截面尺寸时，大约10μm或更大的颗粒会惯性地聚焦在通道中。然而，对于直径为约1μm到2μm的颗粒，当处于层流状流动状态时，Rp将通常为约0.01到0.3，特别地在0.01到0.2范围内，并且预计惯性力不会对颗粒的运动有显著贡献。因此，大的微粒由于惯性力预计不会进入开口以及分析区段，而小的微粒由于缺乏惯性力预计会进入开口以及分析区段，即不管主通道的截面尺寸和面积如何，但是本发明人已惊奇地发现，尽管在惯性力的影响可忽略的层状流动状态下操作，当截面尺寸在本发明的微流体装置的范围之外时，即当第一截面尺寸高于120μm同时分析区段在主通道的顶点时，或者当截面面积高于38,000μm2且分析区段不位于顶点时，存在于用于分析的液体中的微粒不进入分析区段以便以相对于流量的比例线性关系进行检测。然而，当微流体颗粒分析装置符合本发明的两个方面中的任一个时，可以以如上所解释的检测到的颗粒数量于流量之间的比例线性关系来检测颗粒。特别地，当主通道的截面面积处于或小于38,000μm2时，或者当主通道具有在50μm到120μm范围内的第一截面尺寸和更大的第二截面尺寸，并且分析区段位于主通道的顶点时，可以独立于主通道中的流量来检测和测量颗粒(如图1所示)。然而，还可以设想到，主通道壁中的开口不限于用于观察比例线性关系的角部；开口也可以在主通道壁的任何具有两个壁表面同时两个壁表面之间的角度在40°到180°范围内的区段处。在本发明的背景下，这被认为是顶点。
微流体颗粒分析装置通常适合于与被施加到微流体颗粒分析装置的入口或入口点的30μl/min到30ml/min范围内的体积流量一起使用。例如，微流体颗粒分析装置的体积流量可以在100μl/min到10ml/min(例如0.5ml/min到5ml/min)或30μl/min到1ml/min(例如50μl/min到500μl/min)范围内。在特定实施例中，微流体颗粒分析装置包括用于提供100μl/min到1000ml/min范围内的液体流量的泵。主通道中的流量也可以表示为线性流动速度，并且优选的是主通道中的线性流动速度在10mm/s到10m/s的范围内，例如100mm/s到1,000mm/s，或者0.1m/s到10m/s。
微流体颗粒分析装置可以进一步包括外部绕行区段，特别是当分析区段的截面尺寸在5μm到20μm范围内时，和/或当主通道的截面面积较低时，例如25,000μm2或更小时。外部绕行区段可以包括入口分支(例如在微流体颗粒分析装置的入口或入口点的上游)，该入口分支用于将液体流分成分析流(用于施加到微流体颗粒分析装置)以及不会进入微流体颗粒分析装置的绕行流。例如，当主通道的截面尺寸在50μm到300μm范围内时，绕行区段(例如绕行区段的管)可以具有在200μm到3,000μm、例如850μm到1300μm范围内的截面尺寸。可以选择绕行区段的截面面积和长度，以将预定量的流量(例如80％到90％或更多)转向到绕行区段。外部绕行区段可以与泵成一体，并且可以采取分流器的形式。外部绕行区段允许微流体颗粒分析装置以较高的体积流量操作，因为它允许较小比例的用于分析的液体被施加到微流体颗粒分析装置，并且由此线性流动速度、特别是测量通道中的线性流动速度可以被控制在用于检测颗粒的传感器所期望的范围内。然而，由于分析中的线性流量将比主通道的线性流量小得多，如上所解释的，优选的是，本发明的微流体颗粒分析装置不包括外部绕行区段。不具有外部绕行区段的微流体颗粒分析装置比需要外部绕行区段的微流体颗粒分析装置制造更便宜。
在本发明的实施例中，用于检测颗粒的传感器***采用EIS检测颗粒。由Cheung等人2010年(Cytometry Part A(细胞计数法，A部分),2010,77A:648-666)综述了微流体***的背景下的EIS，其通过援引并入本文。因此，在本发明的实施例中，微流体颗粒分析装置具有：颗粒检测***，该颗粒检测***包括第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极限定了该第一电极与第二电极之间的操作空间，该第一电极和第二电极经由电路处于电连接，该电路包括交流(AC)电源或直流(DC)电源以及用于监测来自第一和/或第二电极的电信号的装置。流式***中的EIS(特别是用于检测液体样本中的细菌)受到以下事实的限制：容纳电极的区段的截面尺寸由要检测的颗粒的尺寸控制。例如，用于检测细菌的EIS***在容纳EIS电极的通道中应该具有至少一个大约20μm或更小(例如大约10μm)的截面尺寸，因为较大通道中的EIS电极可能无法检测到通道中的细菌。本发明的微流体颗粒分析装置特别地有利于分析更大体积的液体，例如1ml到100ml，因为在主通道壁中的开口处存在分析区段允许施加到主通道的总液体体积的只有一小部分进入分析区段，由此使得EIS成为可能。这允许结合高达约30ml/min的总体积流量来采用微流体颗粒分析装置，该体积流量适用于筛选液体样本的装置。还有利的是，被转向到分析区段的液体流允许独立于主通道中的液体的流量来检测和测量液体中的颗粒浓度。微流体颗粒分析装置进一步允许采用EIS来检测颗粒，而不需要流体动力学聚焦或者不需使用介电泳聚焦定位颗粒。因此，在本发明的实施例中，该微流体颗粒分析装置不采用流体动力学聚焦。在另一个实施例中，该微流体颗粒分析装置不采用介电泳聚焦。然而，不排除介电泳聚焦、流体动力学聚焦或其他聚焦效应，并且这两种原理都可以用于微流体颗粒分析装置。
第一电极和第二电极可以在分析区段的同一表面上，例如第一电极和第二电极可以处于“共面”设定，或者第一电极和第二电极可以被定位在分析区段中的相对表面上，例如第一电极和第二电极可以处于“平行重叠”设置。当两个电极共面时，操作空间平行于分析区段中的流动方向，并且操作空间是电极之间的距离，即从第一电极的边缘到第二电极的边缘。共面电极的操作空间可以在1μm到50μm、例如1μm到20μm范围内。
当两个电极处于平行重叠设置时，在适当考虑电极的厚度的情况下，操作空间等于第一表面与第二表面之间的分析距离。一般来说，电极与表面齐平，但是电极可以从表面上升达约1μm，典型地上升达约500nm，例如200nm，这被认为不会影响微流体颗粒分析装置中液体的行为，使得这种电极不会造成影响。第一电极和第二电极通常具有相同的大小，例如表面尺寸在1μm到100μm范围内，例如5μm到50μm，但是第一电极和第二电极也可以具有不同的大小。电极可以是任何导电材料，但是通常是金属的，例如由钛、金、镍、铜、铱、铂、钯或它们的组合和合金制成。
在实施例中，用于检测颗粒的传感器***包括用于EIS的电极，并且从主通道壁中的开口到激励电极和到参比电极的垂直距离为至少5μm。例如，从主通道壁中的开口到后壁的距离可以在10μm到50μm范围内。优选的是，电极处于平行重叠设置，但是至少5μm(例如10m)的距离对于处于共面设置的电极也是相关的。通过到主通道壁中的开口有至少5μm的距离，主通道中电场的存在被最小化，并且制造公差更容易处理。由此，主通道中且靠近主通道开口的颗粒不会进入电场，并且也不会影响分析区段中颗粒的检测。
电极经由电路处于电连接，该电路包括AC电源或DC电源和用于监测电信号的装置。电路可以包括导体，这些导体与微流体颗粒分析装置成一体，例如在微流体颗粒分析装置的基底中。可以适当地选择AC电源或DC电源，并且AC电源可以提供kHz到MHz范围内(例如100kHz到100MHz)的频率。第一电极与第二电极之间的电压将通常在0.1V到10V、例如0.5V到5V范围内。用于监测电信号的装置可以包括用于分析从电极记录的信号的处理装置。用于监测电信号的装置可以进一步包括用于显示或传输来自用于监测电信号的装置的数据的输出装置。用于传输数据的装置可以使用任何无线或有线数据传输协议来操作。
在使用中，向第一电极施加电压，并且在第二电极处测量电流。第一电极也可以称为“激励电极”，并且第二电极也可以称为“参比电极”。例如，以预定的采样速率(例如连续地)记录测量的电流。当没有任何颗粒的液体通过电极(例如操作空间)时，参比电极将提供“基信号”，并且当颗粒(比如生物细胞，例如细菌)经过操作空间时，信号将改变。
在特定实施例中，电极以共面设置来布置，并且颗粒检测***包括位于两个参比电极之间的激励电极。测量电极包括激励电极的上游的第一参比电极和激励电极的下游的第二参比电极。在此实施例中，操作空间被分成第一参比电极与激励电极之间的起始操作空间和激励电极与第二参比电极之间的平衡操作空间。在使用中，向激励电极施加电压，并在两个参比电极处测量电流。穿过操作空间的颗粒将首先遇到起始操作空间，在始操作空间，其存在将通过激励电极与第一参比电极之间的信号的变化来记录。当颗粒处于起始操作空间时，在激励电极与第二参比电极之间将不会记录到信号的变化，但是当颗粒到达平衡操作空间时，其存在将通过激励电极与第二参比电极之间的信号的变化来记录，而在激励电极与第一参比电极之间将不会记录到信号的变化。这允许相同的颗粒通过电极设置被记录两次，并且因而可以测量颗粒的速度。颗粒速度的测量允许估计测量通道中液体的总流动速度，例如线性流动速度。因此，此实施例允许估计通过微流体颗粒分析装置的流量。了解测量通道中的流体速度比仅采用单个参比电极时可以记录的进一步提供对液体中的颗粒浓度的更好的估计，因为信号可能与估计的流体速度相关。当颗粒检测***包括以平行重叠设置布置的两组或多组电极时，可以获得这个相同的效果，其中第一(即上游)组电极限定了起始操作空间，并且第二(即下游)组电极限定了平衡操作空间。在两个实施例中，起始操作空间和平衡操作空间的大小可以是相同的，或者大小可以彼此不同。当采用处于平行重叠设置的两组电极时，两组电极之间的距离将通常在5μm到50μm、例如10μm到20μm范围内。
另一方面，本发明涉及一种检测流体中的颗粒的方法，该方法包括：提供根据本发明的微流体颗粒分析装置；提供怀疑包含尺寸在0.1μm到20μm范围内的颗粒的样本流体；从微流体颗粒分析装置的入口到出口施加样本流体流动；使用用于检测颗粒的传感器***检测测量通道中的颗粒。
本发明的任何微流体颗粒分析装置都可以用于该方法中，但是优选的是，微流体颗粒分析装置如上所述包括第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极限定了该第一电极与该第二电极之间的操作空间，该第一电极和第二电极经由电路处于电连接，该电路包括AC电源或DC电源以及用于监测来自第一电极和/或第二电极的电信号的装置。此实施例包括以下另外的步骤：从电流源施加AC或DC电流以在操作空间中产生电场，以及监测第一电极与第二电极之间的差分电信号。
微流体颗粒分析装置特别适合于分析不同液体样本中、例如饮用水中、工业用水、其他水溶液中或特别制备的样本中的细菌。然而，该方法不限于任何特定的样本液体，并且该方法可以用于检测任何适当液体中的颗粒。优选的颗粒是如上所述的生物细胞。在优选的实施例中，怀疑含有颗粒的样本流体含有浓度在0ml-1到108ml-1、例如100ml-1到106ml-1，比如如1000到105ml-1范围内的颗粒。当怀疑含有颗粒的样本流体是饮用水时，颗粒(例如细菌)的浓度通常在0ml-1到105ml-1、例如102ml-1至105ml-1范围内。可以将105ml-1、104ml-1、103ml-1、500ml-1、200ml-1、100ml-1、50ml-1、10ml-1或1ml-1的细菌浓度设置为检测极限，这将取决于应用来激活警报。警报也可以被设置为考虑比如颗粒浓度的增加速率等其他参数。微流体颗粒分析装置不限于分析饮用水，并且微流体颗粒分析装置也可以用于例如细胞及其浓度的监测相关的食品应用中。可能的食品应用属于乳制品工业和酒精饮料(例如啤酒、葡萄酒、苹果酒等)的生产。本发明的方法也与来自用于生产生化或生物化合物的发酵的工艺液体相关。当本发明的微流体颗粒分析装置监测工艺液体时，颗粒(例如细菌或酵母)或其他生产生物体、或污染物细胞可以以105ml-1到107ml-1的浓度存在。该方法也可以用于测量所制备的样本中的细菌，例如来自已经悬浮在液体中的表面拭子。当微流体颗粒分析装置用于分析从不预计或不旨在包含细菌的表面(例如“干净的”表面)收集的样本时，非常低的检测极限(例如103ml-1、500ml-1、200ml-1、100ml-1、50ml-1、10ml-1,、或1ml-1)是特别有利的。
在另一方面，本发明涉及一种监测(例如测量)流体中的颗粒浓度的方法。该方法包括提供根据本发明的微流体颗粒分析装置；提供包含尺寸在0.1μm到20μm范围内的颗粒的样本流体；施加从微流体颗粒分析装置的入口到出口的样本流体流动；使用用于检测颗粒的传感器***监测(例如测量)测量通道中的颗粒浓度。还设想到该方法可以用于较大的颗粒，例如大小高达100μm的颗粒。优选的是，在这个实施例中采用的微流体颗粒分析装置包括如上所述的用于EIS的颗粒检测***。特别优选的是，用于EIS的颗粒检测***包括电极，这些电极被设置成如上所述限定起始操作空间和平衡操作空间。此方面特别适合于工艺流体包含指定大小范围内的颗粒的领域。示例性颗粒是食品(例如乳制品产品或酒精饮料)的发酵中、或用于生产生物化学或生物化合物(例如药物蛋白质或多肽、小分子等)的发酵中使用的微生物细胞(例如细菌或酵母)。当微流体颗粒分析装置被设计用于监测工业流体，例如发酵液，比如来自啤酒、葡萄酒、乳制品产品的生产或其他微生物发酵的发酵液时，颗粒(即生物细胞)的浓度通常在105ml-1到108ml-1范围内。
一般而言，针对与微流体颗粒分析装置相关的方面概述的特征对于本发明的方法方面也是相关，反之亦然。在任何方面的背景下描述的任何特征可以与任何其他特征组合用于任何其他方面，并且在本发明中能设想所有这种组合，即使这些组合可能没有被明确提及。特别地，针对与微流体颗粒分析装置相关的方面讨论的任何特征也与本发明的方法方面相关。
附图说明
在下文，将在实例的帮助下并参考示意图更详细地说明本发明，在附图中：
图1绘制了在本发明的微流体颗粒分析装置的实施例中，根据主通道中的流速而变的颗粒检测；
图2示出了本发明的微流体颗粒分析装置的实施例的主通道和分析区段的截面图；
图3示出了本发明的微流体颗粒分析装置的实施例的主通道截面的显微照片；
图4示出了本发明的微流体颗粒分析装置的实施例中的分析区段；
图5示出了本发明的微流体颗粒分析装置的俯视图；
图6示出了本发明的微流体颗粒分析装置的实施例的俯视图；
图7图示了本发明的实施例的处于平行重叠的电极；
图8图示了本发明的实施例的处于共面布局的电极；
图9将根据本发明的微流体颗粒分析装置中的***流量而变的分析区段中的转变时间与对比装置进行比较。
具体实施方式
本发明涉及一种微流体颗粒分析装置，该微流体颗粒分析装置包括通过限定从入口端到出口端的主流动方向的主通道而处于流体连通的入口和出口，该主通道由从入口端延伸到出口端的主通道壁限定并且具有在20μm到120μm范围内的第一截面尺寸和至少100μm的第二截面尺寸，该主通道的第一顶点与第二顶点相对，这些顶点在第二截面尺寸上彼此相对，在第一顶点和/或第二顶点处的主通道壁具有沿着主流动方向延伸的开口，并且主通道壁沿着开口通向分析区段，该分析区段的第一表面与第二表面相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离，并且该分析区段具有用于检测颗粒的传感器***。在第二方面，该微流体颗粒分析装置包括通过限定从入口端到出口端的主流动方向的主通道而处于流体连通的入口和出口，该主通道由从入口端延伸到出口端的主通道壁限定并且具有在5,000μm2到38,000μm2范围内的截面面积和在20μm到500μm范围的截面尺寸，该主通道具有沿着主流动方向延伸的开口，并且主通道壁沿着开口通向分析区段，该分析区段具有处于5μm至50μm的范围内的分析距离的与第二表面相对的第一表面以及用于检测颗粒的传感器***。另一方面，本发明涉及一种使用微流体颗粒分析装置检测流体中颗粒的方法。另一方面，本发明涉及一种使用微流体颗粒分析装置监测流体中颗粒的浓度的方法。
本发明的微流体颗粒分析装置特别适用于检测饮用水、工业工艺水、例如纯净水(PW)以及其他类似粘度的液体、尤其是含水液体中的细菌。应用还包括测量人工制备的水溶液中的细菌，比如单一尿液样本中的细菌，以及含有来自例如食品或食品生产设备的细菌的小体积样本中的细菌。监测饮用水通常包括持续监测来自源的水，并将其分配给最终用户。饮用水具有低电导率，例如<1mS/cm，但是微流体颗粒分析装置也可以与具有较高电导率的液体(例如工艺流，比如发酵液、牛奶、啤酒、葡萄酒等)或较低的电导率(比如例如用于药物生产的PW)的液体一起使用。
在本发明的背景下，术语“微流体”旨在覆盖这样的大小范围：其中通道的最小尺寸在约1μm到约1mm的范围内，例如约10μm到约200μm，并且一般而言通道将不包含收缩部。一般而言可以认为，微流体***中的流体将在层流条件下流动，并且只要包含在***中的流体在层流条件下流动，具有不同于上面定义的通道的流体***就可以被很好地描述为“微流体”。
在本发明的背景下，截面面积通常被表示为“μm2”。这个单位表示以μm xμm为单位的截面，因此“μm2”可以替换为10-12m2。
微流体颗粒分析装置也可以称为流式***，例如“微流体颗粒流式分析装置”。比如本发明的微流体颗粒分析装置等“流式***”可以连续操作或以批量模式操作。对于某些应用，例如监测液体流，比如饮用水或含有生产细胞的工艺流，连续流动优于批量式分析，因为可以比需要提取和分析样本时更快地获得阳性检测结果，例如采样之间的时间减少到零。当以批量模式采用时，本发明的微流体颗粒分析装置有利地为分析的样本提供快速结果。
微流体颗粒分析装置是这样的流式***：液体流进入入口并通过出口离开微流体颗粒分析装置。因此，入口和出口限定了微流体颗粒分析装置中的流动方向，并且在这种背景下，微流体颗粒分析装置的元件可以相对于流动方向在彼此“上游”或“下游”。
微流体颗粒分析装置包括通道。在本发明的背景下，通道可以具有任何截面形状，例如，通道可以是正方形、矩形、圆形等。微流体颗粒分析装置不限于具有相同截面形状的通道，并且单个通道的截面形状可以在通道的长度上变化。
微流体颗粒分析装置可以包括泵(例如外部泵)，该泵用于经由入口推动液体通过微流体颗粒分析装置，并且微流体颗粒分析装置还可以包括辅助泵，该辅助泵例如用于经由出口吸入液体。泵可以是任何适合于特定任务的泵，并且示例性泵是活塞泵、注射泵、蠕动泵、膜泵、隔膜泵、齿轮泵、微环形齿轮泵或任何其他合适类型的泵。
微流体颗粒分析装置可以包括过滤单元。根据本发明的“过滤单元”应被最广义地理解为能够分离固体(例如大于旨在用于检测或量化的颗粒的颗粒)和液体的单元。因此，过滤单元可以是例如筛子、颗粒填充床、滤纸、过滤膜等。
本发明的某些实施例采用电阻抗光谱法(EIS)。“EIS”通常是技术人员公知的。因此，例如，Cheung等人2010年(Cytometry Part A(细胞计数法，A部分),2010,77A:648-666)描述EIS，特别是在“Impedance Analysis as a Label-Free and Non-InvasiveTechnique(作为无标签和无创技术的阻抗分析)”(第649页)的段落中，其通过援引并入本文。同样，Houssin等人(IEEE 2009年传感器会议,396-399)，特别是第397页；Gawad等人(Lab Chip(实验室芯片),2004,4:241-251)；Cheung等人2005年(Cytometry Part A(细胞计数法，A部分),2005,65A:124-132)，Impedance Spectroscopy Flow Cytometry(阻抗谱流式细胞术)，第125页；和David等人(生物技术与生物工程,2011,109:483-492)，所有这些都描述了EIS，并所有这些通过援引并入本文。
图2示意性地图示了微流体颗粒分析装置1的实施例的截面，其示出了主通道2，该主通道具有120μm的第一截面尺寸21和350μm的第二截面尺寸22。然而，图2不是按比例绘制的，而是微流体颗粒分析装置的特征的示意性表示。图3中示出了与图2的主通道对应的主通道2的截面的显微照片。图4示出了本发明的微流体颗粒分析装置1的实施例的分析区段3的截面。图2、图3和图4示出了微流体颗粒分析装置1在主流动方向的法向平面上的截面。图5示出了微流体颗粒分析装置1的俯视图。图6示出了微流体颗粒分析装置1的另一个实施例的俯视图。
微流体颗粒分析装置1可以由包含主通道2的顶部基底11(例如玻璃晶片)和底部基底12(例如玻璃晶片)组装而成，并且在顶部基底11与底部基底12之间具有聚合物层13。可以使用光刻法或任何其他程序(例如激光烧蚀)，在聚合物层13中形成合适的通道结构。例如，可以从聚合物片材等去除一区段以提供聚合物层13，其中去除的部分代表具有用于分析区段3的空间的主通道2。
主通道2具有主通道壁23。因此，在顶部基底11与底部基底12之间的空间中形成分析区段3，使得聚合物层13的厚度代表与第一表面111和相对的第二表面121之间的分析距离24，该第一表面和第二表面分别位于顶部基底11和底部基底12的表面111、121中。同样地，主通道壁23中的开口31也由聚合物层13提供，使得开口31位于主通道2的顶点32。在此设计中，微流体颗粒分析装置1适当地具有两个分析区段3，每个分析区段位于主通道2的顶点32。
图5示出了微流体颗粒分析装置1的俯视图。微流体颗粒分析装置1具有从入口端201延伸到出口端202的主通道2，该主通道具有入口端201和出口端202以及在两个相对顶点32处的开口31。分析区段3位于每个开口31处。
图6中的俯视图示出了具有供给通道6的微流体颗粒分析装置1，该供给通道被分成两个主通道2，每个主通道具有位于主通道壁23中的开口31处的分析区段3。图6示出了供应通道6、主通道2、主通道2的入口端201和出口端202；在图6中，两个主通道2的第二截面尺寸22被图示为是相同的，但是一个主通道2的第二截面尺寸22可以不同于另一个主通道2的第二截面尺寸22。在图6的实施例中，开口31的延伸部对应于从入口端201到出口端202的距离。在图6中，供应通道6被分配结构61分成两个主通道2。在本发明的背景下，具有分配结构61的供应通道6被认为不代表歧管。
可以使用任何适当的技术在顶部基底11和底部基底12中的任一个或两个中形成适当的通道，例如通过使用标准氢氟酸(HF)蚀刻工艺将主通道2蚀刻到玻璃基底12中，或者通过适当基底的激光烧蚀或微研磨。当使用上述技术中的任一种在基底12中形成通道时，通道的截面通常具有圆形角部，例如如图2和图3所示。然而，主通道2中的圆形角部与液体通过主通道2的流动无关。特别地，当使用聚合物层13在两个平面基底11、12之间形成分析区段3时，分析区段3的第一表面111与第二表面121相对，这些表面111、121彼此平行，并且分析区段3通常具有矩形截面。当微流体颗粒分析装置1包括具有分配结构61的供应通道6时，分配结构61可以通过不蚀刻相应的区段或者通过激光烧蚀或微研磨通道结构以包括分配结构61来形成。
当聚合物层13与顶部基底11和底部基底12组装时在聚合物层13中形成的通道结构将限定主通道2、(多个)分析区段3、主通道壁中的开口31(例如在主通道2的顶点32处)和分析区段3的后壁33。主通道壁23中的开口31与后壁33之间的距离26在10μm到50μm的范围内。
使用例如激光作为光源以及适当的检测器来检测颗粒(未示出)的光学传感器***可以与顶部基底11和底部基底12成一体，使得激光穿透分析区段3。
在优选的实施例中，微流体颗粒分析装置1采用EIS原理来检测颗粒5。电极4，例如参比电极和激发电极，两者都可以包含在顶部基底11的表面111或底部基底12的表面121上，以制备具有基于EIS的传感器***的微流体颗粒分析装置1，以便使用共面电极4检测颗粒。可替代地，电极4可以包含在顶部基底11的表面111和底部基底12的表面121中，从而提供基于EIS的传感器***，用于使用以平行重叠设置布置的电极4来检测颗粒。在所描绘的实施例中距主通道壁23中的开口31的垂直距离25为约5μm。
在第一工艺步骤中，将电极4沉积在底部基底12上，以便产生具有共面电极4的微流体颗粒分析装置1，或者将电极4沉积在底部基底12和顶部基底11上，以便产生具有平行重叠电极4的微流体颗粒分析装置1。可以例如在洁净室中使用标准剥离工艺制造，通过电极金属(例如，Ti作为粘合剂层以及Au或Pt作为导电层)的电子束沉积来制造电极4。电极的总厚度通常在100nm到200nm之间。
在第二工艺步骤中，标准HF蚀刻工艺用于在底部基底12和顶部基底11中的任一个或两个中限定主通道2。将背侧保护层施加到基底11、12上，并且使用标准光刻法工艺来限定具有蚀刻剂开口的掩模。由于HF蚀刻的深度，使用金属作为掩模材料是有利的，然而，为了在金属掩模剥离期间保护电极4，也可以使用金属掩模与基底之间的薄的中间光致抗蚀剂层。由于HF蚀刻工艺是各向同性蚀刻，所以主通道2的宽度将等于蚀刻深度加上掩模开口。当主通道2已经被限定在硼硅酸盐基底中时，掩模材料可以相应地被剥离。
进一步的工艺步骤可以包括例如使用粉末***或任何其他合适的技术在顶部基底11上形成入口孔和出口孔(未示出)。微流体中玻璃基底中孔的粉末***对于技术人员来说是公知的。由光致抗蚀剂制成的掩模可以用于保护电极和除入口孔和出口孔之外的所有事物。这将提供微流体颗粒分析装置1，其中主通道通过正交于平面设计的平面的通道(未示出)与入口处于流体连通。当入口与主通道2的平面设计处于同一平面时，通常不采用在上基底11上形成入口孔和出口孔的工艺步骤。
在第三工艺步骤中，图案化并沉积其中限定了通道的光致抗蚀剂。出于实际原因，光致抗蚀剂通常使用旋涂或喷涂施加到底部平面基底上。替代性地，光致抗蚀剂也可以用干膜光致抗蚀剂层压到基底上。在特定的制造工艺中，光致抗蚀剂被层压到底部基底12上。光致抗蚀剂使用标准光刻工艺来图案化，同时在碱性溶液中进行UV曝光和显影。
在第四工艺步骤中，顶部基底11和底部基底12对齐并结合。结合过程可以在切割之前或之后进行。在特定实施例中，结合过程是直接结合，其中，顶部基底11和底部基底12对齐并经受高温和高压以密封微流体通道。如果结合工艺是在切割之前进行的，切割是最有利的批量方法，最后的步骤是将结合的晶片切割成分离的芯片。
微流体颗粒分析装置1现在可以通过适当地连接外部部件(例如管、泵和电气零件)来完成。
在优选的实施例中，电极以平行重叠设置来布置，其中，用于检测颗粒的传感器***包括位于分析区段的第一表面111上的激励电极4和位于分析区段的第二表面121上的参比电极4，如图7所示；在图7中，电极被指定为具有附加标签“A”到“D”。在此实施例中，微流体颗粒分析装置包括面向相对的第一参比电极B的第一激励电极A。此外，与第二参比电极D相对的第二激励电极C位于第一激励电极A和第一参比电极B的下游。电压(例如直流电)被施加到激励电极A、C，并且在两个参比电极B、D处测量电流。减去来自两个参比电极B、D的信号(Idiff＝IAB-ICD)，以便获得图7所示的特征转变信号。当电极A-B或C-D之间不存在颗粒5时，测量的电流在电极A和B处相等(IAB＝ICD)，并且因此差分信号为零(Idiff＝0)。随着颗粒5移动到上游激励电极A与其参比电极B之间的体积，即操作空间中，在上游参比电极B上测量的信号发生变化。然而，下游参比电极D上的信号将不会改变，并且差分电流将不同于零(Idiff≠0)。当颗粒恰好被定位在上游激励电极A与其参比电极B之间时，测量到最大差分电流。当颗粒在流动流方向上恰好在A和B电极以及C和D电极之间时，测量的信号将再次相等(Idiff＝0)。当颗粒定位在激发电极C与其参比电极D之间时，测量到最小差分电流。
在特定实施例中，这些电极以共面设置布置，并且微流体颗粒分析装置包括位于两个参比电极之间的第一激发电极，如图8所示。向激励电极C施加电压，并且在两个参比电极A、B处测量电流。减去来自两个参比电极A、B的信号(Idiff＝IAC-IBC)，以便获得特征转变信号，如图8所示。当电极之间不存在颗粒时，在电极A和电极B处测量的电流相等(IAC＝IBC)，并且因此差分信号为零(Idiff＝0)。随着颗粒5移动到上游参比电极A与激励电极C之间的体积，即操作空间中，在上游参比电极A上测量的信号发生变化。然而，下游参比电极B上的信号将不会改变，并且差分电流将不同于零(Idiff≠0)。当颗粒恰好定位在上游参比电极A与激励电极C之间时，测量到最大差分电流。当颗粒在激发电极C的中心正上方时，测量的信号将再次相等(Idiff＝0)。当颗粒恰好被定位在激励电极C与下游参比电极B之间时，测量到最小差分电流。
处于几个频率下的转变信号的大小和形状被用来表征颗粒特性和样本特征，因此确定样本中的颗粒5的类型。此外，通过考虑颗粒已经移动的长度和转变的时间，转变信号可以用于确定颗粒移动穿过电极4的速度。通过评估从最大峰值到最小峰值的时间，可以直接根据转变信号确定时间。通过考虑两件事来评估颗粒5行进的距离。首先，电极4的宽度及它们之间的距离是在微流体颗粒分析装置1的设计期间选择的特定尺寸并且被明确限定。其次，由于通道的微尺寸，通道中的流动是层状的。这意味着在转变期间，颗粒5将停留在通道中的相同位置，例如分析区段3，并将在电极4上沿直线移动。因此，通过确定最大和最小差分电流之间的时间以及颗粒5已经行进的物理距离，可以计算颗粒5的精确速度(参见图7和图8)。通过评估颗粒5的流速并使用明确限定的通道尺寸，人们可以容易地确定分析区段3中的流量，因为颗粒5在本发明中呈现的任何给定条件下将会跟随分析区段3中的流动。
微流体颗粒分析装置1可以使用任何合适的技术制造，但是由于主通道2和分析区段3的较小的临界尺寸，优选的是使用洁净室设施来制造微流体颗粒分析装置1。制造过程因此可以包括标准制造程序，比如电极剥离过程、光刻法和直接结合，这是本领域技术人员公知的。
现在将在以下非限制性实施例中解释本发明。如对技术人员来说显而易见的，在不脱离本发明的情况下，变化是可能的。
实例
如上所述制备本发明的微流体颗粒分析装置。主通道在主流动方向的法向平面内具有100μm的第一截面尺寸和220μm的最大第二截面尺寸。主通道壁在分析区段的顶点处具有开口，其中分别在顶部基底和底部基底的表面处的第一表面和第二表面具有10μm的分析距离。顶部基底和底部基底装配有两组电极，以提供具有处于平行重叠设置的电极的分析区段；两组之间的距离在流动方向上从电极边缘到电极边缘为16μm。图3中描绘了主通道的截面，包括分析区段。
为了比较，如上所述，还制备了具有主通道的微流体颗粒分析装置，该主通道在主流动方向的法向平面内具有135μm的第一截面尺寸和350μm的最大第二截面尺寸。因此，此装置不符合本发明。对比装置具有作为本发明微流体颗粒分析装置的分析区段。
在这两个装置中，开口的长度为1800μm，并且从主通道的入口端到出口端的距离为1800μm。
预计分析区段中的流量比例线性地取决于主通道中的流量(即，使主通道中的流量加倍将使分析区段中的流量加倍)。
当颗粒在电极组之间通过时，电极之间流动的电流将发生变化(取决于颗粒的类型，电流更低或更高)。当颗粒位于到电极的边缘的竖直(流动方向)距离相等的位置时，电流的这种变化引起电流的特征峰值。
由于电极放置在分析区段中，因此可以确定在电极之间经过的流的速度。这是通过测量来自两个电极组的峰值电流之间的时间来完成的；这被称为转变时间。因为电极之间的分析距离(d电极)是已知的，所以转变时间(t转变)可以用于根据等式4计算颗粒的速度(V颗粒)。
Figure BDA0002378380440000241
因为分析区段中的流动是层状的，并且颗粒的质量可以忽略不计，所以可以假设液体的速度(流动速度)等于颗粒速度。反过来，流动速度线性地依赖于体积流量(在流动速度相关的区域中)。
为了使微流体装置可用作颗粒传感器(例如用于细菌)，比如用于检测单个细菌或其他细胞，在任何给定时间段期间通过分析区段的颗粒的数量必须成比例地对应于整个通道中所有相关流速下的颗粒浓度，并且另外，所有区域中的流动应该是层状的。为了测试浓度与流量的线性关系，注射包含2μm聚苯乙烯珠的样本通过微流体装置。采用高达12ml/min的体积流量，并根据公式5计算两个装置的主通道的雷诺数：
Figure BDA0002378380440000242
其中，Q是体积流量，DH是主通道的水力直径，ν是运动粘度，并且A是主通道的截面面积。在表1中指示两个微流体装置的雷诺数和颗粒雷诺数(在主通道中)。
表1微流体装置的雷诺数和颗粒雷诺数
Figure BDA0002378380440000243
在两个微流体装置中测试的所有条件下，雷诺数指示层状流动，以及颗粒雷诺数指示对于直径为2μm的球形颗粒来说没有流动聚焦。
转变时间的倒数可以用作分析区段中的流量的指示性度量。图9比较了两个微流体装置的转变时间的倒数，并示出了转变时间的倒数与两个微流体装置的泵流量成比例(在图9中，本发明的微流体颗粒分析装置被标记为“芯片A”，而对比微流体颗粒装置被标记为“芯片B”)。这表明，进入分析区段的液体量成比例且线性地取决于预计的***流量，并且芯片B中不同浓度测量值的问题与没有颗粒进入测量区域有关。
令人惊讶地，实验结果(如图1所示，其中，本发明的微流体颗粒分析装置同样被标记为“芯片A”，并且对比微流体颗粒装置也被标记为“芯片B”)显示，即使当雷诺数表明流量很好地进入层流区域(Re<2300)，并且当颗粒雷诺数指示不应该有颗粒聚焦时，也不能保证测量的颗粒浓度与流量的线性关系。因此，在微流体颗粒分析装置中，在传感器***中检测到的颗粒的浓度与流量无关，而在对比微流体装置中，颗粒的数量显著取决于流量。特别地，图1中的流量是主通道中的线性流量，使得对于两个微流体装置来说流量可直接比较。
制备进一步的微流体装置并测试信号对流量的依赖性。表2中总结了观察结果。
表2信号对流量的依赖性
Figure BDA0002378380440000251

Claims (18)

1.一种微流体颗粒分析装置(1)，包括通过限定从入口端(201)到出口端(202)的主流动方向的主通道(2)而处于流体连通的入口和出口，
-该主通道(2)由从该入口端(201)延伸到该出口端(202)的主通道壁(23)限定并且具有在20μm到120μm范围内的第一截面尺寸(21)和至少100μm的第二截面尺寸(22)，该主通道(2)的第一顶点(32)与第二顶点(32)相对，这些顶点(32)在该第二截面尺寸(22)上彼此相对，
其特征在于，
该主通道壁(23)在该第一顶点(32)和/或该第二顶点(32)处具有沿着该主流动方向延伸的开口(31)，并且，
该主通道壁(23)沿着该开口(31)通向分析区段(3)，该分析区段的第一表面(111)与第二表面(121)相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离(24)，并且该分析区段具有用于检测颗粒的传感器***。
2.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，用于检测颗粒的该传感器***包括第一电极(4)和第二电极(4)，该第一电极和第二电极限定了该第一电极(4)与该第二电极(4)之间的操作空间，该第一电极和第二电极(4)经由电路处于电连接，该电路包括交流(AC)电源或直流(DC)电源以及用于监测来自该第一电极(4)和/或该第二电极(4)的电信号的装置。
3.根据权利要求2所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，该传感器***用于检测该分析区段(3)的第一表面或第二表面(121)上的颗粒，其中该第一电极是激励电极(4)，该第二电极是参比电极(4)，并且该激励电极(4)位于两个参比电极(4)之间，并且其中，用于检测颗粒的该传感器***包括该分析区段(3)的第一表面(111)上的该激励电极(4)和该分析区段(3)的第二表面(121)上的该参比电极(4)，或者其中，用于检测颗粒的该传感器***包括在该分析区段(3)的第二表面(121)上的该激励电极(4)和在该分析区段(3)的第一表面(111)上的该参比电极(4)。
4.根据权利要求3所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，从该主通道壁(23)中的开口(31)到该激励电极(4)和到该参比电极(4)的垂直距离(25)是至少5μm。
5.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，该分析区段(3)具有与该主通道壁(23)中的开口(31)相对的后壁(33)，并且其中，该主通道壁(23)中的开口(31)与该后壁(33)之间的距离(26)在10μm到50μm的范围内。
6.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，该开口(31)从该入口端(201)延伸到该出口端(202)，或者其中，该开口(31)在该主流动方向上具有10μm到5000μm范围内的延伸部。
7.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，从该入口端(201)到该出口端(202)的距离在200μm到30,000μm范围内。
8.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，微流体颗粒分析装置(1)包括与该主通道(2)的入口端(201)处于流体连通的供应通道和与该主通道(2)的出口端(202)处于流体连通的出口通道。
9.根据权利要求1所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，该微流体颗粒分析装置不包括歧管。
10.一种微流体颗粒分析装置(1)，包括通过限定从入口端(201)到出口端(202)的主流动方向的主通道(2)而处于流体连通的入口和出口，
-该主通道(2)由从该入口端(201)延伸到该出口端(202)的主通道壁(23)限定并且具有在5,000μm2到38,000μm2范围内的截面面积和在20μm到500μm范围内的截面尺寸，
其特征在于，
该主通道壁(23)具有沿着该主流动方向延伸的开口(31)，并且该主通道壁(23)沿着该开口(31)通向分析区段(3)，该分析区段的第一表面(111)与第二表面(121)相对、相距5μm到50μm范围内的分析距离(24)，该分析区段具有用于检测颗粒的传感器***。
11.根据权利要求10所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，用于检测颗粒的该传感器***包括第一电极(4)和第二电极(4)，该第一电极和第二电极限定了该第一电极(4)与该第二电极(4)之间的操作空间，该第一电极和第二电极(4)经由电路处于电连接，该电路包括交流(AC)电源或直流(DC)电源以及用于监测来自该第一电极(4)和/或该第二电极(4)的电信号的装置。
12.根据权利要求11所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，该传感器***用于检测该分析区段(3)的第一表面或第二表面(121)上的颗粒，其中该第一电极是激励电极(4)，该第二电极是参比电极(4)，并且该激励电极(4)位于两个参比电极(4)之间，并且其中，用于检测颗粒的该传感器***包括该分析区段(3)的第一表面(111)上的该激励电极(4)和该分析区段(3)的第二表面(121)上的该参比电极(4)，或者其中，用于检测颗粒的该传感器***包括在该分析区段(3)的第二表面(121)上的该激励电极(4)和在该分析区段(3)的第一表面(111)上的该参比电极(4)。
13.根据权利要求12所述的微流体颗粒分析装置(1)，其中，从该主通道壁(23)中的开口(31)到该激励电极(4)和到该参比电极(4)的垂直距离(25)是至少5μm。
14.一种检测流体中的颗粒(5)的方法，该方法包括：
-提供根据权利要求1至13中任一项所述的微流体颗粒分析装置(1)，
-提供怀疑包含尺寸在0.1μm到20μm范围内的颗粒(5)的样本流体，
-从该微流体颗粒分析装置(1)的入口向出口施加该样本流体的流动，
-使用用于检测颗粒的传感器***检测该分析区段(3)中的颗粒(5)。
15.根据权利要求14所述的检测流体中的颗粒(5)的方法，其中使用用于检测颗粒的传感器***检测该分析区段(3)中的颗粒(5)的步骤包括使用用于检测颗粒的该传感器***测量在该分析区段(3)中的这些颗粒(5)的浓度。
16.根据权利要求14所述的检测流体中的颗粒(5)的方法，其中，该微流体颗粒分析装置(1)是根据权利要求2-9和11-13中任一项所述的微流体颗粒分析装置(1)，该微流体颗粒分析装置(1)包括第一电极(4)和第二电极(4)，该第一电极和第二电极限定了该第一电极(4)与该第二电极(4)之间的操作空间，该第一电极和该第二电极(4)经由电路处于电连接，该电路包括交流(AC)电源或直流(DC)电源以及用于监测来自该第一电极(4)和/或该第二电极(4)的电信号的装置，其中该方法包括从电源施加AC或DC电流以在操作空间中形成电场，并且监测该第一电极(4)与该第二电极(4)之间的差分电信号。
17.根据权利要求14所述的检测流体中的颗粒(5)的方法，其中，该样本流体中的颗粒(5)的浓度在0ml-1到108ml-1范围内。
18.根据权利要求14所述的检测流体中的颗粒(5)的方法，其中，将30μl/min到30ml/min范围内的体积流量施加到该微流体颗粒分析装置(1)的入口。
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