CN108279202A - 一种检测精度可调的颗粒计数装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测精度可调的颗粒计数装置和方法，该装置包括PDMS微流控芯片、信号放大电路以及信号采集与处理单元，其微通道包括：主通道，其一端具有进样孔，另一端具有废液孔；多个第一调节通道，所述第一调节通道其一端具有第一储液孔，另一端与所述主通道相交并向远离所述主通道的方向延伸；以及第二调节通道，其一端与检测口相连通且垂直于所述主通道并与所述主通道的宽度相同，所述检测口位于距离所述主通道与所述第一调节通道相交处一定距离的主通道上；本发明能够按照需求调节检测精度且能够有效避免通道阻塞。

Description

一种检测精度可调的颗粒计数装置和方法

技术领域

本发明涉及颗粒检测技术领域，具体说是涉及一种检测精度可调的颗粒计数装置和方法。

背景技术

颗粒计数广泛应用在交通运输、机械、电力、石油等领域对各类油液进行固体颗粒污染度检测，同时也在生物医学、公众健康和环境监测等领域用于确定病原体、细菌和细胞等目标物的个数，便携式快速颗粒计数装置与方法的研究有着重要的意义和需求。

目前现有常用的颗粒计数的方法包括下述几种：

1)光阻法：目前应用最为广泛的颗粒计数方法，它利用微粒对光的遮挡所发生的光强度变化进行微粒粒径检测。此方法原理简单，但其中的光电转换系统结构复杂且昂贵，检测精度低也不高。

2)电感法：利用颗粒通过检测微孔时引起微孔电感改变的现象实现颗粒计数。此方法原理简单，但仅适用于检测各种金属颗粒，金属颗粒，检测精度也受到设备精度限制。

3)电容法：一种非接触式检测方法，通过监测颗粒经过检测微孔时微孔的电容信号的变化实现颗粒计数。此方法常用于低导电溶液(例如油液)中的颗粒计数，检测对象主要为金属颗粒，缺点是微小电容的检测依赖于昂贵的大型高精度检测仪器。

4)激光诱导荧光检测法：光电传感器通过检测到颗粒在激光照射后自带的荧光实现颗粒计数。此方法适用于血液分析、免疫学和微生物学相关领域，计数准确且方便，缺点是样品需要预处理，所用光学元件结构复杂且成本高，检测精度有限。

5)电阻脉冲法(RPS)：监测颗粒流经存在电场的微孔时微孔两端电压变化实现检测与计数，此方法操作简便，是目前精度最高的颗粒计数方法。

其可以将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离和检测等基本操作集成到一块微米尺度的芯片上的微流控芯片装置，其独有的液体流动可控、消耗试剂和试样极少、分析速度成十上百倍地提高等特点，使得上百个样品的在几分钟甚至更短的时间内完成同时分析，且在线实现样品的预处理及分析全过程。

近年来迅速发展的芯片实验室技术，报道了许多在微流控芯片上利用RPS方法对微纳米颗粒、细胞和细菌等进行计数的研究。最初的微流控RPS计数芯片是在一段线宽比待检测颗粒稍大的检测通道两端各加工一条数百微米宽的主通道，然后在主通道两端施加直流电场；当溶液中的待检测绝缘颗粒经过检测通道时会引起检测通道两端分电压的变化，将此电压变化通过电路放大后输出为脉冲信号，检测过程中出现的脉冲信号的个数即为待测颗粒的个数。为提高检测精度、效率和可操作性，人们对芯片结构进行了各种优化。

最传统的RPS检测芯片结构仅包括一段线宽比待测颗粒稍大的检测通道和其两端各一条数百微米宽的主通道，通过将插在主通道两端的铂电极串联电阻后与直流电源两端相连，然后放大电阻两端电压信号的变化实现颗粒计数。但是此方法系统噪音大，所以检测精度低。优化后的检测芯片在检测通道前后又各设立了一条检测臂通道，用电极直接测量通道两端电压信号，再通过差分放大，通过差分降低系统噪音，进而提高了检测精度；近年出现的一种基于非均匀电场的计数芯片，使用油水界面改变通道内电场分布，并利用流场控制实现待测颗粒不进入检测通道下的检测，解决了颗粒进出检测通道容易引起堵塞的问题。

但是，现有的计数芯片为了得到较高的检测信噪比，往往需要使得检测通道尺寸和颗粒的尺寸相近，加工步骤复杂且成本较高，且容易出现检测通道堵塞的问题。而基于非均匀电场的颗粒检测方法，虽然颗粒不用进入检测通道，但是因为检测过程中油水界面位置不稳定，导致其作难度大且稳定性不高。此外，目前的检测芯片因为检测原理的限制，每个检测芯片的检测精度是固定的，应用范围受限。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种检测精度可调的颗粒计数装置，该装置能够按照需求调节检测精度且能够有效避免通道阻塞。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种检测精度可调的颗粒计数装置，该装置包括PDMS微流控芯片、信号放大电路以及信号采集与处理单元，所述PDMS微流控芯片为在PDMS基片上凹刻有微通道的一侧与载玻片封装为一体，以形成供待测样品流通的微通道的微流控芯片，其特征在于，所述微通道包括：

主通道，其一端具有进样孔，另一端具有废液孔；

多个第一调节通道，所述第一调节通道其一端具有第一储液孔，另一端与所述主通道相交并向远离所述主通道的方向延伸；

以及第二调节通道，其一端具有第二储液孔，另一端与检测口相连通且垂直于所述主通道并与所述主通道的宽度相同，所述检测口位于距离所述主通道与所述第一调节通道相交处一定距离的主通道上；

其中，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔以及第二储液孔内均插有铂电极；并使得所述第二储液孔内的铂电极通过一参考电阻与直流电源的负极连接，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔内的铂电极均与上述直流电源的正极连接；同时所述参考电阻的两端均通过导线与所述信号放大电路的输入端连接，所述信号放大电路的输出端与所述信号采集与处理单元连接。

进一步的，作为本发明的优选：

通过改变第一调节通道的数量调节所述颗粒计数装置检测精度。

进一步的，作为本发明的优选：

通过改变第二调节通道的长度调节所述颗粒计数装置检测精度。

本发明另一目的是要提供一种基于上述颗粒计数装置进行颗粒计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、样品滴加：首先在进样孔和各个第一调节通道的第一储液孔中滴加PBS缓冲液，在第二调节通道的第二储液孔和废液孔中分别滴加PBS缓冲液，然后将待测样品滴加入到所述进样孔中；

S2、样品输运：接通直流电源，并调整各储液孔内液面高度，使所述进样孔中的待测样品在压力作用流入主通道，并在第一调节通道的压差作用下在主通道内贴壁流经调节通道的检测口后流至废液孔；

S3、信号放大采集分析：采集颗粒流经检测口时参考电阻两端的电压脉冲信号，并将采集到的信号放大后，由所述信号采集与处理单元进行记录并显示相应的检测数据即检测样品颗粒的个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明在进行检测时，其待测样品颗粒不进入检测口，能有效避免通道堵塞现象，使其检测稳定性高；

2)本发明能够通过增大主通道与检测口宽度的比值或通过降低通道高度不断提高检测信号的信噪比，进而提高检测精度；

3)本发明能够通过增大外加电压、增加的第一调节通道的数量或者减小第二调节通道长度，来提高检测精度。

附图说明

图1为本发明所述装置的微流控芯片结构示意图；

图2为本发明所述装置的整体结构示意图。

图中：M、PDMS基片，L、载玻片，A、第一个第一储液孔，B、第二个第一储液孔，C、第三个第一储液孔，D、主废液孔，E、第二储液孔，F、进样孔，1、第一个第一调节通道，2、第二个第一调节通道，3、第三个第一调节通道，4、主通道，5、第二调节通道，6、差分放大器，7、NI数据采集卡，8、计算机。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术背景：由于颗粒流经存在电场的微孔时，会对电场产生明显的扰动，而相应的微孔处两端电压变化而产生电压脉冲信号；基于上述原理，可以通过检测电压脉冲信号的个数实现检测样品颗粒的个数的目的。另外，使用多个主通道在电场中的并连或者减小主通道的长度，可以减小主通道的等效电阻，从而增大检测通道的平均电场强度，能够有效地提高检测精度。

基于上述设计背景，如图1所示，本发明设计了一种检测精度可调的颗粒计数装置，其包括PDMS微流控芯片、信号放大电路以及信号采集与处理单元，所述PDMS微流控芯片为在PDMS基片M上凹刻有微通道的一侧与载玻片L封装为一体，以形成供待测样品流通的微通道的微流控芯片，其特征在于，所述微通道包括：

主通道，其一端具有进样孔，另一端具有废液孔；多个第一调节通道，所述第一调节通道其一端具有第一储液孔，另一端与所述主通道相交并向远离所述主通道的方向延伸；

以及第二调节通道，其一端具有第二储液孔，另一端与检测口相连通且垂直于所述主通道并与所述主通道的宽度相同，所述检测口位于距离所述主通道与所述聚第二调节通道相交处一定距离的主通道上；

其中，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔以及第二储液孔内均插有铂电极；并使得所述第二储液孔内的铂电极通过一参考电阻与直流电源的负极连接，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔内的铂电极均与上述直流电源的正极连接；用以在通道内产生稳定且聚集于检测口的电场，进而使得样品在进样孔与废液孔间压差驱动下从主通道流向废液孔；同时所述参考电阻的两端均通过导线与所述信号放大电路的输入端连接，所述信号放大电路的输出端与所述信号采集与处理单元连接；所述信号采集与处理单元包括NI采集卡和计算机。

进一步的，作为本发明的优选：

所述检测原理通过调节上调节通道的数量调节检测精度即通过改变第一调节通道的数量调节所述颗粒计数装置检测精度。

进一步的，作为本发明的优选：

所述检测原理通过调节下调节通道的长度调节检测精度即通过改变第二调节通道的长度调节所述颗粒计数装置检测精度。

本发明另一目的是要提供一种基于上述颗粒计数装置进行颗粒计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、样品滴加：首先在进样孔和3个第一调节通道的第一储液孔中滴加PBS缓冲液，在下调节通道的第二储液孔和废液孔中分别滴加PBS缓冲液，然后将待测样品滴加入到所述进样孔中；

S2、样品输运：接通直流电源，并调整各储液孔内液面高度，使所述进样孔中的待测样品在压力作用流入主通道，并在3个第一调节通道的压差作用下在主通道内贴壁流经检测口后流至废液孔；

S3、信号放大采集分析：采集颗粒流经检测口时参考电阻两端的电压脉冲信号，并将采集到的信号放大后，由所述信号采集与处理单元进行记录并显示相应的检测数据即检测样品颗粒的个数。

下面以聚苯乙烯样品颗粒为例进行检测，如图2所示：

本实施案例的装置参数：本实施案例所用的芯片检测口的尺寸5*10μm(宽×高)，各储液孔到芯片主通道中间的距离是5mm，主微通道尺寸是200*10μm(宽×高)，主通道进口尺寸是10*10μm(宽×高)；待检测样品为1μm聚苯乙烯颗粒溶液；缓冲液为PBS(1×)溶液；施加于通道正负极的电场强度为20V/cm(针对1μm颗粒)；

该装置的微通道包括位于所述微流控芯片上的第一个第一储液孔A、第二个第一储液孔B、第三个第一储液孔C、废液孔D、第二储液孔E、进样孔F、第一个第一调节通道1、第二个第一调节通道2、第三个第一调节通道3、主通道4和第二调节通道5；在各个储液孔内均插有铂电极；并使得所述第二储液孔E内的铂电极串联电阻R后连接电源负极，其余电极连接电源正极；在电阻R两端通过两根导线并联差分放大器6的两个输入端；差分放大器的输出端连接至NI数据采集卡7的输入端；NI输出信号可以直接在所连接的计算机8显示并进行分析。

基于上述颗粒计数装置进行颗粒计数的方法，包括如下步骤：

S1、样品滴加：首先在进样孔F和各个第一储液孔中分别滴加30μL的PBS缓冲液，在第二储液孔E和废液孔D中分别滴加10μL和5μL PBS缓冲液，然后将2.5μL的待测样品滴加入到进样孔F中；

S2、样品输运：接通直流电源，调整各储液孔内液面高度，使进样孔F中的样品能在压力作用流入主通道4，然后在各个第一调节通道1、2和3的压差作用下在主通道4内贴壁流过检测口然后流至废液孔D；由于各个第一调节通道1、2、3和主通道4都有施加电场，上游主通道会因为电路并联使得等效电阻大大减小，从而使得检测通道内分电压大大增加；当绝缘的颗粒经过(垂直切过)检测口区域时，原本尺寸就很小的检测口区域因为导电区域进一步减少而等效电阻进一步增大，使检测通道分电压发生变化，进而导致电阻R两端的电压变化，产生检测信号，检测信号经过AD620差分放大器差分信号放大后输入至NI采集卡，NI采集卡输出信号可以直接在所连接的计算机上显示并进行分析；

S3、信号放大采集分析：通过采集颗粒流经检测口时参考电阻两端的电压脉冲信号，采集到的信号通过差分放大器放大后，由信号采集单元进行记录并显示相应的检测数据，即检测样品颗粒的个数。

对应的检测结果：通过计算机可以直接获得实时检测和计数结果，样品中颗粒的个数等于脉冲信号的个数。

综上所述，本发明所述的一种检测精度可调的颗粒计数方法和装置，首先检测过程中，所述待测颗粒从样品通道进入主通道，然后贴壁经检测口区域流至废液孔，便能实现检测与计数；由于检测口的电场强度足够大，且颗粒无需进入检测通道，有效提高了检测精度并避免了通道阻塞现象。其次，在检测过程中，使用三个或更多第一调节通道连接电源正极的方法通过实现流体电路的并联减小上游通道的等效电阻，或减小第二调节通道的长度也能减小下游通道的有效电阻，进而增大检测通道的平均电场强度和分压，就能提高检测精度，即可以按需求实现不同尺寸颗粒或不同信噪比要求下的检测与计数。最次，通过增大或减小外加电压值，可以提高或降低检测精度—即能实现不同尺寸颗粒的检测与计数，或者满足不同检测信噪比的需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测精度可调的颗粒计数装置，该装置包括PDMS微流控芯片、信号放大电路以及信号采集与处理单元，所述PDMS微流控芯片为在PDMS基片上凹刻有微通道的一侧与载玻片封装为一体，以形成供待测样品流通的微通道的微流控芯片，其特征在于，所述微通道包括：

主通道，其一端具有进样孔，另一端具有废液孔；多个第一调节通道，所述第一调节通道其一端具有第一储液孔，另一端与所述主通道相交并向远离所述主通道的方向延伸；

以及第二调节通道，其一端具有第二储液孔，另一端与检测口相连通且垂直于所述主通道并与所述主通道的宽度相同，所述检测口位于距离所述主通道与所述第一调节通道相交处一定距离的主通道上；

其中，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔以及第二储液孔内均插有铂电极；并使得所述第二储液孔内的铂电极通过一参考电阻与直流电源的负极连接，所述进样孔、废液孔、各个第一储液孔内的铂电极均与上述直流电源的正极连接；同时所述参考电阻的两端均通过导线与所述信号放大电路的输入端连接，所述信号放大电路的输出端与所述信号采集与处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的检测精度可调的颗粒计数装置，其特征在于：

通过改变第一调节通道的数量调节所述颗粒计数装置检测精度。

3.根据权利要求1所述的检测精度可调的颗粒计数装置，其特征在于：

通过改变第二调节通道的长度调节所述颗粒计数装置检测精度。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的检测精度可调的颗粒计数装置进行颗粒计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、样品滴加：首先在进样孔和各个第一调节通道的第一储液孔中滴加PBS缓冲液，在第二调节通道的第二储液孔和废液孔中分别滴加PBS缓冲液，然后将待测样品滴加入到所述进样孔中；

S2、样品输运：接通直流电源，并调整各储液孔内液面高度，使所述进样孔中的待测样品在压力作用流入主通道，并在第一调节通道的压差作用下在主通道内贴壁流经调节通道的检测口后流至废液孔；

S3、信号放大采集分析：采集颗粒流经检测口时参考电阻两端的电压脉冲信号，并将采集到的信号放大后，由所述信号采集与处理单元进行记录并显示相应的检测数据即检测样品颗粒的个数。