一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置及检测方法
阅读说明：本技术 一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置及检测方法 (In-situ detection device and detection method for flow rate and flow velocity of liquid in microfluidic channel ) 是由 牛鹏飞 刘亦叶 陈梦圆 吴淑颖 孙仪 邓金奇 于 2021-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置,包括基底、微流道层和盖板三部分；基底位于微流道层的底侧,盖板位于微流道层上侧,在基底上设置有激光诱导石墨烯图案,该激光诱导石墨烯图案位于微流道层的液体通道的投影面；微流道层的液体通道的面对激光诱导石墨烯图案的一侧是透明材质。当透明液体流入微流道层的液体通道后,由于改变了激光诱导石墨烯图案上方的光学特性,使液体填充液体通道部分和未填充液体通道部分存在可辨识的明显颜色变化,能够直观地观察到液体所处位置,根据时间间隔即可计算出微液体流量和流动速率等参数。(The invention discloses an in-situ detection device for the flow rate and the flow velocity of liquid in a microfluidic channel, which comprises a substrate, a microfluidic channel layer and a cover plate; the substrate is positioned at the bottom side of the micro-flow channel layer, the cover plate is positioned at the upper side of the micro-flow channel layer, and a laser-induced graphene pattern is arranged on the substrate and positioned on the projection surface of the liquid channel of the micro-flow channel layer; the side, facing the laser-induced graphene pattern, of the liquid channel of the micro-channel layer is made of a transparent material. After the transparent liquid flows into the liquid channel of the micro-channel layer, due to the fact that the optical characteristics above the laser-induced graphene pattern are changed, the liquid-filled liquid channel part and the liquid-unfilled liquid channel part have distinguishable obvious color changes, the position of the liquid can be visually observed, and parameters such as micro-liquid flow rate, flow rate and the like can be calculated according to time intervals.)
技术领域
本发明属于微流控流速测量技术领域，具体涉及一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置及检测方法。
背景技术
微流控片上实验室(microfluidiclab-on-a-chip)是将微量样品的制备、反应、分离、检测、废液回收等基本操作单元全部集成到一块芯片上，实现自动分析，避免潜在的交叉污染和人为操作错误的影响，广泛应用于化学、生物、医学分析领域。微流控芯片内的所有操作过程和结果体现都与液体的流量及流动速率密切相关，实现精确的微液体流量及流动速率测量至关重要。目前微液体流量和流速的测量和控制主要通过注射泵等芯片外仪器实现，这不但增加了系统的尺寸和复杂程度，也不能实现流量和流速的原位测量。将传感器集成到微流道内是实现液体精准控制的必要方案。
现阶段，原位流量和流速传感器的设计原理包括：量热法、电阻抗法、光学法等。量热法是在微流道内集成微型加热单元和温度传感器，检测时，加热单元加热液体，温度传感器检测加热单元上、下游液体的温度变化，通过液体温度分布获得其流量和流速。然而微型温度传感器的设计、制造和其在微流道中的集成比较复杂，同时多数样品、尤其是生物样品在加热环境下结构会被破坏。电阻抗法(或电导法)在微流道中集成电极，通过电极间阻抗(或电导)与液体流量/流速的相互关系实现测量，然而这种方法对液体的导电性有较高的要求，普适性差。光学法在液体中添加示踪物质，通过显微镜等技术实时追踪失踪物质的位置，实现对液体流速/流量的测量。相比之下，这种方法操作简单，适用性广，但是外源物质的加入使液体不能保持其固有属性：比如示踪粒子的加入导致液体流变行为的变化，颜料的加入严重影响液体的透明性等，同时外源物质的存在可能影响后续对液体进行准确的组分分析。专利CN 104297518 A利用气泡为示踪剂，通过CCD相机记录微液体内气泡的轨迹，将气泡流速等效为微流道内液体的流动速率，该方法的外源物质为气泡，对液体损伤小。然而在微液体中引入气泡且使其稳定存在的难度较大，且其应用受限，比如其不适用于用于体液(汗液、泪液、组织液)检测的可穿戴微流控芯片。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单、普适性广且对样品没有损伤的微流控流道内液体流量流速原位检测装置及检测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置，包括基底、微流道层和盖板三部分；基底位于微流道层的底侧，盖板位于微流道层上侧，在基底上设置有激光诱导石墨烯图案，该激光诱导石墨烯图案位于微流道层的液体通道的投影面；微流道层的液体通道的面对激光诱导石墨烯图案的一侧是透明材质。
在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案是通过二氧化碳激光诱导方法在基底上直接生成，基底材料是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、树叶、木头之一，或其他能够被烧蚀成石墨烯的碳源物质。
在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案与微流道层的液体通道形状一致。
在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案覆盖全部液体通道的投影区域，或者分布在液体通道的部分投影区域。
在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案的宽度是液体通道的宽度的0.3-1.5倍，这种条件下透明液体填充通道和空气填充通道时的颜色差别非常明显。
在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案的方块电阻优选在5-1000Ω/sq范围内。
在上述技术方案中，基底、微流道层和盖板三者的结合可选用胶带粘合、热压键合等方式；微流道层和盖板的材质为玻璃、硅橡胶、透明有机高分子材料；透明有机高分子材料例如：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。
在上述技术方案中，微流道层和盖板的材料折射率要与所测液体的折射率相近，以使光线从激光诱导石墨烯图案传至微流道层和盖板外时损耗尽量少，使液体环境下激光诱导石墨烯图案的颜色变化更容易被观察到，利于流速/流量检测。
应用上述微流控流道内液体流量流速原位检测装置进行检测的方法：当透明液体流入微流道层的液体通道后，由于改变了激光诱导石墨烯图案上方的光学特性，使液体填充液体通道部分和未填充液体通道部分存在可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到液体所处位置，根据时间间隔即可计算出微液体流量和流动速率等参数。
在上述技术方案中，检测时，通过手机对上述微流控流道内液体流量流速原位检测装置进行拍照，所得图像进行进一步的图像处理优化，以更好的区分液体填充通道和空气填充通道的区别度。
本发明的优点和有益效果为：
1.本发明利用LIG基底微流道系统在液体和空气环境下展现出的颜色变化确定液体的位置，进而获得液体的体积并计算出单位时间内液体的流动速率。所采用的LIG图案是经激光诱导法生成，该制造技术过程简单，可以大批量生产；另外，设计和形成LIG图案时，可以同时形成由LIG基刻度尺，非常便于液体长度以及体积的获得。
2.本发明无需在液体中添加颜料即可实现液体流速的原位测量，不会在液体中引入其他杂质引起样品的污染，有利于集成其他分析模块对样品进行准确分析。
3.本发明的装置简单，检测方便，适用性广，尤其利于在穿戴式微流控芯片中原位检测液体(包括汗液、组织液、泪液、唾液等)的流速。
4.本发明的适用性广，所能测量的液体的种类(包括水、乙醇、甘油等)与构建微流控芯片的材料的折射率密切相关，为获得高的检测灵敏度，需要液体的折射率接近制作微流控芯片的材料的折射率，更具体的，其折射率差值的绝对值≤0.5。
5.本发明可以同时测量相机视场内多个通道内的液体流动速率。
附图说明
图1是本发明的微流控流道内液体流量流速原位检测装置的结构示意图。
图2.1是本发明中的LIG图案与微流道层的液体通道一种匹配关系示意图。
图2.2是本发明中的LIG图案与微流道层的液体通道一种匹配关系示意图。
图2.3是本发明中的LIG图案与微流道层的液体通道一种匹配关系示意图。
图2.4是本发明中的LIG图案与微流道层的液体通道一种匹配关系示意图。
图3.1是本发明中微流道层的液体通道和LIG图案的一种形状示意图。
图3.2是本发明中微流道层的液体通道和LIG图案的一种形状示意图。
图3.3是本发明中微流道层的液体通道和LIG图案的一种形状示意图。
图3.4是本发明中微流道层的液体通道和LIG图案的一种形状示意图。
图4.1是本发明中LIG图案的微观图像。
图4.2是本发明中LIG图案的微观图像。
图5.1-5.6是不同基底的微流控芯片充水和未充水区域的照片。
图6是在一定水流速度下，利用手机相机摄录的水在LIG基底微流道中的位置变化的视频中选取的不同时刻下水在LIG基底微流道中的位置的原始数码照片。
图7是将图6中的图片颜色饱和度调至0％后的图像。
图8是与图6对应的实时检测微流道中水的体积及其实时流速关系图。
图9是Y型流道示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种微流控流道内液体流量流速原位检测装置，参见附图1，包括基底1、微流道层2和盖板3三部分。
基底位于微流道层的底侧，盖板位于微流道层上侧，在基底上设置有激光诱导石墨烯(Laser Induced Graphene,以下简称为LIG)图案1-1，且LIG图案的部分或者全部位于微流道层的液体通道2-1的投影面；微流道层的液体通道的面对LIG图案的一侧是透光性好的透明材质。盖板3上设置有对应的进液口3-1和出液口3-2，当透明液体流入液体通道后，改变了原本LIG与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够简洁直观地观察到液体所处位置，根据时间间隔即可计算出微液体流量和流动速率等参数。
LIG是通过二氧化碳(CO2)激光诱导方法在基底上直接生成，其中基底材料可以是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、树叶、木头等材质。针对LIG图案与微流道层的液体通道的相互装配关系，如图2.1-2.4所示，所制得LIG图案可以与微流道层的液体通道形状一致(图2.1和2.2)，也可以不相同(图2.3和2.4)，LIG图案可以覆盖全部液体通道的投影区域(图2.1、2.2、2.3)，也可以仅仅分布在液体通道的部分投影区域(图2.4)。LIG图案的宽度W(LIG)与液体通道的宽度W(channel)相比，W(LIG)小于、等于和大于W(channel)皆可，优选尺寸范围是W(LIG)≥0.3W(channel)，这种条件下透明液体填充通道和空气填充通道时的颜色差别非常明显。
微流道层的液体通道和LIG图案的形状是不受限制的，其可以呈多种多样的走势，例如折线型、螺旋型、线性、花型等(参见附图3.1-3.4)。
所采用LIG呈多孔结构(图4.1和4.2)，其孔隙结构和孔隙率与LIG呈线出来的颜色(黑白)密切相关，与图4.2所示多孔结构的LIG相比，图4.1所示LIG呈现出一定程度的白色，这是空气与石墨烯层耦合后呈现出的颜色，LIG的多孔性与其方块电阻(sheetresistance)直接相关，为得到优异的流量/流速测量效果，所选用LIG的方块电阻优选在5-1000Ω/sq范围内。
进一步的说，基底、微流道层和盖板三者的结合可选用胶带粘合、热压键合等方式，微流道层和盖板的材料选择有：玻璃、硅橡胶、有机高分子材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET)等。当微流道层和盖板的材料折射率与所测液体的折射率相近时(例如，水的折射率约为1.3，微流道层和盖板所选材料的折射率应在1.1到1.5之间)，光线从LIG图案传至微流控芯片外时损耗少，液体环境下LIG的颜色变化更容易被观察到，利于流速/流量检测。
实施例二
在实施例一的基础上，进一步的说，可通过手机等数码产品对上述微流控检测装置进行拍照，所得图像进行进一步的图像处理优化，以更好的区分液体填充通道和空气填充通道的区别度。
更进一步的说，通过手机等数码产品对上述微流控检测装置进行拍照，图像传输云端或者其他外设等存储媒介，经图像处理软件处理后，再将处理结果返回给客户端，能够自动化得到实时结果。
实施例三
本实施例对上述原位检测装置及检测方法进行实验验证：
图5.1-5.6展示了不同基底的微流控芯片充水和未充水区域的照片，其中图5.1、图5.3、图5.5的基底分别为厚度为50μm的PET薄膜、PI薄膜、以及设置了LIG图案的PI薄膜；微通道层是100μm厚硅胶膜经CO2激光切割制成，液体通道宽度为0.5mm，盖板是厚度为100um的硅胶膜。基板/微通道层/盖板通过厚度为20μm的双面胶粘合。
可以看出，利用50μm厚的PET薄膜(图5.1)和PI薄膜(图5.3)为基底构建的微流控芯片，其充水区域与未充水区域的颜色对比度差，非常不易观察，不利于检测液体通道内的液体体积，进而不利于计算出一定时间内液体的流量及流速；并且通过图像处理软件将其颜色饱和度调至0％，得到图5.2和5.4的图像，没有明显改善，利用其他图像处理方案，包括颜色饱和度、色调、重新着色等也不能改善图像质量。与之相比利用含有LIG图案的PI薄膜为基底时，能够使原始照片(图5.5)的充水和无充水流道即呈现出非常明显的人眼可识别的颜色对比度，充水区域颜色更深，未冲水区域相对来说颜色较淡，这利于人们获得微流道内液体体积，进而计算得到相应的流量及流速；将图像的颜色饱和度调至0％，所得图像(图5.6)的颜色对比度更加明显，更利于获得界面，有益于人们获得液体体积、流量及流速。
图6是在一定水流速度下，利用手机相机摄录的水在LIG基底微流道中的位置变化的视频中选取的不同时刻下水在LIG基底微流道中的位置的原始数码照片。基底是含有LIG图案的50μm厚PI薄膜，微流道层和盖板层是由厚度为100μm的硅胶膜制成，液体通道宽度为0.5mm，经CO2激光切割而成。基底/微流道层/盖板通过厚度为20μm的双面胶粘合。粘合盖板和微流道层的双面胶不含液体通道结构，而粘合基底PI薄膜和微流道层的双面胶含有液体通道结构，且其尺寸与微流道层的液体通道结构的尺寸完全一样。可以看出，水填充的和未填充的液体通道存在明显的人眼可辨识的颜色对比度差异，可以方便的辨识出水在液体通道中的位置。更进一步的，如图6所示，利用激光诱导的方法形成LIG图案时，可以同步生成LIG标尺图案。这非常利于读出液体在流道中的长度参数，在知道流道横截面积的情况下，横截面积x长度＝液体的体积，进而通过液体体积/相应的时间，可以计算出单位时间内液体的流动速率。图7是将图6中的图片颜色饱和度调至0％后对应的结果，可以看出，图像处理可以增强充水和未充水的LIG基底流道的颜色对比度，更便利于人们观察液体的位置。
图8展示了利用LIG基底微流控芯片原位实时检测的水在微流道中的流动速率，微流控芯片的尺寸，尤其是液体通道的尺寸，与图6中所描述的器件的液体通道尺寸完全一样。我们设定注射泵(KD Scientific)的注入速率为5μL/min，所采用的注射器为江苏华达医疗器械有限公司生产的塑料基一次性使用的体积为1mL的无菌注射器。在微流道内距离液体入口特定距离下，原位测量的水的流速在5μL/min左右波动，但是其流速不是恒定的5μL/min，考虑到注射器运动的不完全均匀性及微流道内的流动阻力的时刻变化性，原位测得的微流道内液体流速不恒定与事实更接近，这更利于人们实现对微流道内液体流动的实时控制。
实施例四
不同类型LIG基底微流控芯片原位检测去离子水的流动速率。利用镭曼CO2激光仪在50μm厚的Kapton薄膜基底上形成方块电阻为50Ω/sq、150Ω/sq、和1000Ω/sq的LIG直线图案，图案宽度为570μm，长度约为46mm；微流道层分别采用厚度范围在100μm至1mm的硅胶(其折光系数约1.4)、厚度范围在50μm至1mm的PDMS(其折光系数约1.4)、厚度范围为10um至50um的PET基双面胶(其折光系数约1.5)、或1mm厚的亚克力PMMA板(其折光系数约1.5)，微流道层的液体流道经CO2激光切割机切割而成，流道宽度设定为500μm和1mm两种；顶盖的材料也选用和微流道层相同的材料；基底、微流道层、盖板通过双面胶粘合。利用注射泵向微流控芯片上注入去离子水(其折光系数为1.3)，注射速率设定为1μL/min、5μL/min、10μL/min和100μL/min,利用手机拍照并分别用人眼读取和图像处理软件Matlab进行自动计算的方式，发现去离子水的流动速率在注射泵设定值附近波动，其波动区间大概是在设定速率的1±40％之间，主要分布在1±20％区间内。
LIG基底微流控芯片原位检测多种液体的流动速率。利用镭曼CO2激光仪在50μm厚的Kapton薄膜上形成方块电阻为50Ω/sq、150Ω/sq、和1000Ω/sq的LIG直线图案，LIG图案的宽度为570μm，长度约为46mm。通过CO2激光在厚度为100μm的商用硅胶上切割出与LIG图案走势和长度一样但宽度为500μm的液体流道。用厚度为20μm的PET双面胶层将基底和微流道层粘合，PET上的液体流道也用CO2激光切割机形成，其尺寸与硅胶上的液体流道完全一致。顶盖是100μm厚的硅胶，其与微流道层通过PET双面胶粘合，顶盖和其粘合层上不含液体流道结构。利用注射泵分别向微流控芯片上注入乙醇(其折光系数约为1.38)、异丙醇(其折光系数约为1.43)、甘油(其折光系数约为1.47)，注射速率设定为1μL/min、5μL/min、10μL/min和100μL/min,利用手机拍照用人眼读取液体体积并计算液体流速，发现LIG基微流控芯片原位检测的去离子水的流动速率在注射泵设定值附近波动，其波动区间大概是在设定速率的1±50％之间，主要分布在1±20％区间内。
LIG基底微流控芯片同时原位检测多种液体的流动速率。制作Y型微流控芯片(如图9所示)，其制作方式、LIG尺寸、流道尺寸与实施例2一致，其中选用的LIG的方块电阻为150Ω/sq。利用注射器向两个液体输入通道内注入去离子水和甘油，其中水和甘油的注射速率分别设定为5μL/min和10μL/min，利用手机拍照、人眼读取水和甘油的体积并计算其流动速率，同一个视场范围内可以同时检测水和甘油的流动速率。发现LIG基微流控芯片原位检测的去离子水和甘油的流动速率在注射泵设定值附近波动，其波动区间大概是在设定速率的1±40％之间。
LIG基底可穿戴微流控芯片原位检测人体出汗速率。LIG基微流控芯片的制作方式LIG尺寸、流道尺寸与实施例2一样，其中选用的LIG的方块电阻为150Ω/sq。与实施例1-3不同的是，汗液入口在基底面(Kapton膜)，出口在盖板面(硅胶膜),基底中与微流道层相对的面粘附双面胶，用于将LIG基微流控芯片贴合到志愿者额头。粘合额头的双面胶存在直径5mm的开口用于收集汗液，装配时将基底面上的汗液入口置于双面胶上的汗液收集区域之内。志愿者脚蹬健身自行车30分钟，当有明显出汗迹象时，将额头擦干净，将LIG基微流控芯片贴到志愿者额头上，持续脚蹬健身车，记录流道内汗液的位置，计算体积和流动速率。测得汗液流动速率在0.5-2μL/min·cm2之间波动，该测试结果与文献报道一致，证明了本发明在穿戴式微流控传感器领域的适用性。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
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