一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置及其方法

1.本发明涉及电阻脉冲传感技术领域，尤其是涉及一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置及其方法。


背景技术：

2.流式细胞仪是一种以库尔特计数器为基础发展起来的用在临床、工业和研究环境中表征液体中悬浮颗粒的基本实验室仪器，主要由微通道形成的微孔、导电液体和感应电路三部分组成，即电阻脉冲式传感器。当绝缘颗粒或细胞通过充满导电液体的微孔时，会引起电流的瞬态变化，感应电路对这一瞬态变化脉冲的监测能够显示出颗粒个数及大小等相关信息[1]。但具有通道的电阻脉冲式传感器所面临的一个重要问题是狭窄的通道容易发生细胞或者颗粒的阻塞，这使得实际操作过程较为不便，并且降低了器件的可重复使用率、提高了实验成本。
[0003]
为此，瑞典隆德大学研究员通过利用介电泳力将粒子聚集在一个直径与细胞尺寸相当的导电芯流中，芯流被介电、不导电的流体包裹着从而避免了使用与粒子直径相当的狭窄通道[2]。维也纳理工大学研究院利用介质聚焦将粒子悬浮在导电芯流之中，同时外部有不导电的液体护套包围[3]。日本东京医科齿科大学研究员通过将通道内部进行表面改性例如改变疏水能力来抑制表面的非特异性吸附来达到抑制杂志阻塞的目的[4]。美国宾州州立大学研究员利用时分多路访问技术进行多通道粒子分析，这样即使有些通道被阻塞，也可以继续进行分析[5]。美国杜克大学研究员利用锥射流产生液体桥来取代通道的作用[6]。大连海事大学研究员则通过将感应电极设置在通道侧壁来感应粒子的通过，这样可任意防止颗粒通过狭窄的微孔[7]。
[0004]
综上所述，现有研究主要采用两种方式来克服粒子阻塞通道所带来的影响。其中一种是产生与粒子直径相似的液体导电流来替代传统的机械通道，但这种方式为了维持液体流尺寸和流动方向的稳定，往往需要使液体流有较大的流动速度，在生物应用中这无疑会对细胞产生较强的剪切力，从而对细胞的活性造成影响，并且使流量控制变得更加复杂，此外，液体流的不稳定性也对信号感应电路的精度有较高的要求；另一种方式是对传统微通道进行物理和化学处理，包括表面处理和改进通道结构，但对通道结构的改造容易使检测信号的强度降低，器件的灵敏度降低，而通道的表面处理对阻塞问题的改善效果也是有限的，无法从根本上解决问题。
[0005]
以下给出检索的相关文献：
[0006]
1.song,y.,j.zhang,and d.li,microfluidic and nanofluidic resistive pulse sensing:a review.micromachines,2017.8(7).
[0007]
2.evander,m.,et al.,microfluidic impedance cytometer for platelet analysis.lab on a chip,2013.13(4):p.722-729.
[0008]
3.nieuwenhuis,j.h.,et al.,integrated coulter counter based on 2-dimensional liquid aperture control.sensors and actuators b-chemical,2004.102
(1):p.44-50.
[0009]
4.horiguchi,y.and y.miyahara,surface modification to suppress small pore clogging in resistive pulse sensing.applied physics express,2020.13(11).
[0010]
5.choi,g.,e.murphy,and w.guan,microfluidic time-division multiplexing accessing resistive pulse sensor for particle analysis.acs sensors,2019.4(7):p.1957-1963.
[0011]
6.zhao,y.,d.b.bober,and c.-h.chen,nonclogging resistive pulse sensing with electrohydrodynamic cone-jet bridges.physical review x,2011.1(2).
[0012]
7.zhou,t.,et al.,a novel microfluidic resistive pulse sensor with multiple voltage input channels and a side sensing gate for particle and cell detection.analytica chimica acta,2019.1052:p.113-123.


技术实现要素：

[0013]
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置及其方法，能够实现无通道的电阻脉冲感应，以解决现有技术中通道容易被阻塞的问题，同时能够保证检测结果的准确性。
[0014]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置，包括衬底，所述衬底上设置有共面电极和扬声设备，所述共面电极上滴附有待测液滴，所述待测液滴内混合有待测颗粒，所述共面电极通过焊盘与感应电路连接，所述扬声设备用于产生声波，以驱动待测颗粒在待测液滴内部按照设定的声流线运动，当待测颗粒运动经过共面电极上方时，将引发电阻脉冲；
[0015]
所述感应电路用于检测共面电极上方的电阻脉冲变化。
[0016]
进一步地，所述共面电极外周设置有用于固定待测液滴位置的固定部。
[0017]
进一步地，所述固定部具体是通过对衬底表面进行表面改性操作得到。
[0018]
进一步地，所述固定部具体为金圈或胶圈。
[0019]
进一步地，所述共面电极位于金圈或胶圈的中心位置。
[0020]
进一步地，所述金圈或胶圈与共面电极的外周之间设有间隙。
[0021]
进一步地，所述扬声设备依次连接有放大器和信号发生器，所述信号发生器用于设定并输出控制扬声设备声波的控制信号。
[0022]
进一步地，所述扬声设备具体为压电换能器。
[0023]
一种基于液滴的无通道电阻脉冲检测方法，包括以下步骤：
[0024]
s1、将混合有待测颗粒的待测液滴滴附在共面电极上；
[0025]
s2、控制扬声设备产生设定的声波，声波在待测液滴中传播产生对应的声流；
[0026]
待测颗粒在声流的驱动下发生运动，当待测颗粒运动至共面电极上方时，引发电阻脉冲；
[0027]
s3、感应电路实时检测共面电极上面的电阻脉冲变化，输出得到检测结果。
[0028]
进一步地，所述步骤s2具体是通过控制施加电压的功率，以控制扬声设备产生设定的声波，进而控制待测液滴中的声流速度、控制待测颗粒运动经过共面电极上方的速度。
[0029]
与现有技术相比，本发明通过在衬底上设置共面电极和扬声设备，并采用液滴滴
附于共面电极的方式，利用扬声设备产生声波，进而在液滴中产生声流，待测颗粒在声流的驱动下按照声流线发生运动，当运动至共面电极上方，即引发电阻脉冲，再通过感应电路检测电阻脉冲变化，由此不再需要设置微通道结构，利用液滴中声流对颗粒的控制作用来取代微通道的作用，实现了无通道的电阻脉冲传感，从根本上解决了微通道容易被阻塞的问题。
[0030]
本发明通过在衬底上设置固定部，以对液滴位置进行固定，保证液滴能够可靠地滴附于共面电极上，进一步保证检测的准确性。
[0031]
本发明将扬声设备与放大器、信号发生器连接，以实现对扬声设备发出声波的可控性，进而控制液滴中的颗粒能够按照设定的声流线、声流速度发生运动。
附图说明
[0032]
图1为本发明的装置结构示意图；
[0033]
图2为实施例中液滴内的声流线示意图；
[0034]
图3为本发明的方法流程示意图；
[0035]
图中标记说明：1、衬底，2、共面电极，3、扬声设备，4、待测液滴。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0037]
实施例
[0038]
如图1所示，一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置，包括衬底1，衬底1上设置有共面电极2和扬声设备3，共面电极2上滴附有待测液滴4，待测液滴4内混合有待测颗粒，共面电极2通过焊盘与感应电路连接，扬声设备3用于产生声波，以驱动待测颗粒在待测液滴4内部按照设定的声流线运动(如图2所示)，当待测颗粒运动经过共面电极2上方时，将引发电阻脉冲；
[0039]
感应电路用于检测共面电极2上方的电阻脉冲变化。
[0040]
其中，共面电极2外周设置有用于固定待测液滴4位置的固定部，固定液滴的方式包括但不限于金圈、胶圈以及对衬底表面进行表面改性等。若采用金圈或胶圈的方式，则共面电极2位于金圈或胶圈的中心位置，金圈或胶圈与共面电极2的外周之间设有间隙，即金圈或胶圈所包围的面积大于共面电极2的面积。
[0041]
此外，扬声设备3依次连接有放大器和信号发生器，信号发生器用于设定并输出控制扬声设备3声波的控制信号，本实施例中，扬声设备3采用压电换能器。
[0042]
将上述装置应用于实际，以实现一种基于液滴的无通道电阻脉冲检测方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0043]
s1、将混合有待测颗粒的待测液滴滴附在共面电极上；
[0044]
s2、控制扬声设备产生设定的声波，声波在待测液滴中传播产生对应的声流；
[0045]
待测颗粒在声流的驱动下发生运动，当待测颗粒运动至共面电极上方时，引发电阻脉冲；
[0046]
s3、感应电路实时检测共面电极上面的电阻脉冲变化，输出得到检测结果。
[0047]
在步骤s2中，具体是通过控制施加电压的功率，以控制扬声设备产生设定的声波，
进而控制待测液滴中的声流速度、控制待测颗粒运动经过共面电极上方的速度。
[0048]
综上可知，本技术方案提出了一种基于液滴的无通道电阻脉冲传感装置，将混合有颗粒的液滴滴附在位于衬底上的共面电极上，通过声流的驱动作用，使颗粒能够在液滴内部按照一定的声流线运动，在运动到靠近底部共面电极处时，颗粒能够按照规范路径通过共面电极上方，从而引起感应到的阻抗的变化，由此实现电阻脉冲传感的效果，即实现了无通道的电阻脉冲传感，从根本上解决了现有技术中微通道容易被阻塞的问题。
[0049]
图1为此传感器装置示意图。如图1中所示液滴被滴在衬底上的共面电极上，共面电极外圈设置固定部用来固定住液滴。衬底上设置扬声设备用来产生声波，声波在液体中传播时的耗散会引起液滴中产生声流，液滴中的声流线如图2所示。相应地，混合在液滴中的颗粒会在声流的带动下运动到衬底表面附近，即声流对颗粒的控制作用替代了传统微通道的作用，当颗粒经过共面电极上方时，可以引发电阻脉冲。同时可以控制施加电压的功率来控制声流速度，继而来控制颗粒经过共面电极的速度。
[0050]
本技术方案在电阻脉冲传感器中利用声流进行颗粒运动的控制，声流可以控制颗粒按照一定声流线运动，本技术方案摒弃了传统电阻脉冲传感器中的微通道结构，直接使用液滴滴在感应电极上的方式，利用液滴中声流对颗粒的控制作用来取代微通道作用。