一种用于测量微升级液体样品粘度的系统及方法

1.本发明涉及微升级液体样品的粘度测量技术领域，尤其涉及一种用于测量微升级液体样品粘度的系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.粘度是流体的一个关键物理参数，其定量度量流体流动时的阻力特性。通常，粘度定义为流体的剪切应力与剪切速率的比值。微观尺度上，粘度与流体的组成分子在流体流动时相互之间的内摩擦力有关。粘度不仅可帮助预测和理解日常生活中常见各种流体的行为，对于恰当设计相关工业过程也大有裨益。事实上，粘度是广泛生产生活领域(如，石油及润滑剂、化妆品、食品与饮料、大麻油、电池和众多生物流体)中的重要参数。
4.为实现流体粘度的测量，需要根据测试条件(例如，测量环境的温度，可用于测量的样品体积等)及对流体近似粘度的相关了解，来选择合适的测量方法。目前三种常见的商用粘度计包括：毛细管式、同轴圆筒式和落球式。毛细管式粘度计通常为u型管的形状，其基于压力差促使被测试流体流动，测得的动力粘度与流体在管路上两个指定点之间流动的时间成正比；在同轴圆筒式粘度计中，样品流体在两个同心圆筒之间以层流流动并产生剪切过程，基于粘性力作用下内圆筒上的扭矩可计算得到样品；落球式粘度计通常用于透明牛顿流体，其工作原理为，已知成分的球体在充满样品流体的倾斜管中下落所需时间与该流体的粘度呈正相关关系。
5.上述三种粘度计各有优缺点。例如，毛细管式粘度计比同轴圆筒式粘度计占用空间小，经济成本低。然而，当样品流体具有高粘度或含有直径与毛细管相当的固体颗粒时，毛细管式粘度计变得难以清洗，甚至无法使用。同轴圆筒式粘度计易使用，所需测量时间短，测量过程中的剪切速率可精确控制，但同轴圆筒式粘度计的维护成本一般较高，在运行前必须进行彻底的拆卸和清洗。与毛细管式粘度计相比，落球式粘度计所需的测量时间短、成本低、操作更方便，然而，此类型粘度计所能测试的液体种类有限，所测样品必须为透明的牛顿流体。
6.值得注意的是，在很多应用场景下，样品体积(有时称为“最小样品体积”或“样品工作体积”)是前述粘度计不容忽视的重要使用要求之一。商业粘度计的所需样品体积通常在0.5ml到500ml之间，当待测样品体积不足或者需要多次测量时，特别是针对难获得或经济成本高的液体样本，现有各类粘度仪将难以使用。因此，非常需要有一种可测量微小体积(微升量级)样品粘度的装置和方法。此外，期望该新型粘度仪具有测量时间短、经济性好、占用空间小等优势。
7.微流控是面向集成微通道系统(其关键通道的特征长度在几百纳米至几百微米之间)的科学和技术，涉及极小体积(通常是10-6-10-18
l)流体的精确运输与操纵。微流控技术的最初目标是使生物或化学分析设备小型化；迄今为止，该技术及相关平台以广泛应用于
毛细管电泳、液相色谱、化学反应与合成、生化分析等。在解决待测样品体积小但粘度计所需样品体积大这一矛盾方面，微流控技术具有巨大应用潜力。
8.现有技术虽然公开了利用微流控通道进行粘度测量的技术，在通道壁中嵌入单片压力传感器阵列，流动通道(或收缩区域)内的几何变化会引起可测量的压降，进而可以测量微流控液体的粘度；但是，将压力传感器阵列内置在微通道壁内可能会引入表面粗糙度，导致对样品剪切应力的高估，令该粘度计的测量准确性下降。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提出了一种用于测量微升级液体样品粘度的系统及方法，实现了对微升级液体样品粘度的有效、准确的测量。
10.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
11.一种用于测量微升级液体样品粘度的系统，包括：泵送单元、微流控芯片、成像相机和控制器；所述微流控芯片上设有用于容纳液体样品的微通道；所述微流控芯片设置在歧管连接器内，泵送单元与歧管连接器连接，所述歧管连接器表面设有可视化端口以及用于进行压力测量的端口，所述端口通过毛细管与压力传感器连接；所述成像相机用于通过可视化端口对微流控芯片微通道内液体样品的流动过程进行成像；所述压力传感器和成像相机分别连接控制器。
12.作为进一步地方案，所述微通道的深度为微米级，所述微通道的宽度应至少为其高度的n倍，以产生狭缝层流；n≥10。
13.作为进一步地方案，所述微流控芯片设有一封装层，所述封装层上设有至少两个开口，所述开口与微通道连通，每一个开口的孔径不大于微通道的宽度。
14.作为进一步地方案，所述泵送单元用于为加载于微通道内的液体样品提供推动压力；所述泵送单元的气腔出口、歧管连接器的一个接口以及压力传感器的一个测量端口三者连通；所述压力传感器用于测量液体样品前后的压差。
15.作为进一步地方案，所述毛细管为刚性，其材质为peek、不锈钢、石英玻璃、全氟烷氧基烷聚合物、氟化乙烯丙烯共聚物和乙烯-四氟乙烯共聚物中的任意一种或两种及以上的组合。
16.作为进一步地方案，所述微通道内的液体样品在泵送单元的作用下向前流动，获取液体样品处于流动平衡状态时的影像，通过测量每个时间步长中的后退接触角并进行算术平均，得到一个特征后退接触角，进而计算微通道后部液气界面处的毛细压差，从压力传感器测得的总压差中减去所述毛细压差，得到推动液体样本流动的有效压差；
17.基于所述有效压差计算剪切力。
18.作为进一步地方案，所述控制器对成像相机获取的图像进行分析，获得液体样品在平衡态流动下的平均流动速度；基于所述平均流动速度和微通道尺寸，得出液体样品在平衡态下在微通道内的体积流率，基于所述体积流率计算剪切速率。
19.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
20.一种用于测量微升级液体样品粘度的方法，包括：
21.将液体样品装载至所述微流控芯片的微通道内；
22.开启泵送单元，微通道内的液体样品在泵送单元的压力下流动，通过压力传感器
实时测量液体样品前后的压差，并计算剪切力；
23.当液体样品在微通道内流动时，其形态呈现为一段液塞，通过成像相机实时记录液塞型液体样品的流动过程；
24.对成像相机获取的图像进行分析，计算剪切速率；
25.基于所述剪切力和剪切速率的比值，计算得到液体样品的动力粘度。
26.作为进一步地方案，所述微通道内的液体样品在泵送单元的作用下向前流动，获取液体样品处于流动平衡状态时的影像，通过测量每个时间步长中的后退接触角并进行算术平均，得到一个特征后退接触角，进而计算微通道后部液气界面处的毛细压差，从压力传感器测得的总压差中减去所述毛细压差，得到推动液体样本流动的有效压差；
27.基于所述有效压差计算剪切力。
28.作为进一步地方案，对成像相机获取的图像进行分析，获得液体样品在平衡态流动下的平均流动速度；基于所述平均流动速度和微通道尺寸，得出液体样品在平衡态下在微通道内的体积流率，基于所述体积流率计算剪切速率。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)本发明能够实现对微升级液体样品粘度的有效、准确测量，并且压力传感器设于微流控芯片的外部，对液体样品在微通道内的流动不产生任何影响，测量结果准确。
31.(2)本发明微流控芯片上的微通道具有一个小深宽比，能够实现狭缝层流，同时极大降低深度方向上毛细压差的效应和对最终粘度测量的准确度影响。
32.本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
33.图1为本发明实施例中的用于测量微升级液体样品粘度的系统结构示意图；
34.图2为本发明实施例中的微流控芯片结构示意图；
35.图3(a)-(c)分别为本发明实施例中的歧管连接器结构示意图；
36.图4为本发明实施例中歧管连接器与微流控芯片装配示意图；
37.图5为本发明实施例中液体样品流过微通道时定量确定液体样品与空气间界面毛细压力差的方法示意图；
38.图6为本发明实施例中液体样品前后总压差随时间变化的曲线示意图；
39.图7为本发明实施例装置与商用粘度测量装置的测量结果示意图；
40.其中，1.用于测量微升级液体样品粘度的系统，2.泵送单元，3.直流电源、4.压力传感器，5.成像相机，6.控制器，7.歧管连接器，8.毛细管，9.数据连接线，10.微流控芯片，11.第一开口，12.第二开口，13.第三开口，14.第四开口，15.微通道，16.液体样品，17.可视化窗口，18.歧管连接器上部分端口，19.小孔，20.环形凹槽，21.矩形凹槽，22.凸台，23.矩形槽，24.浅凹槽，25.微流控芯片与歧管连接器的装配体，26.第一接口，27.第二接口，28.第三接口，29.固体壁面，30.后退动态接触角，31.初始基线压力。
具体实施方式
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另
有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.实施例一
44.在一个或多个实施方式中，公开了一种用于测量微升级液体样品粘度的系统1，结合图1，具体包括：泵送单元2、微流控芯片10、成像相机5和控制器6。其中，微流控芯片10呈矩形形状；具有一个小深宽比的微通道15，用于容纳待测量的液体样品16；微通道15的宽度应至少为其高度的n倍，以产生狭缝层流；n≥10。微流控芯片10具有一层封装层，该封装层具有2-4个开口，每个开口的孔径不大于微通道宽度，且在微流控芯片上封装层的开口与微通道15相对齐。
45.具体地，参照图2，微流控芯片具有一条用于微升级液体样本装载、流动及其粘度测量的直微流通道(即微通道)15，微通道具有不超过1.5mm的宽度和微米级的深度，深宽比约为0.1。微流控芯片在其上部具有一个封装层，且该层封装微流控芯片后，应在微流通道的端部形成两个小孔(或称“开口”)，分别为第一开口11和第四开口14，两开口的孔径小于微流通道的宽度。此外，在第一开口11和第四开口14之间，微流通道在其封装层上还有不多于两个的开口，其中，靠近第一开口11的第二开口12用于帮助定量装载至微流控芯片的液体样品16，靠近第四开口14的另一第三开口13(若有的话)，用于连接至压力传感器4的测量端口并最终服务于压力测量。本实施例中，微流控芯片10在其封装层具有上述四个开口。
46.粘度测量时，微流控芯片10置于歧管连接器7内部；歧管连接器7由上下两部分组成，整体上呈矩形形状；粘度测量时歧管连接器7的上下两部分紧密闭合，并在微流控芯片的封装层的开口处形成空气密封；该空气密封可以通过使用o型橡胶圈实现。
47.歧管连接器7的上部分设有不少于2个接口，用于与压力传感器测量端口相连接；粘度测量时，每个接口处安装有用于连接毛细管8的连接螺母；每个接口处的孔内壁具有与连接螺母一致的螺纹。毛细管8为刚性，不具有明显弹性，其材质可以为peek、不锈钢、石英玻璃、全氟烷氧基烷聚合物(pfa)、氟化乙烯丙烯共聚物(fep)、乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)中的任意一种或两种及以上的组合；毛细管的内径为1-5000μm，外径为0.1-10mm。
48.歧管连接器7的上部分还设有一个可视化窗口17，以便在粘度测量时，利用成像设备对液体样品16进行图像捕捉；该可视化窗口17形状为矩形、圆形的一种或两者的组合；可视化窗口17为矩形形状且当微流控芯片置于歧管连接器7中时，可视化窗口17与微流控芯片10的微通道平行。
49.具体地，结合图3(a)-(c)，歧管连接器7由两部分(上部和下部)组成，粘度测量时微流芯置于歧管连接器内，其上下两部分紧密闭合形成一个装配体，如图4所示。微流控芯片的第一开口11、第三开口13、第四开口14分别中心对齐于歧管连接器的上部分的三个端口，且两者之间通过特定密封件(本实施例中，橡胶o型圈用作密封件)形成空气密封。本实施例中，歧管连接器上部分端口18中将安装有一个平底无法兰型螺母(附带毛细管密封套圈)，该类型螺母具有内孔并适配毛细管，可实现毛细管与歧管连接器的连接。
50.需要注意的是，歧管连接器上部分端口18的设计深度与螺母的螺纹深度相似，设计孔径应适于攻丝，进而制出与该型螺母匹配的螺纹。歧管连接器上部分端口18的底部设有小孔19，其设计深度约为5mm，可保证当连接螺母及毛细管被拧入端口18时歧管连接器具有足够的结构安全性。此外，小孔19的孔径与微流控芯片上的第一开口11、第二开口12、第三开口13、第四开口14相当。歧管连接器的上部分设有一个可视化窗口17(如图3(a)所示)，以便对液体样品16流经微通道15时进行图像捕捉。可选的，歧管连接器7由3d打印而成。图3(b)是歧管连接器7的上部分的底面示意图，该部分具有环形凹槽20，用于放置前述o形圈。当微流控芯片装载至歧管连接器7，且歧管连接器的上下部分闭合后，微流控芯片的第一开口11、第三开口13、第四开口14与歧管连接器对应接口之间形成空气密封。图3(c)是歧管连接器下部分的俯视图，为方便歧管连接器的两部分闭合，下部分设有凸台22，并与上部分的矩形凹槽21匹配安装。此外，歧管连接器下部分设有矩形槽23，便于微流控芯片装载，其内侧还设有数个浅凹槽24，以便测量结束后可拆卸歧管连接器。
51.图4是微流控芯片与歧管连接器的装配体25的俯视图。需要说明的是，微流控芯片的第二开口12在液体样品16装载时是打开状态，在微流控芯片装载至歧管连接器及粘度测量过程中是密封的。此外，歧管连接器的第一接口26(压力测量的正压力一端)和第二接口27(压力测量的低压一端)通过毛细管分别连接到压力传感器的测量端口，本实施例中避免使用具有弹性的毛细管，因后者可能造成一定压力测量误差。通过使用一个三通接头实现第一接口26、泵送单元2、压力传感器4的测量端口三者之间的连通。在本实施例中，第三接口28(连通大气端)通过一个前述连接螺母配合使用一定长度的聚合物毛细管(管外径与毛细管8相同)通向大气。
52.压力传感器的测量端口与歧管连接器上部分的接口相连；压力传感器由直流电源驱动；压力传感器的测量精度为不超过测量范围的
±
1％，直流电源为外接电池或者计算机的usb端口中的一种。
53.压力传感器的一个测量端口、所述泵送单元的气腔出口、所述歧管连接器的一个接口三者互相连通，且该连通可以通过使用一个三通接头或三通阀门中的一种配合使用毛细管实现。
54.泵送单元具有可对外输出压力的气腔，在粘度测量时，该泵送单元处于固定流量模式，且输出空气的体积流率可调节范围为1-1000微升/分钟。
55.成像相机安装于所述歧管连接器的可视化窗口的上方；该成像相机可以为商用摄像机、oem型光学传感器中的一种；图像捕捉速度不低于30张/秒。
56.控制器用于接收压力传感器和成像相机测得的数据，并用于保存、分析、计算所述液体样品16的粘度；控制器可以为笔记本电脑、台式电脑、单板机、平板式电脑、智能手机中的一种。
57.在粘度测量过程中，液体样品16在微流控芯片10的微通道15内受到的上下游的压力差由压力传感器4测量，测量数据传输至装有数据采集卡的控制器6上。成像相机5设在歧管连接器7的正上方，当液体样品16在微通道15内流动且出现在歧管连接器7的可视化窗口17中时，其流动图像被捕捉，相关图像传输并保存至控制器6中。
58.由于成像相机5与歧管连接器7的相对位置关系，相机5在尺寸或几何长度测量方面可能存在视觉偏差，因此在粘度测量之前，有必要定量确定相机5的测量偏差。本实施例
中，在微流控芯片10的顶部画出一条平行于微通道15且长度已知的直线段，然后通过相机5进行拍照，根据已知线段长度和由相机5成像得到的线段长度，可得长度修正系数c为：
[0059][0060]
其中，l
known
是该直线段的已知长度，l
captured
是通过相机5测得的该线段长度。当确定液体样品16在微通道15内的长度时，通过相机5测得的样品长度必须乘以该修正系数，进而得到液体样品16的真实长度。若所述相机5相对于歧管连接器7发生了相对位置移动，视觉偏差及长度修正系数c也会发生变化，此时必须再次进行以上工作，并通过式1-1确定新的修正系数。
[0061]
利用本实施例装置进行粘度测量的具体方法如下：
[0062]
首先将微升级液体样品16装载至微流控芯片10的微通道15内，本实施例中使用移液枪实现样品装载。液体样品16装载完成后，微流控芯片10的第二开口12由密封胶带密封，此时保持该微流控芯片水平，并装载至歧管连接器7中，然后将歧管连接器7的上下两部分闭合。
[0063]
同时启动泵送单元2、压力传感器4及成像相机5，其中泵送单元2设置为固定流量(约几十至几百微升/分钟)模式。由于液体样品16的上游空气压力逐渐上升，当空气压力达到一定临界值时，装载于微流通道15内的液体样品16开始流动，随时间进行，样品液塞16于微通道15内从左至右流动，其流动过程由相机5进行视频捕捉。图5是液体样品16(斜线区域)从左到右流过微通道15(两平行横线之间区域)时的示意图。该液体样品16具有两个界面：一个前部的气液界面，一个后部的液气界面。本实施例中，微通道具有疏水性，前部的气液界面具有接近于零的前进动态接触角(在空气、液体和固体通道壁29的三相接触点处测量)。另一方面，在样品处于流动(准)平衡的条件下，后部的液气界面受到空气压力作用，该界面呈现反常形态(即，体现出亲水行为)，因此后退动态接触角30应通过分析液体样品16的流动图像和/或视频进行测量。
[0064]
在实际分析过程中，取液体样品16处于流动平衡状态的视频部分，通过测量每个时间步长中的后退接触角并进行算术平均，得到一个特征后退接触角θ，进而可根据著名的young-laplace方程计算后部液气界面处的毛细压差，即：
[0065][0066]
其中，σ是液体样品的表面张力，是通道的水力半径并可由下式计算：
[0067][0068]
其中，h和w分别是微通道的高度和宽度。
[0069]
理论上，作为液体样品16在微通道15内流动的推进力，泵送单元2产生的总压差需要克服三种阻力：流动粘性力(与粘度紧密相关)、摩擦阻力(主要由通道粗糙度和物理性粘着引起)及界面毛细压差。为最大程度减小摩擦阻力导致的测量误差，本实施例中，微通道15经涂层处理后表面光滑且疏水。界面毛细压差则通过式(1-2)和(1-3)计算得到，进而将其从压力传感器测得的总压差中减去，得到推动液体样本流动的有效压差，即，用于平衡样本所受粘性力的真实压差。
[0070]
液体样品16的动力粘度(μ)定义为剪切力(τw)和剪切速率的比值，即
[0071][0072]
其中，通道固体壁面29的表观剪切力τw和剪切速率分别通过下式进行计算：
[0073][0074][0075]
其中，δp为测得的液体样品16的总压差，δp
capillary
为计算得到的界面毛细压差，l是样品16在微通道15内的实际长度(经修正视觉偏差后得来)，q是液体样品16在微通道15内的体积流率，并可由下式计算得到
[0076][0077]
其中，是液体样品16在微通道15中以(准)平衡态流动时的平均速度。
[0078]
通过对采集的图像及视频和压力测量数据进行后处理，计算出粘度μ。首先，通过对相关视频进行分析，确定液体样品16以恒定或接近恒定的速度运动的时间段。针对液体样品16流过微通道15的(准)平衡态时间段，基于图像软件，在视频等间隔的帧中放置标记来追踪液体样品前沿，进而计算出其速度；在每个时间步中，同样利用图像软件计算了动态接触角和样品长度。将这三个参数的算术平均值带入上述各个方程，分别计算得到剪切力、剪切速率、体积流率和毛细压差。图6展示了一条典型的所测总压差随时间变化的曲线。值得指出的是，应采用样品以恒定速度流动时的压力数据的平均值来计算粘度。此外，为应用剪切应力公式(1-5)以计算粘度，前述平均压力需要减去初始基线压力31。
[0079]
为验证本实施例粘度测量装置的有效性，通过使用12微升的液体样品，分别测量了四种不同质量浓度(10wt％-70wt％)的甘油(glycerol)水溶液的粘度，并与市场上的一款锥板流变仪(一次测量所需样品为500微升)进行了对比，如图7所示。结果表明，本发明粘度仪及粘度测量方法与商用流变仪测量结果较为一致，具有很好的测量准确性。针对微升级液体样品的粘度测量，本发明实现了有效、准确的测量。需要说明的是，甘油水溶液是牛顿型流体，其粘度与施加的剪切速率无关，因此粘度测量值可以与商用流变仪进行比较，而不用考虑剪切速率的偏差。
[0080]
实施例二
[0081]
在一个或多个实施方式中，公开了一种用于测量微升级液体样品粘度的方法，包括如下过程：
[0082]
(1)将液体样品装载至所述微流控芯片的微通道内；
[0083]
(2)开启泵送单元，微通道内的液体样品在泵送单元的压力下流动，通过压力传感器实时测量液体样品前后的压差，并计算剪切力；
[0084]
(3)当液体样品在微通道内流动时，其形态呈现为一段液塞，通过成像相机实时记录液塞型液体样品的流动过程；
[0085]
(4)对成像相机获取的图像进行分析，计算剪切速率；
[0086]
(5)基于所述剪切力和剪切速率的比值，计算得到液体样品的动力粘度。
[0087]
具体地，微通道内的液体样品在泵送单元的作用下向前流动，获取液体样品处于流动平衡状态时的影像，通过测量每个时间步长中的后退接触角并进行算术平均，得到一个特征后退接触角，进而计算微通道后部液气界面处的毛细压差，从压力传感器测得的总压差中减去所述毛细压差，得到推动液体样本流动的有效压差；
[0088]
基于所述有效压差计算剪切力。
[0089]
对成像相机获取的图像进行分析，获得液体样品在平衡态流动下的平均流动速度；基于所述平均流动速度和微通道尺寸，得出液体样品在平衡态下在微通道内的体积流率，基于所述体积流率计算剪切速率。
[0090]
液体样品的粘度由剪切力和剪切速率的比值确定。
[0091]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。