毛細管微粘度計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及適合用于醫(yī)學診斷、臨床研究和其他流體測試的低成本且易操作的微粘度計。該設備由以下組成：由通過微制造技術制成的串聯(lián)微通道所形成的微通道(2)和在微通道內(nèi)部的流體柱位置檢測器。微通道在一端是打開的而在另一端是封閉的，并且由單一的生物相容性材料制成。當液滴放入微通道(2)的入口時，流體通過毛細作用進入，直到被壓縮的空氣壓力等于毛細管壓力加上大氣壓力。對流體從進入通道至停止在其平衡位置的瞬時運動進行分析，從而獲得作為結果的所測試液體的粘度和毛細管壓力。
【專利說明】毛細管微粘度計
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及毛細管微粘度計，其允許測量液體的粘度，所述毛細管微粘度計包含由單一生物相容性材料制成的微制造的微通道(微毛細管)，在其一端封閉，其中待測液體由毛細管壓力驅動通過開口端進入。通過對液體彎液面的位置(和/或速度)隨時間變化的測量，能夠獲得毛細管粘度和壓力的值。
[0002]本發(fā)明的背景及優(yōu)勢
[0003]當研究流體的物理和化學性質時，確定其粘度是重要的。為此，使用粘度計以使得在不同的流動狀態(tài)(flow regime)和不同的流動速度下測試流體。
[0004]粘度測量在大量的工業(yè)和研究領域中是常規(guī)分析，例如，在石油精煉、潤滑油生產(chǎn)、制藥工業(yè)中的乳劑、印刷油墨、乳制品生產(chǎn)等。
[0005]在一些應用中，例如生物流體的分析，懸浮顆粒根據(jù)流動速度來改變流體粘度。對于這些流變流體或非牛頓流體，設計了能夠針對不同速度梯度報告粘度值的粘度計。
[0006]在可用的樣品體積受限的情況下，必須具有能操作體積小于幾微升之液體的裝置。
[0007]有三種常見類型的粘度計，根據(jù)其運行的物理原理不同。第一種被稱為斯托克斯式(Stokes-type),其分析在流體范圍內(nèi)小體(body)的運動，以及從施加在小體上的拖曳力計算粘度。
[0008]第二種被稱為旋轉式,流體插入到由固定部分和旋轉圓錐體(rotating cone)形成的空腔(cavity)中。圓錐體旋轉引起流體中的旋轉運動,其粘度可從旋轉速度和施加到圓錐體的扭矩(torque)之間的比值獲得。
[0009]第三種被稱為毛細管粘度計，流體通過毛細管運動，并且記錄隨時間的動力學參數(shù)，如位置、速度或流速。
[0010]由于在操作物理原理上的限制，斯托克斯式粘度計不能測量非牛頓流體。常規(guī)毛細管粘度計最少需要大約2毫升的樣品，并易于操作，但要求其兩端之間的壓力差已知，而在另一方面，其通常不適合用于測量非牛頓流體。旋轉式粘度計可以測量不同速度下的粘度來表征非牛頓流體，并且在市場上有使用約200微升樣品進行操作的數(shù)個版本，雖然其操作需要較多的培訓和技巧。
[0011]有許多與粘度計相關的專利文獻。最接近于本發(fā)明的在美國專利7188515中公開，與本發(fā)明在幾個方面不同，特別地，其中在該專利中所描述的裝置是基于在兩端都開口的毛細管中的流體速度分析，需要額外的毛細管來測量毛細管壓力。本發(fā)明涉及一端封閉的毛細管，其中流體運動的動力學通過其他方程式來描述。如本發(fā)明所提供地，可以簡化這些裝置的制造，保持了能夠分析體積小于I微升之液體的優(yōu)點。
[0012]在另一方面，對于所進行的測量來說，本發(fā)明的裝置更可靠，這是因為在美國專利7188515中所報道的毛細管粘度計中粘度是通過測量兩個獨立參數(shù)(毛細管速率和壓力)來獲得的，其中之一(毛細管壓力)表現(xiàn)出寬的結果散布，由于其很大程度上取決于制造條件。[0013]該美國專利提供了微加工的(micromachined)毛細管粘度計,其中流體流動由毛細管壓力所驅動。但是，具有如下列出的顯著差異:1)待測定的液體沿著兩端開口的毛細管移動；2)毛細管壓力是通過觀察液體進入體積已知的毛細管中多遠來確定；3)使用沿毛細管間隔分布的電接觸來進行流體速度測量；4)它是通過將玻璃晶片和硅晶片焊接在一起來制造的；在本發(fā)明中，兩者是由相同的材料所制造的；和5)待測量流體的溫度控制未被考慮。
[0014]還可以提及在日本專利JP61_161437(A)中所述的裝置，其中通過測量浸沒在待測液體中的已知尺寸和密度的棒的下降速度來確定液體的粘度。它與本發(fā)明的差異在于工作原理不同，因為它不是毛細管粘度計而是斯托克斯式粘度計，其中待測液體是靜止的。此夕卜，它不是微加工的裝置。
[0015]此夕卜，在Revista Chilena de Tecnologia Medica, 13 卷，N0.1,617-623 頁，1990中公開了關于人體血液粘度和用于全血和血漿正常值的簡單方法之實施的文章。在該文章中，實施了來自多個患者的人血液中的粘度測量。對于這一點，使用了之前由B.Pirofsky 在科學文章:“The determinationOf viscosity in man by method basedOnPoiseuille' s law.” J.Clin.1nvest.32，292-298，1953 中報道的裝置。其應用了 以下原理:使用已知的體積液體沿已知尺寸的毛細管移動所用的時間來確定粘度。該公開與本發(fā)明的差異在以下幾個方面:a)它需要大量的樣品:2.5ml ；b)通過重力提供驅動液體的壓力差，并且忽略了毛細管作用；c)液體在兩端開口的管中流動；d)通過知道液體的初始體積并測量穿過給定毛細管的時間來確定流速，以及e)它既不是微加工的，也不能夠集成到半自動裝置中。
[0016]關于美國專利6，412，336B2,該專利公開了通過液體經(jīng)過已知尺寸之毛細管的流速來確定液體粘度的儀器，它與本發(fā)明的不同之處為:a)液體流過兩端開口的管；b)驅動液體運動的壓力差由重力提供，并且忽略了毛細管作用；以及c)通過測量隨時間溢出的流體重量來確定液體流速。
[0017]至于美國專利4，441，358，所述專利涉及通過液體經(jīng)過已知尺寸之毛細管的流速來確定液體粘度的裝置。它與本發(fā)明的不同之處在于:1)液體流經(jīng)兩端開口的管；2)驅動液體運動的壓力差由重力提供，并且忽略了毛細管作用；以及3)通過測量液體的彎月面(menisscus)在毛細管的兩個已知點之間移動所花的時間來測定液體流速。這是通過超聲傳感器來檢測的。
[0018]在美國專利4，648，262中，通過測量浸在毛細管內(nèi)待測液體中已知尺寸和密度之球體的下降速度來確定液體粘度。它與本發(fā)明不同在于:1)工作原理不同(它不是毛細管粘度計而是斯托克斯型粘度計)，其中待測液體是靜止的；2)沒有微加工。
[0019]關于美國專利2，095，282，它公開的裝置通過液體經(jīng)過已知尺寸之毛細管的流速來確定液體粘度。它與本發(fā)明有如下不同:1)液體流經(jīng)在兩端開口的管；2)驅動液體運動的壓力差由重力提供，并且忽略了毛細管作用；以及3)通過測量預定體積之液體的排空時間來確定液體流速。
[0020]在美國專利6，470，736B2中公開的裝置由液體經(jīng)過已知尺寸的毛細管的質量流速(mass flow velocity)來測量液體粘度。它與本發(fā)明不同在于:1)液體流經(jīng)在兩端開口的管；2)驅動液體運動的壓力差由重力提供，并且忽略了毛細管作用；以及3)通過測量隨時間溢出的液體重量來確定液體流速。
[0021]此外，有其他的科學工作和專利涉及與本發(fā)明的粘度計具有可比較特征的裝置，例如那些在專利 US6, 023，961、US6, 402，703、US6, 412，336、US6, 428，488、US6, 443，911、US6, 692，437、US7, 207，939、US6, 796，168 和 US2006 / 0179923 中公開的。這些裝置中的大多數(shù)使用相同的工作原理，但使用不同的液體操作和隨后檢測的方法。
[0022]毛細管粘度計的工作原理在于建立壓力差，并記錄液柱通過毛細管的位置和/或速度。對于測量非牛頓流體，需要改變所述壓力差或改變所述毛細管直徑。
[0023]位置記錄通常使用光學檢測器((XD照相機或光檢測器陣列)或電容檢測器進行。毛細管微加工允許使用小的流體樣品，如在US2006 / 0179923A1和US2009 / 0203643A1中所示。
[0024]現(xiàn)有粘度計的工作原理在于利用毛細管壓力來建立使流體移動的壓力差。隨時間檢測位置，以及通過處理數(shù)據(jù)來計算流體粘度。
[0025]此流速不是恒定的并且隨著流體進入通道而減小。因此，可以通過分析同一毛細管的不同部分或者加工不同直徑的相鄰毛細管來進行非牛頓流體的測量。
[0026]提出的粘度計由以下組成:傳感器基底，其具有集成的進行數(shù)據(jù)處理的電子器件(electronics)，以及可更換的在每次測量前固定在該基底中的微通道。任選地，可以從處理器提取數(shù)據(jù)到計算機。操作該設備是容易的，因為它僅需要將液滴(drop)放在微通道入口中。
[0027]本發(fā)明的裝置包括在單一材料上微加工的微通道，使毛細管的一端打開而另一端封閉，從而使流體保持進入直到被壓縮的空氣體積所施加的壓力等于毛細管壓力與大氣壓力的總和。
[0028]所提出的該粘度計的幾何結構(geometry)產(chǎn)生的流體動力學允許實現(xiàn)絕對的粘度測量。在另一方面，使用單一材料用于加工微通道確保沿通道周長一致的邊界條件。傳統(tǒng)的毛細管粘度計分析泊肅葉流(Poiseuille flows)，即液體流經(jīng)兩端打開的通道并經(jīng)受壓力差。在這種情況下，封閉的通道改變了支配流體從進入直到停止之移動的泊肅葉流和其他動力學(dynamics)。
[0029]此設備是在其所使用的物理原理上是新穎的，其中測量進入封閉通道的液體的瞬時狀態(tài)。粘度測量是絕對的并且每個測定中不需要校準液體。該設備已設計為具有溫度控制和自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使其對于非專業(yè)人士來說更容易使用。
[0030]盡管該測量的理念與專利申請US2006 / 0179923中提出的測量理念相似，但是由于本發(fā)明采用了單個通道進行測量，本發(fā)明有下述的顯著區(qū)別:因為粘度的測量是絕對的，因此本發(fā)明不再需要參考流體，以及本發(fā)明以不同的方式研究和分析流體動力學。此外，在制造過程中也有本質的區(qū)別，在整個過程中使用單一的生物相容性材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了更好地理解本發(fā)明的主要事項，已經(jīng)在其優(yōu)選的實施方案中，參考示意圖舉例說明了本發(fā)明，其優(yōu)選實施方案應被視為說明性的實例，其中:
[0032]圖1說明了微通道之晶片的示意圖；
[0033]圖2示出了本發(fā)明之微粘度計的框圖；[0034]圖3呈現(xiàn)了進入封閉通道的液滴之動力學的示意圖；
[0035]圖4說明了對本發(fā)明的動力學進行數(shù)值模擬的圖形結果；
[0036]在圖5中參考流體的測量顯示與數(shù)值模擬相同的行為。
[0037]在所有圖中，相同附圖標記對應于本發(fā)明的相同要素。
[0038]發(fā)明詳述
[0039]圖1示出了微加工的晶片1，優(yōu)選由玻璃或其它生物相容性材料制成，具有單個微通道2，在2a端打開并在另一端2b封閉，所述微通道由水平放置的串聯(lián)的(優(yōu)選z字形)微通道形成，這一幾何結構允許減少傳感器基底3的大小。
[0040]在圖2中傳感器系統(tǒng)的框圖顯示了微粘度計的不同階段或部分之間的互聯(lián)?；?集成了或連接了溫度控制器4的熱致動器，所述數(shù)據(jù)處理單元5控制所述檢測系統(tǒng)6，大氣壓力8的測量以及屏幕或顯示器7。
[0041]在圖3中，液滴被引入封閉微通道的入口 2a，并且它示意性的示出不同時間時液滴的進入至達到最終位置。液體柱之彎月面的位置“X”與時間“t”的關系由微分方程表示:......(h — r2 ,Lr\Pc^P0^L:Pc^P.'^
【權利要求】
1.毛細管微粘度計，其包含:在其中形成微通道(2)的晶片(I)，所述微通道在一端是打開的而在另一端是封閉的并且由串聯(lián)微通道所形成；基底(3);和針對待測流體柱之位置的傳感器裝置(6)，所述傳感器位于其中并能夠記錄進入此微加工通道(2)之流體的動力學；所述檢測器(6)與處理器(5)相連，并且該數(shù)據(jù)處理器(5)包含顯示器(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中所述微通道以z字形串聯(lián)。
3.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中所述晶片(I)由單一的微加工的生物相容性材料制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中所述微通道(2)的直徑使得流體在微通道內(nèi)通過毛細管作用移動。
5.根據(jù)權利要求2所述的毛細管微粘度計，其中所述微通道(2)水平放置。
6.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中所述基底(3)集成了或者連接了溫度控制器(4)的熱致動器。
7.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中所述位置傳感器裝置(6)是光學傳感器。
8.根據(jù)權利要求1所述的毛細管微粘度計，其中通過檢測相對于時間的位置從通過毛細管作用進入封閉通道之流體的瞬時動力學分析來計算粘度。
9.根據(jù)權利要求1 所述的毛細管微粘度計，其中所述裝置包括大氣壓力傳感器。
【文檔編號】G01N11/04GK103814284SQ201280033598
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年7月5日 優(yōu)先權日:2011年7月7日
【發(fā)明者】納迪姆·馬塞洛·莫埃爾, 埃爾南·帕斯托里薩 申請人:國家科學和技術研究委員會(Conicet), 國家原子能委員會, Inis生物技術有限責任公司