[发明专利]测量流体通道中流动的液体的流速的方法以及实现设备

说明书

本发明涉及一种测量横向尺度为毫米至微米的流体通道中流动的液体的流速的方法以及涉及用于实现所述方法的设备。

特别地，该方法用于化学或生物化验方案中液体量的精确和可显示测量。

对化学或生物分子化验的方法通常基于应用按适当限定的浓度以及按适当限定的反应量在液体溶液中混合化学或生物试剂的方案。举例而言，在ELISA测试方法中使用的酶检测的情况下，必须测量的酶产物的浓度与进行反应的量成反比。测量所使用的各种试剂的量时的误差因此对测量结果具有直接影响。

此外，在用于医疗诊断的生物或化学化验的情况下，有利的并且越来越有必要的是，能够针对每个测试结果来验证正确地遵循了用于获得该结果的生化方案。方案过程的这种可跟踪性意味着：必须找到用于精确测量所使用的试剂中的每一个的量并且确保已经按反应量正确地配制它们的方式。

为了满足这种需求以控制对量的测量，开发了大量技术解决方案。手工解决方案通常基于抽取或配制的量的几何限定(测定容积的吸液管、具有设定或可调整容积的手工或机动吸液管、注射器吸液管、多通道吸液管)。只要规则地校准工具并且以低速率进行，这些系统通常允许对量进行可复现的精确测量。

在具有较高吞吐量的自动化系统中，量的抽取和配制优选地通过非常可再现的系统执行，其中所抽取和配制的量通过相关联的测量系统来规则地检查。可以在抽取储存器中或者在配制容器中测量抽取或配制的量：可以使用光学方法或电接触或阻抗测量来检查含量的等级，或者对含量进行称重。

这些方法具有很多缺点：难以实现针对小量(在10至100μl之间)的高精度，并且这些方法对与高速率相关的效果敏感。其中，可列举由于容器的运动或配制的猛烈、气泡的形成、或在称重测量的情况下容器和所配制的量的惯性，所以引起液柱弯月面的扰动。

另一解决方案包括：通过测量抽取工具中的液体流速的时间曲线来测量抽取或配制的量。

已经开发了用于测量在各种尺寸的通道和管中流动的液体的流速的很多方法。这些方法属于各种物理原理：热传递、机械、光学或电学，更精确地，磁流体动力学或电动力学方法。

热、机械和光学方法的优点是独立于液体彼此之间可以不同的导电性。然而，它们具有技术上实现起来复杂的缺点。

此外，这样的系统难以小型化。在用于抽取和配制小量的系统中，通常从细管或窄颈瓶的底部吸收液体，并且在抽取后，液体处于锥形或针形的逐渐变尖的端部。

机械、热或光学系统通常太大以致不能直接放置在该位置处，并且因此必须是远离的，由此要求经由液体或空气活塞来间接测量设备顶部的单位体积流速。

电学方法强烈取决于溶液导电性，但它们最容易实施并且实现，尤其是以小型化形式，这允许在抽取设施的输入的抽取/压入设备的自由端附近实现。

电动力学方法与固体表面附近的区域中的电解液的移动相关联。电双层现象表征该区域。

在C.Lattes，S.Colin，S.Geoffroy and L.Baldas，in La Houille Blanche(Hydroelectric Power)，1(2006)pp 47-52的文章“Effets de la double couche électrique sur un écoulement de Poiseuille”中解释了该电双层现象。可以将其总结如下。

当使导电液体、甚至十分弱的导电液体(例如乙醇)与固体壁(例如金属、金属氧化物、极化的半导体)或至少以碳、石墨或碳纳管制成的固体壁形成接触时，该壁获取电荷。例如，金属可以是金、铂或不锈钢；金属氧化物可以是ITO(铟锡氧化物)；并且，半导体可以是硅或金刚石。也可以提及以碳、石墨或碳纳管制成的固体壁。特别地，壁上的电荷取决于电离并且因此取决于溶液的pH，以及取决于将壁-液体界面处的离子吸附到壁或者分解到液体的能力。例如，在硅与水接触的情况下，在壁处的分子的离解根据以下反应产生负充电表面：

这导致溶液中的离子浓度的局部改变。由液体中电荷的这种重新分布影响的区域被称为电层。在多数研究中使用Stern模型，并且其将该层表示为电双层(DCE，double couche électrique)，包括：

-薄致密层(称为Stern层)，厚度为x_H，包括吸附到壁的表面并且沿着称为“Stern”的平面对齐的离子；以及

-扩散层(称为Gouy-Chapmann层)，其中离子是移动的。