СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЖИДКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR RECOGNIZING THE LIQUID

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к распознаванию жидкости, и в частности относится к способу и устройству для распознавания жидкости.
Уровень техники
++
++
Задача распознавания жидкости часто состоит в распознавании частиц, таких как ионы и молекулы, в жидкостях, таких как вода и напитки, для различных целей. Например, целевыми частицами могут являться ионы металлов, такие как Ca, Mg, связанные с жесткостью воды, кофеин, белок и т.д.
Типичной проблемой при распознавании частиц в жидкости является низкая чувствительность из-за относительно низкой концентрации целевых частиц в жидкости или помех со стороны других частиц, содержащихся в жидкости.
Раскрытие изобретения
Принимая во внимание проблему, упомянутую выше, было бы полезно повысить чувствительность распознавания жидкости.
-
2-
4
В некоторых случаях требуется распознать заряженные частицы, включающие в себя положительно заряженные частицы и/или отрицательно заряженные частицы. Например, положительно заряженные частицы, которые должны быть распознаны, могут являться ионами металлов, кофеином, белком, аминокислотами, а отрицательно заряженные частицы могут являться Cl, SO и ацетатом. Таким образом, также было бы полезно улучшить чувствительность распознавания заряженных частиц в жидкости.
В некоторых случаях требуется распознать незаряженные частицы. Например, незаряженные частицы, которые должны быть распознаны, могут являться этанолом в алкоголе, глицерином в косметической жидкости и этилацетатом в пищевых добавках. Распознаванию незаряженных частиц могут мешать заряженные частицы в жидкости. Таким образом, также было бы полезно уменьшить или исключить помехи со стороны заряженных частиц при распознавании незаряженных частиц с тем, чтобы улучшить чувствительность.
В первом аспекте изобретения предложен способ распознавания жидкости, которая содержит положительно заряженные частицы и/или отрицательно заряженные частицы. Способ содержит этапы, на которых:
прикладывают электрическое поле к жидкости посредством приложения напряжения к положительному электроду и отрицательному электроду, расположенным в жидкости, для притягивания отрицательно заряженных частиц к положительному электроду, чтобы сконцентрировать отрицательно заряженные частицы в первой части жидкости, и притягивания положительно заряженных частиц к отрицательному электроду, чтобы сконцентрировать положительно заряженные частицы во второй части жидкости; и
получают первый результат распознавания посредством распознавания по меньшей мере одной части жидкости из первой части жидкости, второй части жидкости и третьей части жидкости, в которой отрицательно заряженные частицы и положительно заряженные частицы имеют уменьшенную концентрацию.
Прикладываемое электрическое поле изменяет концентрацию заряженных частиц в первой, второй и третьей частях жидкости, и по меньшей мере одна из них распознается. То есть, распознавание выполняется по меньшей мере в одной части жидкости, в которой концентрация заряженных частиц изменена. Так как концентрация частиц в жидкости влияет на чувствительность распознавания жидкости, возможно улучшить чувствительность.
Более того, электрическое поле прикладывается, используя положительный электрод и отрицательный электрод. Следовательно, изменение концентрации частиц в жидкости достигается без высоких дополнительных расходов или увеличенной сложности распознавания.
Распознавание может выполняться, используя любой датчик, распознающий свойства жидкости на основании различных способов распознавания, включающих в себя, но не в качестве ограничения, удельную электропроводность, электромагнитное излучение, рефрактометрию, ультразвук и электрохимию.
Жидкость может являться водой, напитком, кофе, соевым молоком и т.д.
Одной из задач распознавания жидкости может являться детектирование целевых частиц. В одном из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит детектирование целевых частиц на основании первого результата распознавания.
Результаты детектирования могут являться либо качественными, либо количественными. В одном из вариантов осуществления, детектирование целевых частиц содержит детектирование того, присутствуют ли целевые частицы в жидкости. В другом варианте осуществления, детектирование целевых частиц содержит определение количества целевых частиц. Например, мерой количества целевых частиц в жидкости может являться концентрация или коэффициент поглощения целевых частиц в жидкости.
Целевые частицы могут являться заряженными частицами или незаряженными частицами. По меньшей мере одна часть жидкости может выбираться из первой, второй и третьей части жидкости согласно различным факторам, таким как свойства целевых частиц, концентрация целевых частиц и/или способ распознавания.
В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере одна часть жидкости содержит первую часть жидкости, если целевые частицы заряжены отрицательно; по меньшей мере одна часть жидкости содержит вторую часть жидкости, если целевые частицы заряжены положительно; и по меньшей мере одна часть жидкости содержит третью часть жидкости, если целевые частицы не заряжены.
Таким образом, в случае, когда целевые частицы заряжены, распознавание выполняется в части жидкости, в которой сконцентрированы целевые частицы. Так, чувствительность может быть улучшена благодаря более высокой концентрации целевых частиц. В случае, когда целевые частицы не заряжены, распознавание выполняется в третьей части жидкости, в которой заряженные частицы, как создающие помехи частицы, имеют уменьшенную концентрацию. Так, чувствительность может быть улучшена благодаря уменьшенным помехам со стороны заряженных частиц.
В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере одна часть жидкости содержит первую часть и вторую часть жидкости, если целевые частицы заряжены отрицательно или положительно.
Распознавание как части жидкости, в которой целевые частицы сконцентрированы, так и части жидкости, в которой целевые частицы имеют уменьшенную концентрацию, далее в материалах настоящей заявки называется двусторонним распознаванием.
Преимущество двустороннего распознавания состоит в том, что относительные результаты могут использоваться для определения изначальной концентрации в жидкости.
Более того, двустороннее распознавание имеет дополнительное преимущество. Когда используется неизбирательный датчик, относительные результаты распознавания от двух частей могут использоваться для получения избирательного результата. Так как единственная разница между двумя частями состоит в относительной концентрации заряженных частиц, разница в результатах распознавания прямо отражает это. Когда известно, что в жидкости присутствует некоторое количество заряженных частиц, результат неизбирательного датчика дает относительные количества заряженных частиц.
В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере одна часть жидкости содержит вторую или третью часть жидкости, если целевые частицы заряжены отрицательно; по меньшей мере одна часть жидкости содержит первую или третью часть жидкости, если целевые частицы заряжены положительно.
Таким образом, распознавание выполняется в части жидкости, в которой целевые частицы имеют уменьшенную концентрацию. В некоторых случаях, распознавание может являться неточным из-за того, что изначальная концентрация целевых частиц слишком высокая для используемого датчика, а именно, датчик выдает свое максимальное показание. В этих случаях было бы полезно распознавать часть жидкости, в которой целевые частицы имеют уменьшенную концентрацию, с тем, чтобы получить точное показание датчика и достичь улучшенной чувствительности.
В одном из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит получение второго результата распознавания посредством распознавания жидкости, когда электрическое поле не прикладывается; и этап детектирования содержит детектирование целевых частиц на основании первого результата распознавания и второго результата распознавания.
Таким образом, распознавание выполняется до и после концентрации заряженных частиц с помощью электрического поля, чтобы получить соответствующие результаты распознавания. Так как разница между первым результатом распознавания и вторым результатом распознавания вызвана лишь электрической концентрацией, чувствительность может быть улучшена посредством объединения двух результатов распознавания.
В одном из вариантов осуществления, напряжение регулируется на основании по меньшей мере одного из веса заряженных частиц и величины заряда заряженных частиц. Например, более тяжелые частицы требуют более высокого напряжения. В качестве другого примера, чем больше заряд, тем меньше требуемое напряжение.
Таким образом, заряженные частицы могут эффективно концентрироваться посредством использования подходящего напряжения. Более того, напряжение может регулироваться, чтобы выборочно распознавать частицы разного веса и величины заряда.
Дополнительно, отметим, что нет необходимости знать абсолютный вес частиц, и относительного значения достаточно. Например, предполагая, что известно, что заданное напряжение является подходящим для заряженной частицы, напряжение может быть увеличено для другой заряженной частицы, которая несет такую же величину заряда, но имеет больший вес, чем заряженная частица.
В одном из вариантов осуществления, последовательно прикладываются несколько напряжений, и первый результат распознавания содержит несколько измерений, каждое из которых соответствует одному из нескольких напряжений.
В примере, прикладывается пошагово возрастающее напряжение, и на каждом шагу производится распознавание. Это делает возможной дифференциацию среди заряженных частиц, имеющих одинаковую полярность, но разные массы или разные величины зарядов.
В другом примере, прикладывается непрерывно возрастающее напряжение, и распознавание производится непрерывно. Как только показание датчика насыщается на определенном значении, соответствующее напряжение может обозначать концентрацию целевых частиц в жидкости.
В варианте осуществления, этап распознавания содержит этапы, на которых: собирают одну из по меньшей мере одной из первой части, второй части и третьей части жидкости в камере; и распознают собранную часть жидкости в камере.
Так как соответствующая часть жидкости собирается перед распознаванием, нет необходимости осуществлять распознавание во время концентрации заряженных частиц, используя электрическое поле. Таким образом, нет необходимости прикладывать электрическое поле, когда производится распознавание. Это особенно полезно для распознавания на основе электрических способов, таких как удельная электропроводность и электрохимия, так как результаты распознавания электрических способов могут испытывать помехи со стороны электрического поля, используемого для концентрации заряженных частиц.
Как отмечается, в некоторых случаях возможно калибровать и преодолевать такие помехи. Таким образом, электрический способ может использоваться без сбора соответствующей части жидкости перед осуществлением распознавания.
Во втором аспекте изобретения предложено устройство для распознавания жидкости, которая содержит положительно заряженные частицы и/или отрицательно заряженные частицы. Устройство содержит:
камеру для содержания жидкости;
положительный электрод и отрицательный электрод, расположенные в жидкости и выполненные с возможностью приложения электрического поля к жидкости для притягивания отрицательно заряженных частиц к положительному электроду, чтобы сконцентрировать отрицательно заряженные частицы в первой части жидкости, и притягивания положительно заряженных частиц к отрицательному электроду, чтобы сконцентрировать положительно заряженные частицы во второй части жидкости, когда напряжение прикладывается к положительному электроду и отрицательному электроду;
источник питания, соединенный с положительным электродом и отрицательным электродом, и выполненный с возможностью приложения к ним напряжения; и
узел распознавания, выполненный с возможностью получения первого результата распознавания посредством распознавания по меньшей мере одной части жидкости из первой части жидкости, второй части жидкости и третьей части жидкости, в которой отрицательно заряженные частицы и положительно заряженные частицы имеют уменьшенную концентрацию.
В одном из вариантов осуществления, узел распознавания может содержать один или более датчиков. В одном из примеров, датчик может являться избирательным датчиком. В другом примере, датчик может являться неизбирательным датчиком.
В одном из вариантов осуществления, положительный электрод и отрицательный электрод расположены на расстоянии друг от друга, чтобы разделять жидкость на первую часть жидкости рядом с положительным электродом, вторую часть жидкости рядом с отрицательным электродом и третью часть жидкости посередине между положительным электродом и отрицательным электродом.
В одном из вариантов осуществления, устройство дополнительно содержит собирающий узел для сбора одной из по меньшей мере одной из первой части, второй части и третьей части жидкости в отдельную камеру для распознавания.
В одном из вариантов осуществления, устройство содержит по меньшей мере один из первого канала, второго канала и третьего канала, при этом камера содержит впуск для приема жидкости, по меньшей мере один из первого выпуска, расположенного рядом с положительным электродом, второго выпуска, расположенного рядом с отрицательным электродом, и третьего выпуска, расположенного посередине между положительным электродом и отрицательным электродом; первый канал находится в соединении по текучей среде с первым выпуском; второй канал находится в соединении по текучей среде со вторым выпуском; а третий канал находится в соединении по текучей среде с третьим выпуском.
Таким образом, первая часть, вторая часть и третья часть жидкости, соответственно, пропускаются через первый канал, второй канал и третий канал. Таким образом, соответствующая часть жидкости может отдельно распознаваться или собираться. В одном из примеров, жидкость в трех каналах может повторно сходиться в один поток на выходе из каналов.
Термины «камера» и «канал», в качестве используемых в материалах настоящей заявки, должны интерпретироваться в широком смысле. Таким образом, подразумевается, что термины включают в себя полости и каналы любой требуемой формы или конфигурации, с помощью которых жидкости могут удерживаться или направляться. Например, такая полость для жидкости может содержать проточную ячейку, через которую постоянно проходит жидкость, или, в качестве альтернативы, камеру для содержания определенного отдельного количества жидкости в течение определенного периода времени.
В одном из вариантов осуществления камера, первый канал, второй канал и третий канал являются микроструйными.
Следовательно, необходим лишь небольшой объем жидкости. Более того, датчик и электроды могут иметь небольшой размер, что приводит к очень небольшим дополнительным затратам.
Термин «микроструйный», используемый в материалах настоящей заявки, должен пониматься, не ограничиваясь, как относящийся к конструкциям или устройствам, с помощью которых текучая среда (текучие среды) может пропускаться, направляться, смешиваться, разделяться или обрабатываться иным образом, при этом микроструйные конструкции или устройства геометрически ограничены небольшим, обычно субмиллиметровым, масштабом. Например, один или более размеров могут обычно составлять менее 500 микрон.
В одном из вариантов осуществления, камера, первый канал, второй канал и третий канал подвергаются поверхностной микрообработке.
Краткое описание чертежей
Вышеприведенные и другие задачи и признаки настоящего изобретения станут более очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого в соединении с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 показывает примерное устройство для распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 2 показывает экспериментальный результат распознавания жидкости, используя устройство по фиг. 1;
Фиг. 3 показывает примерное устройство для распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения; и
Фиг. 4 показывает экспериментальный результат распознавания жидкости, используя устройство по фиг. 3; и
Фиг. 5 показывает экспериментальный результат распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Теперь обратимся к вариантам осуществления изобретения, один или более примеров которых проиллюстрированы на чертежах. Варианты осуществления приведены в качестве пояснения изобретения, и не подразумеваются как ограничение изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные в качестве части одного варианта осуществления, могут использоваться с другим вариантом осуществления для получения еще одного дополнительного варианта осуществления. Подразумевается, что изобретение охватывает такие и другие модификации и изменения, которые попадают в пределы сущности и объема изобретения.
Фиг. 1 показывает примерное устройство для распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 1, устройство 10 содержит камеру 12, положительный электрод (то есть анод) 14, отрицательный электрод (то есть катод) 16, источник 18 питания и узел распознавания (не показан).
Камера 12 используется для содержания жидкости, которая должна быть распознана. Положительный электрод 14 и отрицательный электрод 16 располагаются в камере 12, чтобы быть погруженными в жидкость и находиться на расстоянии друг от друга. Источник 18 питания может являться источником питания постоянного тока (DC), способным обеспечивать заданное напряжение.
Когда источник 18 питания обеспечивает заданное напряжение на положительном электроде 14 и отрицательном электроде 16, электрическое поле генерируется и прикладывается к жидкости, содержащейся в камере. Под воздействием электрического поля отрицательно заряженные частицы в жидкости (если они существуют) притягиваются к положительному электроду, чтобы быть сконцентрированными в части жидкости рядом с положительным электродом. Более того, чем дальше часть жидкости от положительного электрода, тем ниже концентрация отрицательно заряженных частиц. Подобным образом, под воздействием электрического поля положительно заряженные частицы в жидкости (если они существуют) притягиваются к отрицательному электроду, чтобы быть сконцентрированными во второй части жидкости рядом с положительным электродом.
Производится эксперимент, чтобы показать концентрацию заряженных частиц под воздействием электрического поля, используя устройство 10. В этом эксперименте камера 12 заполняется 300 мл водного раствора метиленового синего, коэффициент поглощения которого составляет 2,34 мкМ, и к электродам прикладывается напряжение 60 В. Так как метиленовый синий (проиллюстрированный на фиг. 1 в виде кругов 22) несет положительный заряд после растворения в воде, ожидается, что он будет притягиваться к катоду 16. По прошествии 60 минут образцы раствора берутся из части раствора рядом с положительным электродом (далее в материалах настоящей заявки называемой областью анода), части раствора посередине между электродами (далее в материалах настоящей заявки называемой средней областью) и части раствора рядом с отрицательным электродом (далее в материалах настоящей заявки называемой областью катода), и затем распознаются, как соответственно изображено тремя пунктирными стрелками 24, 26 и 28. Коэффициент поглощения каждого из этих образцов записан в таблице 1, а нормированный коэффициент поглощения показан на фиг. 2. Обращаясь к фиг. 2, ось x показывает индекс образцов, x1, x2, x3, указывающих на образцы, взятые из области анода, средней области и области катода, соответственно; ось y показывает нормированные коэффициенты поглощения этих образцов. Как видно из таблицы 1 и/или фиг. 2, коэффициент поглощения в области катода является самым высоким, а коэффициент поглощения в области анода является самым низким, что свидетельствует о том, что положительно заряженные частицы метиленового синего притягиваются к катоду и концентрируются в области катода.
Таблица 1
Коэффициент поглощения(ед. погл.)
Концентрация (мкМ)
Область анода
0,037
1,57
Средняя область
0,051
2,17
Область катода
0,077
3,28
Время, требуемое для того, чтобы заряженные частицы были притянуты к соответствующему электроду, зависит от прикладываемого напряжения, а также от расстояния между электродами. В частности, намного меньший канал (например, 200 микрометров) был бы пригоден для применения в распознавании, и требуемое время также было бы намного короче, как описано ниже.
Фиг. 3 показывает примерное устройство для распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Как показано на фиг. 3, устройство 300 содержит камеру 310, положительный электрод 315 и отрицательный электрод 316, расположенные на двух противоположных боковых поверхностях камеры 310. В одном из примеров, две противоположные боковые поверхности камеры 310 могут изготавливаться из проводящих материалов с тем, чтобы напрямую служить в качестве электродов.
Далее, обращаясь к фиг. 3, устройство 300 дополнительно содержит первый канал 320, второй канал 330 и третий канал 340. Камера 310 содержит впуск 311 для приема жидкости, по меньшей мере одно из первого выпуска 312, расположенного рядом с положительным электродом 315, второго выпуска 313, расположенного рядом с отрицательным электродом 316, и третьего выпуска 314, расположенного посередине между двумя электродами 315, 316. Первый канал 320, второй канал 330 и третий канал 340, соответственно, находятся в соединении по текучей среде с первым выпуском 312, вторым выпуском 313 и третьим выпуском 314.
Когда жидкость втекает в камеру 310, она разделяется на три потока, которые, соответственно, проходят через три канала 320, 330, 340, как обозначено тремя стрелками на фиг. 2.
Когда напряжение прикладывается к электродам 315, 316, отрицательно заряженные частицы в жидкости должны притягиваться к стороне положительного электрода 315, а положительно заряженные частицы в жидкости должны притягиваться к стороне отрицательного электрода 316. Таким образом, ожидается, что поток, проходящий через первый канал 320, содержит увеличенное количество отрицательно заряженных частиц, поток, проходящий через второй канал 330, содержит увеличенное количество положительно заряженных частиц, а поток, проходящий через третий канал 340, не содержит существенное количество заряженных частиц, как проиллюстрировано на фиг. 3.
Производится эксперимент для демонстрации концентрации заряженных частиц под воздействием электрического поля, используя устройство 300. В этом эксперименте, камера 310 имеет ширину канала 200 мкм. Раствор NaCl с удельной проводимостью 10 мкСм/см втекает в камеру 310 со скоростью 1 мл/мин. Напряжение в 2.0 В прикладывается к электродам, чтобы сгенерировать электрическое поле. В данном эксперименте, потоки из первого канала 320 и второго канала 330 сходятся (не показано) и называются выпуском отходов, а поток из третьего канала 340 называется главным выпуском.
1
2
+
-
В данном эксперименте ионы в выпуске отходов и в главном выпуске, соответственно, подсчитываются и записываются на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, ось x представляет время в минутах, а ось y представляет подсчитанное количество ионов. Кривая с точками представляет подсчитанное количество ионов в выпуске отходов, а кривая с треугольниками представляет подсчитанное количество ионов в главном потоке. Время t - это момент времени, когда электрическое поле включается, а время t - это момент времени, когда электрическое поле выключается. Как показано на фиг. 4, когда электрическое поле включено (то есть, к электродам прикладывается напряжение в 2.0 В), подсчитанное количество ионов в выпуске отходов существенно превышает это значение в главном потоке. Когда электрическое поле включено (то есть, к электродам не прикладывается напряжение), подсчитанное количество ионов в выпуске отходов по существу совпадает с этим значением в главном потоке. Это свидетельствует о том, что ионы, включающие в себя Na и Cl, в жидкости притягиваются к электродам и концентрируются в потоках, проходящих через первый и второй каналы, когда электрическое поле прикладывается к жидкости. Более того, как видно на фиг. 4, время, требуемое для того, чтобы заряженные частицы сконцентрировались, составляет всего одну или две минуты, что является приемлемым в применениях для распознавания.
Фиг. 5 показывает экспериментальный результат распознавания жидкости согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В данном эксперименте, сначала чистая вода втекает в канал, имеющий ширину W 80 микрон, со скоростью v 100 мкл/мин и делается фотография (как показано на фиг. 5(a)) канала. Затем вода с флуоресцентным анионным индикатором втекает в тот же канал с той же скоростью, и делаются фотографии канала в трех разных случаях. В первом случае, электрическое поле не прикладывается, и соответствующая фотография показана на фиг. 5(b). Во втором случае, противоположные боковые поверхности канала используются в качестве электродов, и прикладывается напряжение в 2 В, с левой стороной, являющейся положительным электродом, и правой стороной, являющейся отрицательным электродом, соответствующая фотография показана на фиг. 5(c). В третьем случае, прикладывается напряжение в -2 В, с левой стороной, являющейся отрицательным электродом, и правой стороной, являющейся положительным электродом, соответствующая фотография показана на фиг. 5(d).
Известно, что яркость фотографии обозначает концентрацию флуоресцентного анионного индикатора, а именно, что чем выше концентрация в области, тем ярче эта область. Как и ожидалось, фотография чистой воды очень темная (смотрите фиг. 5(a)), так как она не содержит флуоресцентный анионный индикатор, а фотография воды с флуоресцентным анионным индикатором в случае, когда электрическое поле не прикладывается, является равномерно яркой (смотрите фиг. 5(b)), так как флуоресцентный анионный индикатор должен равномерно распределяться в воде без электрического поля. Как видно на фиг. 5(c) и (d), область у стороны положительного электрода ярче, что указывает на то, что флуоресцентный анионный индикатор притягивается к положительному электроду.
Стоит отметить, что вышеописанные варианты осуществления приведены скорее для описания, чем для ограничения изобретения, и стоит понимать, что могут вноситься модификации и изменения без отклонения от сущности и объема изобретения, что очевидно для специалистов в данной области техники. Такие модификации и изменения рассматриваются как находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Объем охраны настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны трактоваться как ограничение формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов, отличных от изложенных в пункте формулы изобретения. Использование единственного числа при описании элемента или этапа не исключает наличия множества таких элементов или этапов.