一种基于平面电极阵列的藻类检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，包括以下：多电极传感器阵列和微管道；所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；所述微管道包括入水口、水流道和出水口；藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。本发明专利技术的有益效果是：不但可以提供实时的检测结果，还能实现传感器的小型化和低功耗，降低制造成本，有效补充现有检测手段。有效补充现有检测手段。有效补充现有检测手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面电极阵列的藻类检测系统


[0001]本专利技术涉及水质藻类检测领域，尤其涉及一种基于平面电极阵列的藻类检测系统。

技术介绍

[0002]以蓝藻为代表的各类藻类过度繁殖而产生的水华现象是我国水生态安全的最主要威胁之一。现阶段常见的蓝藻检测方法有实验室分析法、遥感检测法和活体荧光分析法，但从水华防治的效果看，现有方法仍存在检测周期长、测量精度不足和成本高等不同方面问题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，面向水华防治中的实际需求，针对藻类自身生物特性和不同水华阶段其浓度差异，本专利技术提供一种基于平面电极阵列的藻类监测传感器，通过对电极阵列和微管道的优化设计，实现对以蓝藻为代表的藻类的浓度测量。
[0004]本专利技术提出的一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，具体包括以下：
[0005]多电极传感器阵列和微管道；
[0006]所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；
[0007]所述微管道包括入水口、水流道和出水口；
[0008]藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。
[0009]进一步地，所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目。
[0010]进一步地，步骤S102中，所述水体电容增加，其原理如式(1)所示：
[0011][0012]式(1)中，C为蓝藻细胞发生极化反应后测得的整体水体电容；C
water
为极化反应前的水体电容；C
cell
为极化反应后增加的水体电容；ε
water
为水体介电常数；ε
cell
为极化反应后增加的等效水体介电常数；κ为所述叉指电极的电极常数。
[0013]进一步地，所述叉指电极的电极常数κ计算公式如式(2)：
[0014][0015]其中，s为电极对之间的间距，w为电极宽度，N为电极总数；L为电极长度；K为第一类完全椭圆积分，其计算式如式(3)：
[0016][0017]式(2)中，k由电极形状确定，t为积分项，dt为微元项。
[0018]进一步地，所述多电极传感器阵列还用于测量水体电导率，水体电导率的计算公式如式(4)：
[0019][0020]式(4)中，σ为水体电导率，R为叉指电极之间的电阻。
[0021]进一步地，所述微管道的入水口和出水口尺寸与蓝藻尺寸相匹配。
[0022]进一步地，所述微流道的材料为聚二甲基硅氧烷。
[0023]所述多传感器阵列引出引脚与外部测量电路相连。
[0024]本专利技术提供的有益效果是：不但可以提供实时的检测结果，还能实现传感器的小型化和低功耗，降低制造成本，有效补充现有检测手段。
附图说明
[0025]图1是本专利技术一种基于平面电极阵列的藻类检测系统的结构图；
[0026]图2是非均匀电场和均匀电场下蓝藻细胞的极化反应效果示意图；
[0027]图3是本专利技术设计的非对称电极示意图；
[0028]图4是本专利技术所涉及的多电极传感器阵列样品；
[0029]图5是本专利技术所涉及的与多电极传感器阵列样品相适应的微管道结构；
[0030]图6是多电极传感器阵列样品与微管道封装后的示意图；
[0031]图7是微流道结构的平面设计示意图；
具体实施方式
[0032]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。
[0033]请参考图1，一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，包括以下：
[0034]多电极传感器阵列和微管道；
[0035]所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；
[0036]所述微管道包括入水口、水流道和出水口；
[0037]藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。
[0038]所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：
[0039]S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；
[0040]请参考图2，图2是非均匀电场和均匀电场下蓝藻细胞的极化反应效果示意图；图2左半部分为非均匀电场。图2右半部分为均匀电场；在均匀电场下，细胞极化仅体现出电容效应，而在非均匀电场下，细胞除了电容效应之外，还因为各部位受电场力的不同，而产生细胞运动，形成了电阻效应。
[0041]请参考图3，根据蓝藻细胞的极化反应，图3是本专利技术设计的非对称电极示意图；图3上半部分为非对称叉指电极剖面图；图3下半部分为非对称叉指电极平面图；
[0042]S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；
[0043]S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目。
[0044]单个蓝藻细胞一般直径在几微米到十几微米的范围内，当外加电场作用于细胞时，细胞内的自由离子受电场影响，根据自身电荷性质沿电场方向或朝与电场相反的方向移动，并最终受限于细胞膜而积聚于细胞内部边沿。虽然这些离子本身不能离开细胞，但由于库伦定律，它们会吸引细胞外水体中的异性电荷积累在细胞膜的外侧，形成类似电容的结构，从而增加所在水体的总电容，这种现象也称为细胞的极化。
[0045]假设所用的电极为平行电极，其相对面积为A，电极间水体厚度为d，其电容可表示为
[0046][0047]其中ε为水体的介电常数，通常为定值，发生细胞极化效应时，等效于增加水体介电常数，继而增加整体电容。
[0048][0049]由于增加的电容与蓝藻浓度存在正相关关系，因此通过测量电容，就可以评估蓝藻数目。
[0050]具体如下，假设标准水样中蓝藻含量为N
pre
，所测电容值为C
pre
,纯净水中所测电容值为C
pure
，则实际工作中，对待评估水样测得其电容值为C
sample
，则其蓝藻含量N
sample
，依据以下公式计算
[0051][0052]即
[0053][0054]其中C
sample
为实测值，N
pre
，C
pre
和C
pure
均为传感器制造后的校准环节中所获固定参
考值，不受之后实验影响。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平面电极阵列的藻类检测系统，其特征在于：具体包括：多电极传感器阵列和微管道；所述多电极传感器阵列包括多组电极，每组电极由宽度和间距均不相等的叉指电极组成；所述叉指电极以对称和非对称的排列形式，封装于所述水流道中，用于测量水体电容；所述微管道包括入水口、水流道和出水口；藻类水质经由所述入水口进入所述水流道，并由所述多电极传感器阵列检测藻类数目，最后经由出水口流出。2.如权利要求1所述的基于平面电极阵列的藻类检测系统，其特征在于：所述多电极传感器阵列检测藻类数目具体过程为：S101：所述叉指电极以对称和非对称的排列形式形成均匀电场和非均匀电场；S102：所述均匀电场和非均匀电场使蓝藻细胞发生极化反应，使水体电容增加；S103：所述叉指电极检测出增加的水体电容，并根据增加的水体电容计算出蓝藻数目。3.如权利要求2所述的基于平面电极阵列的藻类检测系统，其特征在于：步骤S102中，所述水体电容增加，其原理如式(1)所示：式(1)中，C为蓝藻细胞发生极化反应后测得的整体水体电容；C
water
为极化反应前的水体电容；C
cell
为极化反...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓磊，王玉皞，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：