IEC 62047-48:2024
Полупроводниковые приборы - Микроэлектромеханические приборы - Часть 48: Метод испытания для определения концентрации раствора путем оптического поглощения с использованием жидкостного устройства MEMS

Стандартный №

IEC 62047-48:2024

Дата публикации

2024

Разместил

International Electrotechnical Commission (IEC)

Последняя версия

IEC 62047-48:2024

сфера применения

Обзор стандарта и техническая база

IEC 62047-48:2024 — это стандарт метода испытаний, выпущенный Международной электротехнической комиссией для определения концентрации растворов методом оптического поглощения с использованием микрофлюидных устройств MEMS. Этот стандарт, часть 48 серии IEC 62047 «Полупроводниковые приборы — микроэлектромеханические устройства», специально рассматривает требования стандартизации для микрофлюидных технологий в химических и биологических испытаниях.

С быстрым развитием микрофлюидных технологий, жидкостные устройства MEMS нашли широкое применение в биомедицинских испытаниях, мониторинге окружающей среды и химическом анализе. По сравнению с традиционными аналитическими инструментами, микрофлюидные устройства MEMS предлагают такие преимущества, как сниженный расход реагентов, более высокая скорость обнаружения и возможность проведения мониторинга in situ. Однако отсутствие унифицированных стандартов испытаний препятствовало стандартизированному развитию этой технологии. Настоящий стандарт был разработан в этом контексте.

---

Основной технологический принцип: применение закона Бера-Ламберта в микромасштабе

Основной технической основой стандарта является закон Бера-Ламберта, который имеет следующее математическое выражение:

A = -log(T) = a·b·c

Где: A — поглощение (отношение), T — пропускание (I/I₀), a — молярный коэффициент поглощения (M^-1см^-1), b — длина оптического пути (см), а c — молярная концентрация (M).

В микрофлюидных устройствах MEMS применение этого закона имеет следующие особенности:

Параметры	Традиционная кювета	Микрофлюидные устройства MEMS	Техническое воздействие
Длина оптического пути (b)	Обычно 1-10 см	100-500 мкм	Более высокие требования к чувствительности, требующие более сильного источника света или более высокой чувствительности обнаружения
Объем образца	Уровень миллилитра	Уровень микролитров	Значительно снижает расход реагентов, но требует более точного контроля жидкости

Требования к структуре и конструкции микрофлюидных устройств MEMS

Стандарт подробно определяет структурный состав и требования к конструкции жидкостных устройств MEMS:

Структура слоев устройства

Микрофлюидные устройства MEMS используют трехслойную конструкцию:

Структурный слой	Требования к материалу	Характеристики толщины	Функциональные характеристики
Крышка слой	Прозрачный связующий материал (например, стекло)	0,500–1 мм ±5%	Обеспечивает защиту оптического окна и герметизацию
Микрофлюидная пластина	Материал, поддающийся травлению или формованию (например, кремний)	0,500–1 мм ±5%	Содержит микрофлюидную структуру для обеспечения пропускания жидкости
Базовый слой	Прозрачный связующий материал (например, стекло)	0,500–1 мм ±5%	Обеспечивает защиту нижнего оптического окна и структурную поддержку

Характеристики размеров микроканала

Стандарт устанавливает четкие требования к основным размерам микроканала:

• Глубина/Ширина: Сотни микрон
• Длина: Не менее нескольких миллиметров для обеспечения полностью развитого поля потока в позиции измерения
• Требование к ширине: Должно быть больше размера пятна источника света (определяемого как область с более чем 75% интенсивности гауссова распределения)
• Общий размер: Несколько сантиметров x несколько сантиметров, включая микроканал и фиксированную область

---

Конфигурация испытательной системы и оптические требования

Система измерения концентрации состоит из трех основных частей:

1. MEMS микрофлюидное устройство

Как носитель и место реакции образца, оно должно соответствовать следующим требованиям:

• Оптическая прозрачность: верхний и нижний слои должны иметь высокий коэффициент пропускания на длине волны обнаружения
• Химическая совместимость: совместимы с раствором и реагентами, которые будут тестироваться
• Механическая стабильность: поддерживать размерную стабильность во время теста

2. Оптическая система источника света

Стандарт рекомендует использовать лазерный источник света. Особые требования:

• Тип источника света: Лазер с длиной волны, соответствующей пику поглощения тестируемого вещества
• Качество луча: Гауссово распределение с точно контролируемым размером пятна
• Стабильность: Стабильная выходная интенсивность с колебаниями менее 1%

3. Оптическая система обнаружения

Детектор должен соответствовать источнику света:

• Тип детектора: Фотодиод, соответствующий ответной реакции длины волны лазера
• Чувствительность обнаружения: Способен обнаруживать незначительные изменения поглощения в микрофлюидном канале
• Соотношение сигнал/шум: Высокое отношение сигнал/шум обеспечивает точность измерения

---

Процесс испытания и рабочие процедуры

Стандарт определяет подробные этапы испытания:

Предварительная подготовка

1. Крепление устройства: Закрепите измерительный блок горизонтально на кронштейне, чтобы обеспечить хороший контакт с блоком контроля температуры
2. Оптическое выравнивание: Точно отрегулируйте относительное положение волоконного лазера, микрофлюидного канала и волоконного детектора
3. Настройка параметров: задайте параметры теста, такие как температура поверхности и интенсивность лазера
4. Стабилизация температуры: включите нагревательный элемент и дождитесь, пока температура достигнет целевого значения (в пределах ±1 °C)

Создание стандартной кривой

5. Приготовление стандартного раствора: подготовьте эталонную жидкость известной концентрации
6. Измерение поглощения: измерьте поглощение каждой эталонной жидкости в статическом состоянии
7. Замена жидкости: удалите ранее измеренную жидкость путем отсасывания через выходное отверстие
8. Повторное измерение: завершите измерение поглощения всех эталонных жидкостей
9. Расчет коэффициента: рассчитайте молярный коэффициент поглощения a на основе данных эталонной жидкости

Испытание образца

10. Измерение образца: Измерьте поглощение образца для испытания в статическом состоянии
11. Расчет концентрации: Рассчитайте молярную концентрацию c на основе закона Ламберта-Бера
12. Окончание теста: Остановите тест концентрации и выключите нагревательный элемент

---

Обработка данных и анализ результатов

Расчет молярного коэффициента поглощения

На основе данных измерений эталонной жидкости по формуле a =

На основе известного молярного коэффициента поглощения a и длины оптического пути b рассчитайте молярную концентрацию образца по формуле c = A/(a·b).

Элементы отчета	Конкретное содержимое	Требования к записи
Описание образца	Основная информация об образце для испытания	Подробное описание свойств образца и источника
Условия испытания	Параметры испытания, такие как температура поверхности	Точно записывайте фактические измеренные значения
Эталонная жидкость	Данные по построению стандартной кривой	Включая значение концентрации и соответствующую абсорбцию
Результаты расчетов	Молярный коэффициент поглощения и концентрация образца	Сохраните достаточное количество значащих цифр
Информация об испытании	Информация об управлении, такая как дата и организация	Обеспечение прослеживаемости

---

Предложения по внедрению и технические проблемы

Предложения по техническому внедрению

На основе требований стандарта предлагаются следующие предложения по внедрению:

1. Оптимизация оптической системы

• Используйте оптическую систему с хорошей фокусировкой, чтобы гарантировать точное прохождение светового луча через микрофлюидный канал
• Используйте высокостабильный источник света и детектор, чтобы уменьшить колебания измерений
• Рассмотрите возможность использования двухлучевой конструкции для компенсации влияния колебаний источника света

2. Стратегия контроля температуры

• Интегрируйте высокоточный датчик температуры для мониторинга температуры устройства в режиме реального времени
• Используйте алгоритм ПИД-регулирования для достижения точной регулировки температуры
• Учитывайте влияние изменений температуры окружающей среды и при необходимости добавляйте конструкцию теплоизоляции

3. Оптимизация подачи жидкости

• Используйте прецизионный микрофлюидный насос для достижения точного контроля жидкости
• Оптимизируйте конструкцию микрофлюидного канала для снижения переноса и перекрестного загрязнения
• Введите комплексную процедуру очистки для обеспечения повторяемости измерений

Технические проблемы

В практическом применении могут возникнуть следующие проблемы:

1. Проблемы оптических измерений в микромасштабе

• Ограничения чувствительности из-за короткой длины оптического пути
• Влияние отражения и рассеяния на границе микроканала
• Сложность выравнивания светового луча с микроканалом

2. Сложность системной интеграции

• Координация нескольких систем, включая оптику, струйную автоматику и контроль температуры
• Баланс между миниатюризацией и производительностью
• Проблемы согласованности в массовом производстве

3. Препятствия к внедрению стандартизации

• Сравнение результатов между разными лабораториями
• Отклонение измерений, вызванное различиями в оборудовании
• Требуемый технический уровень операторов

---

Перспективы применения и тенденции развития

Области технического применения

Основанная на этом стандарте, технология определения концентрации микрофлюидов MEMS имеет широкие перспективы применения в следующих областях:

1. Медицинская диагностика

• Портативное оборудование для анализа крови
• Устройства для оказания помощи на месте (POCT)
• Обнаружение маркеров заболеваний

2. Мониторинг окружающей среды

• Мониторинг загрязнения воды
• Обнаружение загрязнителей воздуха
• Оборудование для быстрого анализа на месте

3. Управление промышленными процессами

• Мониторинг процесса химической реакции
• Мониторинг процесса биологической ферментации
• Оперативное определение качества продукции

Тенденции технологического развития

Будущее технологическое развитие будет сосредоточено на следующих направлениях:

1. Интеграция и миниатюризация

• Монолитная интеграция оптических компонентов и микрофлюидики
• Меньшие системы обнаружения
• Многофункциональные интегрированные чипы

2. Интеллект и автоматизация

• Интеллектуальные алгоритмы обработки данных
• Автоматическая калибровка и диагностика неисправностей
• Удаленный мониторинг и управление

3. Стандартизация и нормализация

• Разработка стандартов, более ориентированных на практическое применение
• Международное взаимное признание стандартов
• Повышенная сопоставимость и надежность результатов испытаний

---

Заключение

Выпуск IEC 62047-48:2024 содержит важные технические характеристики и руководство по методам испытаний для измерения концентрации оптического поглощения с использованием микрофлюидных устройств MEMS. Стандартизируя условия испытаний, стандартизируя рабочие процедуры и уточняя методы обработки данных, этот стандарт будет эффективно способствовать стандартизированной разработке и широкому применению технологии микрофлюидного обнаружения.

Благодаря постоянному развитию технологий и совершенствованию стандартов технология микрофлюидного определения концентрации MEMS, основанная на принципе оптического поглощения, будет играть все более важную роль в областях медицины, охраны окружающей среды, промышленности и т. д., обеспечивая надежную техническую поддержку для быстрого и точного определения концентрации на месте.