摘要：微流体图像尺寸小、精度高,对农业工程的研究具有重要作用。介绍了微流体图像显示技术,并对其在农药微液滴测量、农业机械的内部微流场流动特性、农业动植物细胞内微流体现象以及农业微量检测等方面的应用现状进行了综述,提出了微流体图像显示技术在检测速度、评价标准、图像清晰度和应用规模等方面存在的问题及发展建议,充分利用微流体图像显示技术的优势,实现微流体图像显示技术在农业工程中的进一步应用,促进农业工程的更好发展。
关键词：微流体; 图像显示技术; 农业工程; 应用展望;
现代农业正朝着数字、高效、智能的方向发展,20世纪90年代以来,微流体图像显示技术成为国内外研究的热点[1] 。微流体图像显示技术对复杂流动的瞬态现象能够进行可视化[2,3] ,是过程研究的重要方法,在农业工程中获得广泛关注。微流体图像显示技术是伴随着现代农业发展起来的一种可视化、采集与处理一体化的技术,是现代农业发展的热点,也是未来农业发展的方向。
农业工程领域通过流体图像处理技术对流体图像信息进行加工处理,达到视觉效果,满足农业工程领域应用需求。但在农业工程领域流动显示数据处理的速度和精度存在一定的局限性,所以对微流体图象显示技术迫切需求。随着计算机的飞速发展,微流体图像显示技术在精准农业微小液滴的测量,机械元件内部流场特性,以及农业虫害、微生物内部等农业工程领域获得应用,但微流体图像显示技术在农业工程中的应用还不够广泛,根据微流体图像具有可视化、测量尺度小、精度高等优点,可将微流体图像显示技术应用于农业工程的更多方面,如农药残留检测、虫害物理防治等。本文对微流体图象显示技术及其在农业工程中的应用进行了分析,并提出现研究阶段存在的问题及展望,以期促进现代农业向着数字化、智能化、精确化方向发展。
1 微流体图像显示技术简介
微流体技术(microfluidics technology)是一种在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术,通过构建微流体系统以实现各种复杂的微流体操纵功能。微流体系统被认为是微纳机电系统(MEMS/NEMS)中最有前景的应用领域,如微喷头、生物芯片等,微流体系统(微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等)中的流体流动行为与宏观流体流动行为有着本质差别,故微流体图像显示技术具有如下难题:捕捉特征尺度小、动能小、显示困难;背景噪音大,区分难度大;微观界面内流体特征动态变化迅速,捕捉困难;需要借助特定的、能够体现微流体特征的示踪物质来反映流动特性,但满足要求的示踪物质寻求难度大;对图像采集系统的高速相机性能要求高,光源匹配范围窄。因此,微流体图像显示技术具有如下特点:图像数据的采集系统(摄像机、采集卡、计算机内存、对应软件等)速度要求高、专业性强,特定图像数据需要特定的数据采集方法,图像辨识难度大、精度高,有效图像的辨识方法对数据的可靠性影响很大。
显微粒子图像测速仪Micro-PIV(micro-scale particle image velocimetry)可以用于宏观流体也可以用于微流体,利用Micro-PIV测量微尺度流动的流场是微流体图像显示技术的一个典型实例,将传统的PIV技术与光学显微技术相结合,定量测量全场的瞬间动态特性,并通过粒子的荧光提取流场信息[4] ,针对微观流场检测,通过添加荧光纳米级示踪粒子和高精度显微装置,改进激光入射角度与照明方式、聚焦平面控制等软硬件方面的创新技术,解决了微观检测的关键问题[5] 。Micro-PIV技术对全场微观内部的流动结构进行直接测量,并达到一定标准的分辨率和测量精度[6] ,与只能给出流量、阻力等宏观流动特性的传统测量技术相比,Micro-PIV有了突破性的进展。随着先进的图像采集和处理技术的不断发展,Micro-PIV测量分辨率可达单个微米量级[7] 。
微流体技术[8] 具有卓越的传质、传热及安全性能,能够连续操作,实现流体精确调控,是过程强化的一个重要手段。微流体显示技术是一种非接触式的实验技术[9] ,对流动本身的干扰非常小,精度较高,是最具潜力的微流体实验技术,它不干扰活体组织正常工作状态,是活体组织内部流动研究的有效工具。
2 微流体图像显示技术在农业工程中的应用
2.1 农业微液滴测量研究
与传统的制备方法相比,微流体图像显示技术中的一种微流控技术提供了一种“自下而上”的新方法精确控制微液滴的组成和大小,实现了对微液滴物理化学特性的精确控制。基于液滴或者气泡的多相微流控是近年来农药混合研究中的重要分支之一,陈晓东等[10] 通过微流动图像显示技术在微通道中能够实现对单个液滴的精确操控,并可直接观察,能够更简单直接地阐述某些流动机理,实现微液滴的精准操控测量。
微流体图象显示技术已被应用于农业微液滴的精确测量。李小华[11] 提出了一种基于图像处理的微液滴体积测量方法,采用数字显微系统进行微液滴图像的采集,然后对原始图像进行维纳滤波、图像侵蚀、边缘提取,通过Canny算子选择高斯滤波器平滑处理后的图像,得出液滴直径,进而获得体积数据。韩巍等[12] 用液滴测量粒子图像测速仪,对长直通道三维速度场进行了非接触定量可视化测量,采用二维分层速度场测定方法,将通道沿物镜方向划分多个流体层,用高精度的位移平台实现流体跨层粒子图像采集,结果表明32×32像素判读域的流量测量精度总体上优于64×64像素,实现对微通道流量的精确测量。
微流体图象显示技术也成功应用于混药器结构设计、农药雾滴沉降与喷洒的研究。徐幼林[13] 通过流体图像显示技术对混药器的结构性能进行分析,在水中加了示踪剂进行了在线混合试验,对混药器内部流场的流动图像数据进行了采集和分析,验证了计量泵指示流量越大混合效果越好,离心泵指示流量增加,混合效果越差。郭敬坤等[14] 在农药中加入示踪粒子,通过高速相机采集喷雾机农药和水在线混合后流体混合图像,研究了喷雾机农药与水的在线混合效果。表明流量微流体图象显示技术不仅能实现小流动液滴的精确测量,还为混药器等农业喷雾设备的设计研究提供理论依据。
2.2 农业机械内部流动特性研究
王凌等[15] 通过三维Micro-PIV技术对微通道气液柱塞流体图像进行采集和分析,通过气泡前部区域的示踪颗粒分布图和三维速度分布图,获得了一系列微通道气液柱塞流三维流场的重要特性,最终研究了微通道气液柱塞流的三维流场特性,结果表明在气泡前部区域存在两个对称的方向相反的漩涡;在远离气柱头部的区域,与单相流有类似的抛物线速度分布。王鹏伟等[16] 采用Micro PIV测得多孔介质内速度场的分布,分析和计算得到了微柱群多孔介质内速度场的分布,结果表明速度具有较好的对称性,符合低雷诺数条件下的流动规律。孙然等[17] 利用微粒子图像测速技术测量不同介质流体在垂直粗螺纹间隙中全程的螺旋流动动态,分析了不同流量下,粗螺纹间隙中不同介质流动流场瞬态特性、流体速度分布和涡量场分布特征,结果显示流体在粗螺纹间隙中存在高速区和低速区,随着流量的增负涡位置基本保持不变。刘国忠等[18] 建立了基于光学相干层析技术的微粒子跟踪速度测量系统,对对流流场进行了测量,实现微米级空间分辨的微粒子图像与速度矢量的显示,促进了对微流动器件流动特性的研究。
金文等[19] 通过Micro-PIV测量技术对灌水器内流道流场进行了研究,利用相机拍摄荧光示踪粒子与红光透过滤光镜相配合而获得清晰的粒子图像,通过图像处理获得高分辨率的流场速度矢量分布图和流线图,试验发现微通道齿间内流充分发展后是一种重复性流动,且颗粒在低速区易发生沉积,是造成堵塞的主要原因。郭霖等[20] 通过微流体图像显示技术获得流道内部流场的可视化图,计算不同压力对应的流量值,研究三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力特性,优化三角形迷宫流道灌水器的结构。崔强[21] 用烟雾作为示踪粒子,通过微流体图像显示技术获取微喷管中不同流量、不同压力下清晰的微尺度流场和微喷头轴线速度分布,便于分析微喷管中气体多变过程的流动特性,测量喷头的非定常周期性瞬态流动,获得喷头高度非定常的流动。微流体图像显示技术已被应用于柱塞泵、灌水器、喷管等农业机械中,实现了农业机械内部流动图像的再现,有利于精确测量和分析农业机械内部微流场的流动特性,提高农业机械的作业效率。
2.3 农业动植物细胞内部微流体现象研究
Wereley等[22] 和GóMez等[23] 采用直径1.88 pm的荧光橡胶粒子作为示踪粒子,一个恒定光强的汞弧灯进行照明,用采集频率为30 Hz的CCD相机通过超荧光显微镜进行微流体图像采集,成功地通过Micro-PIV技术测量了微流体生物芯片(microfluidic biochip)中的流动,微流体芯片,又被称为“芯片实验室(lab-on-a-chip)”,可实现对生物分子细胞的加工分析,探测细胞的电特性和行为以及DNA杂交等生物过程。
约翰内斯古腾堡大学地质研究所的Leu等[24] 通过对快速多相流的X射线MicroTomography贝雷砂岩进行流体图像处理研究,建立了Decane-brine分布一个多相流实验模型,验证了μ-CT孔隙空间使用形态学方法仅捕获毛细管力。Rossi等[25] 通过Micro-PIV技术对多个平面内的速度分布进行测量,以获取不同平面内单个细胞的壁面切应力,研究了血液流动对内皮细胞的作用机理。李芬等[26] 以一定浓度的细胞悬浊液作为流动介质,借助微流体实验装置,对实验所取得的相关视频图像进行处理,结果表明红细胞随悬液呈轴向和径向微管道流通,入口流量相同时,红细胞微血管中的流动速度随Hct变化呈现不同,Hct越大红细胞速度越大。
Sims等[27] 和Hong等[28] 指出Micro-PIV是活体研究的重要手段。Savery等[29] 通过微流体图像显示技术对小鼠体内毛细血管内皮的血浆蛋白进行观测,Wong等[30] 对DNA分子变形进行观测,分析了微流体内部的速度场。Vennemann等[31] 通过Micro-PIV测量了不同时刻孵化中鸡胚胎的心脏血流速度。Mccann等[32] 利用MicroPIV技术测量平行板流室中的动脉流动特性,来调节血管内皮细胞的健康;Sugii等[33] 通过高速微流动图像显示技术对红细胞和血浆的速度进行测量,来研究微循环中血液的变性。Micro-PIV技术可被用来探索蛋黄胚胎内部的的微流动[34] 和心血管缺陷[35,36] 等流动现象。Micro-PIV系统通过侧面测量可对内表皮细胞外的微流动进行定量分析[37] 。Kim等[38] 研制成功了一种微流体元件,培养出不同流速下的细胞,通过Micro-PIV技术进行分析研究。鲍小凡等[39] 通过微流体图像显示技术,对细胞进行最快速、直接的分离,使得对微小粒子的可操纵性成为热门的研究,实现细胞的精确分离,为农业新品种的培植和疾病的诊断与防治提供技术支撑。
2.4 农业微量检测研究
生物芯片技术、生物传感器技术可进行高精度的微量检测。生物芯片技术是将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上,检测所用流体的量可以从毫升、微升级降至纳升或皮升级。因为生物传感技术是借助光、电、热等信号,利用酶、制剂、组织以及细胞等生物识别元件的自身反应,对生化物质进行检测,需要借助微流体图像技术进行显示。而随着生物芯片技术[40,41] 、生物传感器的发展,需要关注微流体技术作为生物芯片的关键支撑技术。
戴敬等[42] 综述了微流控系统中各种微流体测温计术,对各种测量方法进行了讨论,热色测温计术、光谱测温计术、荧光强度变化测温计术等都利用了图像显示技术,微流控芯片逐步进入深层研究,微流体图象显示技术进一步推动了微流控系统的发展。Luo等[43] 在试验中采用光电倍增管作为信号的转换元件,将样品中显示的生物荧光信号转换为电信号进行采集分析,来检测牛肉汁中金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等细菌总数。Sim等[44] 将微流控技术和双折射光波导免疫传感器相结合,使label-free活细胞检测单核细胞数增多,有效地提高检测的灵敏度,检测出牛奶样本中的单增李斯特菌。目前国内外利用微流体图象显示技术检测微量残留的研究相对较少,需要进一步深入探索。
3 存在问题
随着微流体图像显示技术在农业工程中的不断应用,在农业微元件、微流动现象等方面有了突破性的进展,但是由于软件、硬件等方面的局限,要使微流动图像显示技术广泛应用于农业工程中,还存在一些问题有待解决。
3.1 检测周期较慢影响样本的状态
利用微流体图象显示技术对农林果实及鱼鸟类体内农药等有害物质的残留进行检测时,图像提取信息较大,监测速度较慢,影响农林果实和鱼鸟的生命状态。尤其采用有色示踪剂代替农药,并通过激光照射,拍摄微流体流动显示图像,更需要快速地检测出农药在农林果实以及鱼鸟类体内的残留情况,但是,目前的技术还很难满足快速检测的要求。
3.2 微流动图像的标准难于统一
基于活体显微镜和高速相机,利用Micro-PIV技术显示植物营养整场、瞬态、定量的微流场图像和不同农药剂量下昆虫体内流动状态的图像,但由于没有统一的评价标准,无法判断植物微流体图像显示状态良好,无法判断昆虫内部流动图像显示农药影响的程度,所以需要机器人视觉来统一标准,根据所获取的微流体图像,精确分析出不同状态下的植物需喷洒多少营养液,不同种类的昆虫致死所需要的农药量,实现精确施肥和虫害防治。
3.3 采集和处理的图像像素要求高
通过微流动图像显示技术获取植物和害虫内部微流动图像时,因为在自然环境中,由于自然光照和农作物背景的不同,所采集的微流体图像信息存在一定的噪声,影响图像的清晰度,同时影响了分析结果。
4 建议与展望
针对所存在的问题,借助计算机技术以及图像处理技术的发展,现阶段微流体图象显示技术在农业生产中的应用,可以从以下几个方面加以突破:
(1)研究开发嵌入式图像设备,减轻微流体图像处理主机的负载,从而及大地提高农产品的检测速度,以实现农产品的在线、无损的快速检测。
(2)提高植物体内微流动图像清晰度方法的研究。一方面需要研究将荧光染料或荧光剂混入液体农药中注入植物茎杆内的方法,以及对应的光诱导荧光技术在植物微流体中的图像处理技术;另一方面,还需研究高效的图像处理算法,加强图像中的有用信息便于提取,减弱噪声便于图像的复原。从荧光粒子和算法两方面提高图像清晰度。
(3)开展电致除虫等植物病虫害物理防治体系的研究。利用微流体图像显示技术开展导电性可溶聚合物导入天然植物导管系统海绵叶肉组织的过程研究,这样既不影响植物的正常生长,又没有使用农药造成对环境的污染,实现高效环保的植物保护。
(4)搭建研究平台,加速开展农业中微流动图像的标准体系的建设。
微流体图象显示技术是一项绿色环保的新兴技术,目前,在农业工程领域有了突破与应用,利用其精准的特点实现农业微液滴的测量;利用其全局性的特点显现了农业机械内部流动特性的研究;利用其微小,灵活的特点,可以测量人肉眼无法观测的农业动植物细胞中的微流体现象,以及检测细菌等农业病虫的活动特性。在不久的将来,微流体图像显示技术有望广泛应用于农业工程领域,实现微量级的精确施药技术;实现电子动植物的培养;实现电致除虫的物理防治手段。农业工程是关系民生的重大工程,扩展微流体图像显示技术在农业工程中的应用,将有力支撑并推进农业工程向着更高效、更环保的方向发展。
参考文献
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[4]李战华,郑旭.微尺度流动显示及速度测量[A].见:第六届全国流动显示学术交流会会议论文[C].福州,2006.
