微流控液滴定量系统的研究

微流控液滴定量系统的研究

【摘要】： 相比较于传统的实验操作,微流控技术极大简化了实验条件,具有试剂消耗少、实验时间短、灵敏度高等优势。基于液滴的微流控技术以液滴作为微反应器,能够实现对微液滴的数字化操控,更具灵活性,且可高通量并行分析,因此被广泛应用于各种生物化学实验中。液滴的大小和数量不仅代表了微反应器的试剂消耗,也会对流道内的流阻和流场产生复杂影响。因此,如果能实时检测液滴的数量与体积数据并加以控制,将会更好地控制实验条件。本论文旨在对液滴定量技术进行系统性研究,并设计一套微流控液滴定量系统,一方面可对微流控实验中样本微液滴的数量和体积进行实时检测,另一方面,利用闭环反馈控制原理对所需液滴体积进行控制。系统的设计包含了硬件设计、软件设计、气液设计、微流控电极芯片设计等,其中软硬件设计采用模块化理念,由主控、驱动进样、液路阀组、液滴传感四个模块来实现。驱动进样模块用于试剂输送,由PID算法调节气压;液路阀组模块充当液路开关,由protocol长指令设定工作流程,由RTOS保证工作的实时性;液滴传感模块用于液滴检测,可单独工作也可作为反馈环路。电极芯片采用FPC共面电极作为检测电极,成本低且检测结构多样。为探索电极检测原理,对共面电极进行了电容模型分析与COMSOL电场仿真。为了探索电极结构对检测效果的影响,设计了多种结构的共面电极:两侧式电极、手指电极、鱼叉形电极等。此外,对电极芯片的加工进行了调研和摸索,总结出了解决PI薄膜与PDMS键合不牢固问题的两种方案:PDMS涂敷法和PDMSLinker表面修饰法。在液滴数量定量方面,系统能够正常区分液滴生成与液滴融合事件并计数,计数准确率与液滴周期T相关,在较高通量时(T=180 ms)准确率>95%,液滴速率较慢时(T=380 ms)准确率接近100%。在体积定量方面,总结了两种基于电容数据检测液滴体积的方法:峰值检测法和周期检测法,并与图像法计算的结果进行比较,发现峰值法液滴体积检测与图像法差异<15%,周期法液滴体积检测与图像法差异<10%,其中周期检测法不依赖液滴形状参数,对于不规则液滴体积的计算具有独特优势。此外,不同结构的共面电极检测效果差异明显:两侧式电极键合难度大,手指电极比较灵敏,但容易造成信号叠加,鱼叉形电极能够满足一般实验需求。在液滴体积控制方面,通过统计分析液滴体积与两相气压的关系,发现气压值与液滴体积成线性关系,可实现液滴体积的闭环反馈控制。本系统基于电容耦合检测,操作简捷,能够满足微流控技术小型化、自动化的需求。在基于液滴的微流控实验中,本系统可以对样本液滴进行自动化检测与控制,极大简化实验操作。

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

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