實驗名稱：電壓放大器在液滴微流控芯片的功能研究中的應用

　　研究方向：微流控生物芯片

　　測試目的：

　　液(ye)滴微流控技(ji)術能夠(gou)在微通道內實現液(ye)滴生(sheng)(sheng)成(cheng)，精準控制生(sheng)(sheng)成(cheng)液(ye)滴的尺寸以(yi)及生(sheng)(sheng)成(cheng)頻(pin)率。結合(he)芯片(pian)結構設計和(he)外(wai)部控制條(tiao)件，可以(yi)對液(ye)滴進(jin)行多樣化的操(cao)(cao)控，以(yi)滿(man)足不(bu)同研(yan)究和(he)應用場景(jing)需求。在生(sheng)(sheng)物醫學領域，液(ye)滴具有(you)(you)廣泛的應用價值，可以(yi)視為一個獨(du)立的微反(fan)應器，具有(you)(you)微納尺度體(ti)積(ji)，容易高通量(liang)操(cao)(cao)作(zuo)，非常適用于(yu)大樣本下的生(sheng)(sheng)化檢測和(he)分(fen)析。

　　本(ben)文(wen)使用液滴微(wei)流控(kong)(kong)技術(shu)作(zuo)(zuo)為操控(kong)(kong)反應(ying)液體組(zu)分(fen)，構建功能(neng)微(wei)結構的(de)一(yi)種方法(fa)。通過微(wei)流控(kong)(kong)芯片(pian)操作(zuo)(zuo)平臺、控(kong)(kong)制方法(fa)設計(ji)，分(fen)別(bie)研究了可用作(zuo)(zuo)藥物載(zai)體的(de)聚乙(yi)烯醇微(wei)球和用于生(sheng)物傳(chuan)感分(fen)析的(de)4-氰基-4'-戊基聯苯（4-Cyano-4'-n-pentylbiphenyl，5CB）液晶液滴傳感陣列的制備。針對不同材料特性和應用需求，探索、優化了液滴（陣列）操作方法。在此基礎上，開展了相關應用研究，如實驗分析了液晶液滴陣列在不同控制條件下的檢測能力。

　　測試設備：ATA-2042電壓放大器、信號發生器、芯片、驅動泵、偏光顯微鏡、相機等。

　　實驗過程：

　　首先使用液(ye)滴制備芯片制備液(ye)晶液(ye)滴，再(zai)通過流動運送的方式將液(ye)滴輸(shu)送并捕獲固定到液(ye)晶液(ye)滴捕獲芯片的陣(zhen)列結(jie)構中(zhong)，然后基于此液(ye)晶液(ye)滴陣(zhen)列結(jie)構芯片開(kai)展(zhan)電調控研究。

　　圖：試驗系(xi)統（a）聚焦流芯片；（b）液晶液滴陣列電調控芯片；（c）搭建完成的實驗系統（d）通道中的陣列結構

　　液(ye)晶液(ye)滴制備(bei)芯片由PDMS結構層與潔凈玻片的鍵合后完成，如上圖（a）所示。對于陣列固定芯片，PDMS芯片結構和ITO電極加工完成后，需要將兩部分鍵合成完整的芯片。將兩者等離子清洗處理3min，根據標記位點進行結構的對準，PDMS的陣列固定結構區域需完全位于基底ITO玻璃上的兩電極之間（如上圖（d））。由于ITO電極的玻璃基底上存在ITO層，對鍵合的牢固程度造成了一定的影響，在鍵合完成后將芯片置于熱板上加熱并使用重物重壓1~2h，以增加鍵合的牢固程度。鍵合之后的芯片在導管孔插入導管并用PDMS混合膠體封合，在電極的導電膠帶粘合點貼上導電膠帶，芯片實物圖如上圖（b）所示。驅動泵上固定的注射器通過針頭連接到芯片的導管上，芯片置于顯微鏡的觀察視野下；信號發生器的輸出端口通過導線連接到電壓放大器的輸入端口，信號放大器的輸出端口通過導線夾子夾到貼在芯片電極上的導電膠帶上，使用膠帶將導線夾子和芯片固定在載物臺上，防止實驗過程中發生移動而干擾實驗現象的觀察和記錄；最后將相機接到顯微鏡上的外接接口。搭建完成后的系統如上圖（c）所示。

　　液(ye)晶(jing)液(ye)滴(di)制(zhi)備芯片的(de)親水改性(xing)處(chu)理，生成的(de)液(ye)滴(di)結(jie)果如下圖（a）和下圖（b）所示。液晶液滴的固定是負向壓力驅動的，將驅動泵的模式設置為抽取進樣，流量設置為200μL/h。液滴被固定并填充整個捕獲陣列后（下圖（c）），用移液槍將加樣槽中剩余的液晶液滴吸取并移除，過程中需用SDS溶液沖洗3~5次。多余的液滴移除后降低進樣流量為3μL/h，輸入PBS緩沖液，持續低流量抽取10min，穩定捕獲腔室中的液晶液滴的構象狀態（下圖（d））。

　　圖(tu)：液(ye)晶液(ye)滴制備(bei)

　　陣列中液晶液滴構象穩(wen)定后，給(gei)芯片電(dian)(dian)極施加電(dian)(dian)信(xin)號。信(xin)號發生(sheng)器的輸出波形(xing)為(wei)正弦波，電(dian)(dian)壓放(fang)大器的放(fang)大倍數設置為(wei)50倍，調節信號發生器的幅值和頻率，電信號的幅值從1~觀察并記錄液滴的構象變化情況。探究液晶液滴構象與電信號參數之間的關系。

　　實驗結果：

　　圖(tu)：（液(ye)(ye)晶液(ye)(ye)滴(di)狀態）當沒有施(shi)加電場的情(qing)況下(xia)，液(ye)(ye)晶液(ye)(ye)滴(di)呈中(zhong)心徑向對稱（a），偏光顯微鏡下的構象是十字結構（c）；當電場強度為0.25V/μm時（50KHz），液晶液滴呈軸對稱，缺陷沿對稱軸發生偏移（b），偏光顯微鏡下圖像（d）

　　液(ye)晶液(ye)滴在(zai)電場的作用下(xia)會發(fa)生構象(xiang)(xiang)轉變。液(ye)晶液(ye)滴被捕獲后，降低進樣(yang)流(liu)(liu)速，液(ye)晶液(ye)滴受(shou)流(liu)(liu)速的影響減弱，在(zai)錨定能的作用下(xia)恢復到中(zhong)心(xin)缺陷的十字構象(xiang)(xiang)。打開(kai)信號發(fa)生器(qi)和電壓(ya)放大器(qi)，沿流(liu)(liu)動的主(zhu)通(tong)道(dao)方向在(zai)通(tong)道(dao)內形成電場。在(zai)初始電場E=0時，表面活性劑SDS在液晶液滴表面吸附并形成一定的錨定能，此時液晶分子在液滴內呈放射狀排列（示意圖如上圖（a）所示），缺陷位于幾何中心點位置，偏振光下液晶呈十字構象（上圖（c））。

　　當施加電(dian)場后，液晶(jing)液滴(di)的(de)自由能(neng)(neng)由表面錨(mao)定(ding)能(neng)(neng)、彈(dan)性自由能(neng)(neng)和電(dian)場能(neng)(neng)三部分構成。當電(dian)壓(ya)(ya)幅(fu)值過低時，電(dian)場能(neng)(neng)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)不足以影響由表面錨(mao)定(ding)能(neng)(neng)和彈(dan)性自由能(neng)(neng)占主導的(de)液晶(jing)液滴(di)的(de)自由能(neng)(neng)，液滴(di)會維持之前的(de)未加電(dian)的(de)狀態，即構象(xiang)基本不發生變(bian)化(hua)。隨(sui)著電(dian)壓(ya)(ya)幅(fu)值的(de)增(zeng)大，電(dian)場作(zuo)(zuo)用(yong)開始發揮作(zuo)(zuo)用(yong)，影響液晶(jing)液滴(di)的(de)自由能(neng)(neng)，但(dan)仍要克服(fu)表面錨(mao)定(ding)能(neng)(neng)和彈(dan)性自由能(neng)(neng)的(de)作(zuo)(zuo)用(yong)，因此會發生中心缺陷的(de)偏移。上圖（b）為當信號發生器電壓幅值為9Vp~p時，通道內電場強度為0.25V/μm（計算：電壓幅值9×50倍電壓放大倍數，除以電極間距1800μm），此時液滴的缺陷偏移中心，并向構象對稱軸的一端靠近，成逃逸徑向配置，液晶液滴的偏光顯微圖片如上圖（d）所示。

　　ITO電極與(yu)通道內的(de)(de)溶液接觸，在低(di)頻(pin)的(de)(de)條件(jian)下(xia)容易(yi)發(fa)生電解(jie)，本文的(de)(de)研究中使用的(de)(de)電信號頻(pin)率(lv)選擇大于等于1KHz。電壓幅(fu)值為5Vp~p，通電時(shi)間20s。電信號頻(pin)率(lv)分別設置為1KHz、10KHz、50KHz、100KHz、500KHz、1MHz，不同的(de)(de)頻(pin)率(lv)下(xia)，液晶液滴(di)的(de)(de)響應(ying)不同，液晶液滴(di)的(de)(de)取(qu)向偏(pian)移(yi)隨著(zhu)頻(pin)率(lv)的(de)(de)增(zeng)大而(er)增(zeng)加(jia)（下(xia)圖（a~f）），偏(pian)移(yi)距離與(yu)電壓幅(fu)值的(de)(de)對應(ying)關系如下(xia)圖（g）所示。

　　圖：（a~f）不同頻率下，液晶液滴的變化情況。圖中標尺為50μm。（g）缺陷偏離圓心的距離與液滴半徑比值的百分占比隨電壓頻率的變化

　　根(gen)據德拜方(fang)(fang)程，電(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)(de)頻率(lv)會間接影響(xiang)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)晶(jing)(jing)(jing)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)分子在(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)中的(de)(de)介(jie)(jie)電(dian)(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)分量，介(jie)(jie)電(dian)(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)主(zhu)要(yao)反(fan)映(ying)了(le)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)晶(jing)(jing)(jing)內部指向(xiang)(xiang)矢的(de)(de)取向(xiang)(xiang)順(shun)序變(bian)化(hua)以(yi)及對(dui)稱性的(de)(de)變(bian)化(hua)。頻率(lv)的(de)(de)變(bian)化(hua)最終體(ti)現在(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)作(zuo)(zuo)用下液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)晶(jing)(jing)(jing)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)內部缺陷的(de)(de)偏移。另(ling)外(wai)，根(gen)據漏(lou)電(dian)(dian)(dian)介(jie)(jie)質模型(xing)(xing)（描述液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)在(zai)不(bu)相(xiang)溶(rong)介(jie)(jie)質中受(shou)電(dian)(dian)(dian)場(chang)作(zuo)(zuo)用時行(xing)為的(de)(de)模型(xing)(xing)），液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)和(he)(he)介(jie)(jie)質的(de)(de)交界面上(shang)存在(zai)有限的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷(he)密度(du)，在(zai)外(wai)加電(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用下，這(zhe)些表(biao)面電(dian)(dian)(dian)荷(he)與外(wai)加電(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)(de)相(xiang)互作(zuo)(zuo)用產生(sheng)了(le)電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)效應(ying)，最終導(dao)致與液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)表(biao)面平行(xing)的(de)(de)流(liu)體(ti)運動(dong)(dong)(dong)。液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)和(he)(he)不(bu)相(xiang)溶(rong)溶(rong)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)這(zhe)兩種介(jie)(jie)質的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)導(dao)率(lv)、粘度(du)和(he)(he)介(jie)(jie)電(dian)(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)是不(bu)同的(de)(de)，造成(cheng)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)上(shang)下的(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)或(huo)是向(xiang)(xiang)外(wai)或(huo)向(xiang)(xiang)內，存在(zai)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)上(shang)的(de)(de)差異。頻率(lv)的(de)(de)大小影響(xiang)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)晶(jing)(jing)(jing)分子發(fa)生(sheng)偏轉的(de)(de)角(jiao)度(du)，從而(er)引(yin)起(qi)了(le)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)晶(jing)(jing)(jing)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)滴(di)的(de)(de)偏轉。

　　安泰ATA-2042高壓放大器：

　　圖(tu)：ATA-2042高壓放大器指標參數

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　　本文實驗案(an)例參考(kao)自知網論(lun)文《基于液滴微(wei)流控芯片的功能微(wei)結構(gou)制(zhi)備和應用研(yan)究》