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基于微流体脉冲驱动—控制的双通路微量分配系统及实验研究

作　者: 郑悦
导　师: 侯丽雅; 朱丽
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微流体脉冲-驱动控制技术微量分配双通路微阵列
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

在生命科学、电子封装、快速制造等领域均要求对不同性质的液体进行精确、并行的分配操作,样品用量已减小至纳升乃至皮升水平。开展分配体积小、操作速度快及适用性广的并行微量分配技术及系统研究具有重要意义。非接触式分配技术定量准确,重现性好,是目前分配技术发展的主要方向。然而,目前较为成熟的热泡式驱动和容积式压电驱动等非接触式分配技术分别存在着影响生物样品活性和喷头不易拆卸、清洗与维修等不足；微流体脉冲驱动-控制技术对以液体为流体的微流体驱动-控制分辨率高,且具有装置结构简单、适用性广等优点。本文基于微流体脉冲驱动-控制技术研制了双通路微分配系统,并进行了微分配基础及应用实验研究,取得成果如下：研制了双通路微分配系统,系统由液滴发生装置、精密工作台、喷头装夹及调节装置和控制系统等几部分组成。其中,液滴发生装置是实现试剂微量分配的核心装置,具有实现微喷嘴内液体的压力调节、液体驱动-控制和微喷嘴的装夹等功能。运动控制、波形、点阵、图形等参数信息通过控制系统的上位机界面及串口通信发送至下位机,下位机采用FPGA内置的Nios Ⅱ软核作为处理器,可发生两路任意驱动波形,通过协调驱动精密工作台步进电机,能够实现双通路的并行、图形化、高精度的微分配。以甘油水溶液为介质进行了微分配基础实验研究,探索系统参量(包括：驱动电压,驱动频率,微喷嘴内径,分配液体粘度,分配距离)对分配量和分配稳定性的影响,分配液体粘度可达38mPa·s,分配体积小至皮升级,在驱动电压为20V-80V的条件下分配体积相对标准偏差均小于1.74%,分配稳定性好。上述实验结果可为微分配应用实验研究提供实验方法和系统参量的选择依据。进行了微透镜阵列制作应用实验研究,将UV光学胶水按需分配到镀有疏水化薄膜的玻璃基板上,再经过紫外光固化形成微透镜阵列,制备了15×15微透镜阵列,直径相对标准偏差为0.64%,焦距均匀性误差为1.7%,所成的实像清晰。使用该系统制备聚合物微透镜制作过程简、成本低,分配精确,材料适用性较好。进行了制备具有pH梯度的甘油-磷酸盐缓冲液微阵列的应用实验研究,按照不同比例分配Na2HPO4溶液和KH2PO4溶液,在陶瓷基板上制备了具有pH梯度的甘油-磷酸盐缓冲液微阵列。所制备微阵列样点均一性较好(直径相对标准偏差(n=9)为O.8%),样点反应充分、颜色均匀且梯度变化明显。证明了该系统可对两种液体进行并行精确分配；通过调整不同试剂之间的配比,可制备具有不同浓度／配比的溶液；满足自动化、精确、并行的微分配需求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-12
1 绪论  12-20
  1.1 课题背景及研究意义  12
  1.2 微分配技术研究进展  12-16
  1.3 微分配技术研究难点  16-18
  1.4 选题的意义和研究内容  18-20
    1.4.1 论文选题意义及来源  18
    1.4.2 论文结构与研究内容  18-20
2 基于微流体脉冲-驱动控制技术的双通路微分配系统设计  20-29
  2.1 系统需求分析与整体设计方案  20-21
    2.1.1 系统需求及设计思路  20
    2.1.2 系统整体设计方案  20-21
  2.2 精密工作台的设计  21-22
  2.3 液滴发生装置的设计  22-27
    2.3.1 压力调节装置  22
    2.3.2 连接部件设计  22
    2.3.3 压电作动器的选择  22-23
    2.3.4 玻璃微喷嘴的制备和测量  23-27
  2.4 本章小结  27-29
3 双通路微分配系统控制系统设计  29-51
  3.1 双通路微分配系统控制系统设计需求分析与设计方案  29-30
  3.2 上位机控制系统的设计  30-35
    3.2.1 上位机控制软件功能描述  30-32
    3.2.2 PC机控制应用程序设计  32-35
  3.3 下位机控制系统硬件电路设计  35-39
    3.3.1 总体硬件系统分析和方案设计选定  35
    3.3.2 下位机控制系统硬件电路设计  35-39
  3.4 基于Nios Ⅱ的SOPC系统的构建  39-45
    3.4.1 SOPC系统的设计  39-40
    3.4.2 Nios Ⅱ微控制器软核的定制  40-42
    3.4.3 系统核外逻辑的设计与构建  42-45
  3.5 下位机软件设计模块  45-50
    3.5.1 下位机软件需求分析与开发环境  45-46
    3.5.2 嵌入式程序总体结构  46
    3.5.3 初始化函数的设计  46
    3.5.4 数据接收函数与命令接收函数的设计  46-48
    3.5.5 波形存储函数的设计  48
    3.5.6 波形数据写入RAM函数的设计  48
    3.5.7 点阵分配函数的设计  48-49
    3.5.8 图形分配函数的设计  49-50
  3.6 本章小结  50-51
4 基于微流体脉冲-驱动控制技术的微分配基础实验研究  51-62
  4.1 微分配介质的选择  51-52
  4.2 微液滴体积测量  52
  4.3 基板的疏水化处理  52-53
  4.4 系统参量对分配稳定性的影响  53-55
    4.4.1 系统参量对卫星液滴现象的影响  53-54
    4.4.2 系统参量对喷嘴内产生气泡现象的影响  54-55
    4.4.3 系统参量对分配不均匀现象的影响  55
    4.4.4 系统参量对渗液现象的影响  55
  4.5 系统参量对液体数字化微分配量的影响  55-61
    4.5.1 液体粘度对分配量的影响  56
    4.5.2 微喷嘴出口内径对分配量的影响  56-57
    4.5.3 微喷嘴出口内径对液体最大分配粘度的影响  57
    4.5.4 驱动频率对分配量的影响  57-58
    4.5.5 驱动电压对分配体积的影响  58-59
    4.5.6 液体数字化化微分配均一性实验  59-60
    4.5.7 任意图形分配实验  60-61
  4.6 本章小结  61-62
5 基于微流体脉冲-驱动控制技术的微分配应用实验研究  62-70
  5.1 微透镜阵列制备实验研究  62-67
    5.1.1 微透镜阵列简介  62
    5.1.2 微透镜阵列材料选择  62-63
    5.1.3 微透镜阵列的制备实验  63-64
    5.1.4 微透镜阵列性能检测  64-66
    5.1.5 微透镜光学参数的计算  66
    5.1.6 微透镜阵列的成列像质量测试  66-67
  5.2 具有pH梯度的甘油-磷酸盐缓冲液微阵列制备实验  67-69
  5.3 本章小结  69-70
6 总结与展望  70-72
  6.1 工作总结  70-71
  6.2 研究展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录  78

基于微流体脉冲驱动—控制的双通路微量分配系统及实验研究

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