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微机电系统(MEMS)加工技术的发展促进了微流控技术(Microfluidics)的广泛发展。微流控芯片(Microfluidics chips)又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)或微全分析系统(μ-TAS),是指将样品制备、反应、分离、检测等各个功能部件集成在一块几平方厘米上的芯片上。微流控芯片之所以受到广泛关注,是与其本身的固有优点相关。微流控芯片将宏观实验室的各个功能微缩到了一个芯片上,大大减少了样品和试剂的消耗量,并且可以与多种样品的处理过程相耦合;芯片的使用操作不需要专业的操作人员以及实验环境,大大扩展了使用范围;分析速度快、信息量巨大以及制作成本低廉;可自动化、并行化操作,全分析系统集成等。
微流控芯片可分为连续微流体式芯片和数字式微流控芯片,而介电润湿与介电泳是数字微流控技术中两种重要的液滴操控技术。介电润湿(Electrowetting-on-dielectric,EWOD)是指在介质层下的微电极阵列上施加电势,改变介质层与表面液滴的表面能,进而改变介质层与液滴的三相接触角,造成液滴两端的非对称性变形,使液滴内部产生压强差,实现对液滴的操作与控制。介电泳(Dielectrophoresis,DEP)是指介电质微粒在非均匀电场中因极化效应而引起移动的现象。
本文基于介电润湿与介电泳技术,设计了两种微流控芯片,对不同材料的液滴成功的进行了驱动、融合等操作,并基于介电泳技术对偏心双重乳液进行了初步的调心探索,提高了双重乳液的同心度。主要内容如下:
1)设计了一套调压调频电路,可利用数字信号发生器或单片机电路模块产生控制信号,进而通过端口扩展电路将串行信号扩展为多路并行信号,控制电路模块可将直流高压转换成交频高压,作为驱动电压;
2)研究与设计了介电润湿(EWOD)数字微流控芯片,通过施加外部交频电压,改变液滴与芯片界面的表面势能,进而改变液滴与芯片的接触角,实现驱动液滴移动、融合等操作;
3)研究与设计了介电泳(DEP)微流控芯片,通过施加高频高压,产生非均匀高频强电场,使被驱动液滴极化,在非均匀电场中实现液滴的移动、融合等操作;
4)初步探索设计基于介电泳力的调心装置,符合一定条件时,偏心双重乳液的囊芯相会在高频强磁场中发生移动,提高了双重乳液的同心度。