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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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。
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