可控液滴生成与检测集成装置及泵车能耗预测研究

### 可控液滴生成与检测集成装置及泵车能耗预测研究 #### 可控液滴生成与检测集成装置 1. **集成装置的组成材料** - **硬件**：该集成装置主要由两部分构成，即涂抹装置和显微镜系统。涂抹装置用于实现仿生芯片的液滴阵列，可进行不同速度调节和模式选择，其主要由控制器、驱动器、步进电机和粘性拖板组成。控制器和驱动器控制涂抹速度和模式，有四种模式可选，能实现自动往返、正反指向、单次出发和单次往返功能。显微镜系统选用TD - 4KH型号，是嵌入式系统，通过HDMI实时输出连接高清显示器，能进行实时测量、拍照、录像和图像比较等功能，用于观察涂抹产生的液滴。通过调节床体，可改变芯片和盖玻片之间的角度，实现不同角度的液滴拖动；通过控制板调节涂抹速度和模式，实现盖玻片和芯片的相对运动，完成样品添加并生成良好的液滴阵列。在涂抹阶段，显微镜系统直接显示涂抹状态，通过显示器直接观察液滴状态，并根据显示器反馈进一步调节涂抹装置的速度。 - **涂抹和组装过程**：采用等离子工艺处理微流控芯片和玻璃以进行键合，防止生物测定过程中芯片因高温产生应力弯曲。使用该集成装置对芯片进行涂覆、观察和检测。涂覆过程中，通过显微镜系统观察液滴状态并及时调整涂覆速度。由于小液滴比表面积大、能量转移快，容易在空气中蒸发，所以需要用盖玻片覆盖矿物油滴（M8410，Merck KGaA，MO）以减少液滴过度蒸发。涂抹操作不应长时间进行，液滴阵列生成后应立即覆盖矿物油。 2. **集成装置的工作机制** - **速度控制机制**：在涂抹过程中，根据显微镜系统的反馈调节速度。以仿生芯片为坐标系，记录初始值，开始涂抹并计时，到达特定位置后停止计时并进行速度计算。涂抹时，床体带动芯片往复运动，通过显微镜系统连接显示器实时观察特定速度下液滴的生成情况以进行速度反馈，当液滴生成效果不佳时，使用控制系统进行微调，从而实时观察液滴形成并调整速度，提高涂覆效率。 - **液滴形成机制**：在这种表面结构下涂抹时，液体表现出低表面润湿性，留下液滴阵列。原因一是芯片有一系列倾斜壁的微孔，为液体提供表面能差异，使液滴在该环境中产生向前的动量，从而使液体在表面张力作用下取代空气进入小孔；二是在涂覆装置运行时，芯片可视为静止体，与吸引液体的粘性拖板产生相对运动，由于粘性流体在两个相对运动的平行平板间的层流，会出现库埃特流现象。液体受到压力差力$F_p$、拖板剪切力$F_{s1}$和静止体产生的剪切力$F_B$以及表面张力，最终留下液滴，其受力平衡方程为$F_{s1} + F_{s2} + F_p = σ(1 + cos θ_s)$，其中$θ_s$是接触角。但这种平衡不稳定，力的变化会打破平衡，使液滴前进，接触线进入微孔，随着液滴前进$F_p$增大，液体边界蠕动，芯片表面的润湿性状态逐渐变为可润湿的Wenzel状态。 下面是集成装置工作流程的mermaid流程图： ```mermaid graph LR A[开始] --> B[设置初始参数] B --> C[涂抹操作] C --> D[显微镜观察液滴状态] D --> E{液滴生成效果是否良好} E -- 是 --> F[继续涂抹至完成] E -- 否 --> G[使用控制系统微调速度] G --> C F --> H[覆盖矿物油] H --> I[结束] ``` 3. **实验结果与讨论** - **速度波动分析**：对集成装置和手动操作在0.5 cm/s和1 cm/s的速度进行了15次分析。集成装置的速度波动较小，15次测量的平均速度分别为0.4986 cm/s和0.9952 cm/s，平均波动分别为0.28%和0.48%，对拖尾的影响可忽略。而手动涂抹的最大波动达到2