電壓放大器在液滴微流控芯片的功能研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：電壓放大器在液滴微流控芯片的功能研究中的應(yīng)用

研究方向：微流控生物芯片

測(cè)試目的：

液滴微流控技術(shù)能夠在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)液滴生成，精準(zhǔn)控制生成液滴的尺寸以及生成頻率。結(jié)合芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外部控制條件，可以對(duì)液滴進(jìn)行多樣化的操控，以滿足不同研究和應(yīng)用場(chǎng)景需求。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液滴具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可以視為一個(gè)獨(dú)立的微反應(yīng)器，具有微納尺度體積，容易高通量操作，非常適用于大樣本下的生化檢測(cè)和分析。

本文使用液滴微流控技術(shù)作為操控反應(yīng)液體組分，構(gòu)建功能微結(jié)構(gòu)的一種方法。通過(guò)微流控芯片操作平臺(tái)、控制方法設(shè)計(jì)，分別研究了可用作藥物載體的聚乙烯醇微球和用于生物傳感分析的4-氰基-4'-戊基聯(lián)苯（4-Cyano-4'-n-pentylbiphenyl，5CB）液晶液滴傳感陣列的制備。針對(duì)不同材料特性和應(yīng)用需求，探索、優(yōu)化了液滴（陣列）操作方法。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用研究，如實(shí)驗(yàn)分析了液晶液滴陣列在不同控制條件下的檢測(cè)能力。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2042電壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、芯片、驅(qū)動(dòng)泵、偏光顯微鏡、相機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

首先使用液滴制備芯片制備液晶液滴，再通過(guò)流動(dòng)運(yùn)送的方式將液滴輸送并捕獲固定到液晶液滴捕獲芯片的陣列結(jié)構(gòu)中，然后基于此液晶液滴陣列結(jié)構(gòu)芯片開(kāi)展電調(diào)控研究。

圖：試驗(yàn)系統(tǒng)（a）聚焦流芯片；（b）液晶液滴陣列電調(diào)控芯片；（c）搭建完成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（d）通道中的陣列結(jié)構(gòu)

液晶液滴制備芯片由PDMS結(jié)構(gòu)層與潔凈玻片的鍵合后完成，如上圖（a）所示。對(duì)于陣列固定芯片，PDMS芯片結(jié)構(gòu)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(jù)標(biāo)記位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)，PDMS的陣列固定結(jié)構(gòu)區(qū)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(duì)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(dǎo)管孔插入導(dǎo)管并用PDMS混合膠體封合，在電極的導(dǎo)電膠帶粘合點(diǎn)貼上導(dǎo)電膠帶，芯片實(shí)物圖如上圖（b）所示。驅(qū)動(dòng)泵上固定的注射器通過(guò)針頭連接到芯片的導(dǎo)管上，芯片置于顯微鏡的觀察視野下；信號(hào)發(fā)生器的輸出端口通過(guò)導(dǎo)線連接到電壓放大器的輸入端口，信號(hào)放大器的輸出端口通過(guò)導(dǎo)線夾子夾到貼在芯片電極上的導(dǎo)電膠帶上，使用膠帶將導(dǎo)線夾子和芯片固定在載物臺(tái)上，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)而干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和記錄；最后將相機(jī)接到顯微鏡上的外接接口。搭建完成后的系統(tǒng)如上圖（c）所示。

液晶液滴制備芯片的親水改性處理，生成的液滴結(jié)果如下圖（a）和下圖（b）所示。液晶液滴的固定是負(fù)向壓力驅(qū)動(dòng)的，將驅(qū)動(dòng)泵的模式設(shè)置為抽取進(jìn)樣，流量設(shè)置為200μL/h。液滴被固定并填充整個(gè)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(guò)程中需用SDS溶液沖洗3~5次。多余的液滴移除后降低進(jìn)樣流量為3μL/h，輸入PBS緩沖液，持續(xù)低流量抽取10min，穩(wěn)定捕獲腔室中的液晶液滴的構(gòu)象狀態(tài)（下圖（d））。

圖：液晶液滴制備

陣列中液晶液滴構(gòu)象穩(wěn)定后，給芯片電極施加電信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器的輸出波形為正弦波，電壓放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為50倍，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的幅值和頻率，電信號(hào)的幅值從1~觀察并記錄液滴的構(gòu)象變化情況。探究液晶液滴構(gòu)象與電信號(hào)參數(shù)之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：（液晶液滴狀態(tài)）當(dāng)沒(méi)有施加電場(chǎng)的情況下，液晶液滴呈中心徑向?qū)ΨQ（a），偏光顯微鏡下的構(gòu)象是十字結(jié)構(gòu)（c）；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.25V/μm時(shí)（50KHz），液晶液滴呈軸對(duì)稱，缺陷沿對(duì)稱軸發(fā)生偏移（b），偏光顯微鏡下圖像（d）

液晶液滴在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變。液晶液滴被捕獲后，降低進(jìn)樣流速，液晶液滴受流速的影響減弱，在錨定能的作用下恢復(fù)到中心缺陷的十字構(gòu)象。打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器和電壓放大器，沿流動(dòng)的主通道方向在通道內(nèi)形成電場(chǎng)。在初始電場(chǎng)E=0時(shí)，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(shí)液晶分子在液滴內(nèi)呈放射狀排列（示意圖如上圖（a）所示），缺陷位于幾何中心點(diǎn)位置，偏振光下液晶呈十字構(gòu)象（上圖（c））。

當(dāng)施加電場(chǎng)后，液晶液滴的自由能由表面錨定能、彈性自由能和電場(chǎng)能三部分構(gòu)成。當(dāng)電壓幅值過(guò)低時(shí)，電場(chǎng)能的作用不足以影響由表面錨定能和彈性自由能占主導(dǎo)的液晶液滴的自由能，液滴會(huì)維持之前的未加電的狀態(tài)，即構(gòu)象基本不發(fā)生變化。隨著電壓幅值的增大，電場(chǎng)作用開(kāi)始發(fā)揮作用，影響液晶液滴的自由能，但仍要克服表面錨定能和彈性自由能的作用，因此會(huì)發(fā)生中心缺陷的偏移。上圖（b）為當(dāng)信號(hào)發(fā)生器電壓幅值為9Vp~p時(shí)，通道內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.25V/μm（計(jì)算：電壓幅值9×50倍電壓放大倍數(shù)，除以電極間距1800μm），此時(shí)液滴的缺陷偏移中心，并向構(gòu)象對(duì)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電極與通道內(nèi)的溶液接觸，在低頻的條件下容易發(fā)生電解，本文的研究中使用的電信號(hào)頻率選擇大于等于1KHz。電壓幅值為5Vp~p，通電時(shí)間20s。電信號(hào)頻率分別設(shè)置為1KHz、10KHz、50KHz、100KHz、500KHz、1MHz，不同的頻率下，液晶液滴的響應(yīng)不同，液晶液滴的取向偏移隨著頻率的增大而增加（下圖（a~f）），偏移距離與電壓幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖（g）所示。

圖：（a~f）不同頻率下，液晶液滴的變化情況。圖中標(biāo)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

根據(jù)德拜方程，電場(chǎng)的頻率會(huì)間接影響液晶液滴分子在電場(chǎng)中的介電常數(shù)分量，介電常數(shù)的變化主要反映了液晶內(nèi)部指向矢的取向順序變化以及對(duì)稱性的變化。頻率的變化最終體現(xiàn)在電場(chǎng)作用下液晶液滴內(nèi)部缺陷的偏移。另外，根據(jù)漏電介質(zhì)模型（描述液滴在不相溶介質(zhì)中受電場(chǎng)作用時(shí)行為的模型），液滴和介質(zhì)的交界面上存在有限的電荷密度，在外加電場(chǎng)的作用下，這些表面電荷與外加電場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生了電動(dòng)效應(yīng)，最終導(dǎo)致與液滴表面平行的流體運(yùn)動(dòng)。液滴和不相溶溶液這兩種介質(zhì)的電導(dǎo)率、粘度和介電常數(shù)是不同的，造成液滴上下的流動(dòng)方向或是向外或向內(nèi)，存在方向上的差異。頻率的大小影響液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度，從而引起了液晶液滴的偏轉(zhuǎn)。

安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《基于液滴微流控芯片的功能微結(jié)構(gòu)制備和應(yīng)用研究》