高壓放大器在介電泳分選的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：基于高壓放大器的介電泳分選

研究方向：滴液分選

測(cè)試原理：

在非均勻電場(chǎng)中，介電體表面感生出的正負(fù)電荷處于不同場(chǎng)強(qiáng)的位置上在它受到的合力大于一定值時(shí)就會(huì)被拉向強(qiáng)電場(chǎng)方向。

測(cè)試設(shè)備：ATA-7030高壓放大器、高壓氮?dú)馄俊⒑銐何⒘鞅谩C機(jī)、FEP管、流阻、基于介電泳的微流控芯片、水純化系統(tǒng)、15mL康林管

圖1：介電泳的液滴分選系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過程：

基于介電泳的液滴分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖圖1所示，黃色流道1、2、3是油相流道，藍(lán)色流道4、5、6是水相流道。FEP管道和流阻依然使用流動(dòng)聚焦法產(chǎn)生液滴，液滴產(chǎn)生后會(huì)流向流阻較小的流道出口2。當(dāng)在正極上施加高壓方波脈沖時(shí)，液滴在介電泳力的作用下會(huì)被拉到流阻較大的流道出口1。

利用介電泳力進(jìn)行分選，芯片出口處不加任何流阻，僅利用芯片上的流道長(zhǎng)度差來(lái)形成流阻的差異。先需要生成只向出口2流動(dòng)的液滴，然后固定油相和水相的氣壓值這樣就使液滴的直徑一致，再施加方波電壓。先保持電壓幅值不變，改變頻率，看是否可以把液滴拉到流道1。之后每改變一個(gè)電壓值，就調(diào)節(jié)多種頻率，看介電泳力是否起作用。

由于芯片上生成的液滴均一性比較好，因此液滴在同樣的介電泳力作用下應(yīng)該被全部分選過來(lái)。首先考察液滴的分選率(拉到流道1的液滴數(shù)與總液滴數(shù)的比值)。當(dāng)油相氣壓為150mbar水相氣壓為45mbar時(shí)，不加電壓時(shí)液滴的直徑約為63.7um，液滴生成速率約2.333個(gè)每秒。在分別施加500V、800V、1000V、1500V等電壓幅值時(shí)分選率隨電壓頻率的變化如下圖圖2所示，可以看出在頻率特別低的時(shí)候均無(wú)法拉動(dòng)液滴。

圖2：對(duì)于不同的電壓值，液滴分選率隨頻率的變化。

除500V和2500V電壓外，其他幾個(gè)電壓下，液滴分選率均隨著頻率增加而增加，都逐漸達(dá)到100%的分選率。而500V電壓在頻率增加后分選率早下降趨勢(shì)，說明這個(gè)電壓不合適，不能產(chǎn)生足夠的介電泳力。施加2500V的電壓在頻率為80H時(shí)液滴就已經(jīng)全部碎裂。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在電壓過高或者頻率過大時(shí)，液滴會(huì)碎裂成細(xì)小的子液滴。說明想要正常分選需要選擇合適的電壓幅值和頻率，這兩個(gè)值并不是越高越好。對(duì)于上述直徑為63.7um的液滴，在施加的電壓幅值為800V，頻率為1000Hz時(shí)被分選的液滴受力運(yùn)動(dòng)的過程如下圖圖3所示，目標(biāo)液滴由紅色圓圈標(biāo)注。圖中兩個(gè)黑色的三角形表示兩個(gè)金電極的位置。Y型分又結(jié)構(gòu)中，上部流道的流阻小，接廢液池下部流道流阻較大，接收集池。B圖表示目標(biāo)液滴在介電泳力作用下開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖3：電壓幅值800V、頻率1000Hz時(shí)直徑63m的液滴的運(yùn)動(dòng)過程。時(shí)間間隔為02s。

在氣壓為0~450mbar內(nèi)，調(diào)節(jié)不同的氣壓值，選取三種不同的液滴直徑：63.7um60um和53.33m，其中53.33m的液滴對(duì)應(yīng)的氣壓為油相450mbar，水相35mbar按照上述方法分別錄制視頻，考察當(dāng)液滴第一次達(dá)到全分選時(shí)電壓和頻率的大致關(guān)系所得結(jié)果如下圖圖4所示，可見施加的電壓幅值越高，頻率就需要越低才能實(shí)現(xiàn)全分選同一個(gè)電壓下，液滴越大則實(shí)現(xiàn)全分選需要的頻率越高。

圖4：不同的液滴直徑，全分選時(shí)施加的電壓幅值與頻率的關(guān)系

高壓放大器ATA-7030在本實(shí)驗(yàn)中的作用：提供一個(gè)可控電壓源，加到微流控芯片上，分析不同電壓下芯片對(duì)滴液的分選率。

安泰ATA-7030高壓放大器：

圖：ATA-7030高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯黃昊宇