電壓放大器在液滴微流控芯片的功能研究中的應(yīng)用

實驗名稱：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

測試目的：

液滴微流控技術(shù)能夠在微通道內(nèi)實現(xiàn)液滴生成，精準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)計和外部控制條件，可以對液滴進行多樣化的操控，以滿足不同研究和應(yīng)用場景需求。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液滴具有廣泛的應(yīng)用價值，可以視為一個獨立的微反應(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。通過微流控芯片操作平臺、控制方法設(shè)計，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，開展了相關(guān)應(yīng)用研究，如實驗分析了液晶液滴陣列在不同控制條件下的檢測能力。

測試設(shè)備：ATA-2042電壓放大器、信號發(fā)生器、芯片、驅(qū)動泵、偏光顯微鏡、相機等。

實驗過程：

首先使用液滴制備芯片制備液晶液滴，再通過流動運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)芯片開展電調(diào)控研究。

圖：試驗系統(tǒng)（a）聚焦流芯片；（b）液晶液滴陣列電調(diào)控芯片；（c）搭建完成的實驗系統(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)記位點進行結(jié)構(gòu)的對準，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)電膠帶粘合點貼上導(dǎo)電膠帶，芯片實物圖如上圖（b）所示。驅(qū)動泵上固定的注射器通過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；信號發(fā)生器的輸出端口通過導(dǎo)線連接到電壓放大器的輸入端口，信號放大器的輸出端口通過導(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上，防止實驗過程中發(fā)生移動而干擾實驗現(xiàn)象的觀察和記錄；最后將相機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向壓力驅(qū)動的，將驅(qū)動泵的模式設(shè)置為抽取進樣，流量設(shè)置為200μL/h。液滴被固定并填充整個捕獲陣列后（下圖（c）），用移液槍將加樣槽中剩余的液晶液滴吸取并移除，過程中需用SDS溶液沖洗3~5次。多余的液滴移除后降低進樣流量為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。信號發(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)信號發(fā)生器的幅值和頻率，電信號的幅值從1~觀察并記錄液滴的構(gòu)象變化情況。探究液晶液滴構(gòu)象與電信號參數(shù)之間的關(guān)系。

實驗結(jié)果：

圖：（液晶液滴狀態(tài)）當(dāng)沒有施加電場的情況下，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)電場強度為0.25V/μm時（50KHz），液晶液滴呈軸對稱，缺陷沿對稱軸發(fā)生偏移（b），偏光顯微鏡下圖像（d）

液晶液滴在電場的作用下會發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變。液晶液滴被捕獲后，降低進樣流速，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。打開信號發(fā)生器和電壓放大器，沿流動的主通道方向在通道內(nèi)形成電場。在初始電場E=0時，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位置，偏振光下液晶呈十字構(gòu)象（上圖（c））。

當(dāng)施加電場后，液晶液滴的自由能由表面錨定能、彈性自由能和電場能三部分構(gòu)成。當(dāng)電壓幅值過低時，電場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，電場作用開始發(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，因此會發(fā)生中心缺陷的偏移。上圖（b）為當(dāng)信號發(fā)生器電壓幅值為9Vp~p時，通道內(nèi)電場強度為0.25V/μm（計算：電壓幅值9×50倍電壓放大倍數(shù)，除以電極間距1800μm），此時液滴的缺陷偏移中心，并向構(gòu)象對稱軸的一端靠近，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頻率選擇大于等于1KHz。電壓幅值為5Vp~p，通電時間20s。電信號頻率分別設(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，電場的頻率會間接影響液晶液滴分子在電場中的介電常數(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稱性的變化。頻率的變化最終體現(xiàn)在電場作用下液晶液滴內(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)中受電場作用時行為的模型），液滴和介質(zhì)的交界面上存在有限的電荷密度，在外加電場的作用下，這些表面電荷與外加電場的相互作用產(chǎn)生了電動效應(yīng)，最終導(dǎo)致與液滴表面平行的流體運動。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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本文實驗案例參考自知網(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》