基于介電潤濕液滴精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)研究

路亞旭 張恒偉 鄒前進(jìn) 張廣軍

（中國人民解放軍63891部隊(duì) 河南省洛陽市 471000）

數(shù)字微流控技術(shù)是一種操控微升和納升級別液滴的技術(shù)，能夠?qū)﹄娂夑嚵猩系囊旱芜M(jìn)行單獨(dú)控制，可以使內(nèi)部樣品的分析操作更加精確，分析速度也成倍增強(qiáng)[1]。對該技術(shù)而言，其中常見的驅(qū)動(dòng)方法有介電潤濕(EWOD)[2]、介電電泳[3]、聲表面波[4]、靜電力法[5]等。而在諸多的微流體驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)中，由于EWOD 芯片的制備和結(jié)構(gòu)相對簡單，具有小型化、集成化、易于操控等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)、光學(xué)器件[6]等領(lǐng)域。

在相同的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)順序下，操作參數(shù)（驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)順序）以及隨機(jī)參數(shù)（疏水涂層、表面粗糙度）的不同，都會(huì)影響對液滴的操控。目前，很多研究者對EWOD 芯片的電級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、介電材料、驅(qū)動(dòng)機(jī)理等進(jìn)行研究，但很少將液滴的驅(qū)動(dòng)、位置檢測及控制反饋系統(tǒng)集成在一起進(jìn)行研究。

為了解決液滴在EWOD 芯片輸運(yùn)、合成、分配等過程中穩(wěn)定性和可重復(fù)性的問題，本研究將驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測裝置、控制反饋系統(tǒng)融為一體，驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)控制裝置下達(dá)的指令輸出驅(qū)動(dòng)波形以驅(qū)動(dòng)液滴，檢測裝置實(shí)時(shí)將液滴等效電容值傳送給控制裝置，通過控制裝置的分析處理獲取液滴位置信息后以調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置輸出的波形，實(shí)現(xiàn)了對液滴的精準(zhǔn)操控，保證了液滴的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，對進(jìn)一步深入研究基于介電潤濕數(shù)字微流控的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 液滴操控及檢測原理

1.1 液滴操控基本原理

介電潤濕效應(yīng)指的是通過在疏水絕緣層下面的驅(qū)動(dòng)電極單元上外加電壓來控制放置在其上面液滴的潤濕性。當(dāng)液滴位于兩個(gè)未被施加電壓的驅(qū)動(dòng)電極上時(shí)，液滴在驅(qū)動(dòng)電極上處于疏水平衡的狀況，如圖1(a)所示；僅當(dāng)右側(cè)驅(qū)動(dòng)電極加電時(shí)，液滴左邊的接觸角未發(fā)生改變，而液滴右邊的接觸角減小，使得液滴向右鋪展，如圖1(b)所示?；谏鲜鲈?，給驅(qū)動(dòng)電極施加一定幅值和頻率的脈沖電壓，就可以使液滴沿著所施加電壓的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對EWOD 芯片上液滴的操控。

1.2 位置檢測原理

電容測量是數(shù)字微流控系統(tǒng)中檢測液滴相關(guān)參數(shù)常用的方法，本研究利用電容式傳感器對液滴參數(shù)敏感這一特性，獲取液滴的位置信息。在實(shí)際應(yīng)用中，EWOD芯片系統(tǒng)等效電容等同于液滴接觸面覆蓋的下極板疏水絕緣層等效電容值，而驅(qū)動(dòng)電極上液滴的等效電容值與液滴的接觸面積公式為：

其中，ε0表示真空介電常數(shù)，εAF表示疏水層介電常數(shù)，d表示下極板疏水絕緣層厚度，S表示液滴在該驅(qū)動(dòng)電極下極板上的有效接觸面積，Ceq表示液滴的等效電容值。從圖2 中可知，液滴與驅(qū)動(dòng)電極下極板的接觸面積可近似于長方形，而兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間的間距相對于驅(qū)動(dòng)電極和液滴來說非常小（通常只有20um），可以忽略不計(jì)。因此，液滴在驅(qū)動(dòng)電極1 上的等效電容值和驅(qū)動(dòng)電極2 上的等效電容值可分別轉(zhuǎn)化為：

圖2： 液滴在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上的俯視圖

其中，L表示單個(gè)驅(qū)動(dòng)電極外延邊長，l1表示液滴在驅(qū)動(dòng)電極1 上的中心長度，l2表示液滴在驅(qū)動(dòng)電極2上的中心長度，從而可依據(jù)等效電容值的變化確定液滴在驅(qū)動(dòng)電極上的具體位置。

2 驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)化微流控系統(tǒng)的可靠性取決于它的自監(jiān)視能力，為了避免液滴在輸運(yùn)過程中因異常狀態(tài)導(dǎo)致液滴的輸運(yùn)失敗，本研究設(shè)計(jì)了液滴驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)，通過獲取等效電容值來實(shí)現(xiàn)對液滴的精準(zhǔn)操控。

2.1 系統(tǒng)組成

驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)包括控制裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和檢測裝置，如圖3 所示。以STM32F407 芯片為基礎(chǔ)作為控制裝置，通過IIC 通信方式控制驅(qū)動(dòng)裝置輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形來實(shí)現(xiàn)在EWOD 芯片系統(tǒng)上液滴的驅(qū)動(dòng)；通過SPI 通信方式控制電容檢測裝置對EWOD 芯片系統(tǒng)上液滴進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳送給控制裝置，控制裝置對電容數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)等效電容值與目標(biāo)電容值的關(guān)系對驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送相應(yīng)的命令，同時(shí)可通過串口將處理后的數(shù)據(jù)傳送至電腦上顯示，便于操作人員采取相應(yīng)的措施。

圖3： 系統(tǒng)總體框架圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置對EWOD芯片上第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電級加電后，檢測裝置開始采集EWOD 芯片上所有驅(qū)動(dòng)電極的等效電容值，然后通過SPI 通信方式將數(shù)據(jù)傳送到控制裝置，控制裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取EWOD 芯片上液滴當(dāng)前位置，并判斷液滴是否到達(dá)當(dāng)前指令下對應(yīng)位置。如未到達(dá)對應(yīng)位置，則控制裝置對驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送對應(yīng)指令驅(qū)動(dòng)液滴繼續(xù)向?qū)?yīng)位置移動(dòng)，直至液滴到達(dá)對應(yīng)位置；反之，該驅(qū)動(dòng)電極驅(qū)動(dòng)結(jié)束，并判斷液滴是否到達(dá)目標(biāo)位置，如果未到達(dá)目標(biāo)位置，則下一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極開始加電驅(qū)動(dòng)，直至液滴到達(dá)目標(biāo)位置結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)。本研究設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)程序運(yùn)行流程圖如圖4 所示。此外在驅(qū)動(dòng)液滴時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置突然斷電，檢測裝置將獲取的數(shù)據(jù)傳送給控制裝置，控制裝置解析液滴當(dāng)前的位置并進(jìn)存儲(chǔ)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置再次加電后，驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)控制裝置反饋的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)整其輸出的波形，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)液滴向目標(biāo)位置移動(dòng)。

圖4： 驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與討論

基于EWOD 芯片的驅(qū)動(dòng)電極形狀為正方形，驅(qū)動(dòng)電極單元尺寸2mm×2mm，驅(qū)動(dòng)電極單元之間的間距為20μm，上下極板間距為180μm，本實(shí)驗(yàn)使用的液滴體積為1μl，驅(qū)動(dòng)電壓為80V。

3.1 液滴輸運(yùn)的位置檢測

如圖5 所示，液滴從EWOD 芯片的驅(qū)動(dòng)電級1 依次向驅(qū)動(dòng)電級4 輸運(yùn)過程中，檢測裝置獲取所有驅(qū)動(dòng)電級上的等效電容值，通過等效電容值的變化來確定液滴的位置。當(dāng)液滴完全覆蓋驅(qū)動(dòng)電極1 上時(shí)，其等效電容值最大為87.6pF，如圖5(a)所示；通過對驅(qū)動(dòng)電極2 加電，根據(jù)介電潤濕效應(yīng)，液滴會(huì)沿著加電的方向移動(dòng)，直至液滴完全覆蓋驅(qū)動(dòng)電極2，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電極2 上的等效電容值最大，如圖5(b)所示；同理，驅(qū)動(dòng)電極3 和驅(qū)動(dòng)電極4 上液滴完全覆蓋的等效電容如圖5(c)、(d)所示。本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以通過等效電容值的變化確定液滴的位置,實(shí)現(xiàn)了對液滴位置的實(shí)時(shí)檢測。

圖5： 液滴位置檢測

3.2 液滴輸運(yùn)異常的檢測反饋控制

本節(jié)對液滴在輸運(yùn)過程中驅(qū)動(dòng)裝置突然斷電的異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，如圖6 所示。

液滴從驅(qū)動(dòng)電極1 輸運(yùn)至驅(qū)動(dòng)電極5 的過程中，驅(qū)動(dòng)電極3 加電時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置突然斷電，根據(jù)檢測裝置檢測到等效電容值顯示液滴在驅(qū)動(dòng)電極2 和驅(qū)動(dòng)電極3 之間，如圖6(c)所示。再次對驅(qū)動(dòng)裝置加電，控制裝置會(huì)根據(jù)檢測裝置傳送的等效電容值進(jìn)行分析處理，及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)波形，將繼續(xù)給驅(qū)動(dòng)電極3 加電使得液滴繼續(xù)向前移動(dòng)，直至液滴全覆蓋驅(qū)動(dòng)電極3 如圖6(d)所示；同理可得，液滴從驅(qū)動(dòng)電極3 移動(dòng)至驅(qū)動(dòng)電極5，如圖6(e)、(f)所示。本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)可在液滴輸運(yùn)異常情況下可實(shí)現(xiàn)對液滴的精準(zhǔn)操控。

圖6： 輸運(yùn)異常狀態(tài)下對液滴的驅(qū)動(dòng)檢測反饋

4 結(jié)論

本研究提出一種基于介電潤濕液滴驅(qū)動(dòng)檢測反饋系統(tǒng)，根據(jù)檢測裝置將獲取的數(shù)據(jù)傳送給控制裝置，經(jīng)過控制裝置對數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)時(shí)獲取液滴的位置，并實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)波形，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)EWOD芯片閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對輸運(yùn)過程中液滴進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)波形，保證了液滴輸運(yùn)的連續(xù)性，為智能化、微型化、集成化及自動(dòng)化的芯片實(shí)驗(yàn)室奠定了基礎(chǔ)。