自动化生物化学论文提纲

论文题目：微流控液滴定量系统的研究

摘要：相比较于传统的实验操作,微流控技术极大简化了实验条件,具有试剂消耗少、实验时间短、灵敏度高等优势。基于液滴的微流控技术以液滴作为微反应器,能够实现对微液滴的数字化操控,更具灵活性,且可高通量并行分析,因此被广泛应用于各种生物化学实验中。液滴的大小和数量不仅代表了微反应器的试剂消耗,也会对流道内的流阻和流场产生复杂影响。因此,如果能实时检测液滴的数量与体积数据并加以控制,将会更好地控制实验条件。本论文旨在对液滴定量技术进行系统性研究,并设计一套微流控液滴定量系统,一方面可对微流控实验中样本微液滴的数量和体积进行实时检测,另一方面,利用闭环反馈控制原理对所需液滴体积进行控制。系统的设计包含了硬件设计、软件设计、气液设计、微流控电极芯片设计等,其中软硬件设计采用模块化理念,由主控、驱动进样、液路阀组、液滴传感四个模块来实现。驱动进样模块用于试剂输送,由PID算法调节气压;液路阀组模块充当液路开关,由protocol长指令设定工作流程,由RTOS保证工作的实时性;液滴传感模块用于液滴检测,可单独工作也可作为反馈环路。电极芯片采用FPC共面电极作为检测电极,成本低且检测结构多样。为探索电极检测原理,对共面电极进行了电容模型分析与COMSOL电场仿真。为了探索电极结构对检测效果的影响,设计了多种结构的共面电极:两侧式电极、手指电极、鱼叉形电极等。此外,对电极芯片的加工进行了调研和摸索,总结出了解决PI薄膜与PDMS键合不牢固问题的两种方案:PDMS涂敷法和PDMSLinker表面修饰法。在液滴数量定量方面,系统能够正常区分液滴生成与液滴融合事件并计数,计数准确率与液滴周期T相关,在较高通量时（T=180 ms）准确率＞95%,液滴速率较慢时（T=380 ms）准确率接近100%。在体积定量方面,总结了两种基于电容数据检测液滴体积的方法:峰值检测法和周期检测法,并与图像法计算的结果进行比较,发现峰值法液滴体积检测与图像法差异＜15%,周期法液滴体积检测与图像法差异＜10%,其中周期检测法不依赖液滴形状参数,对于不规则液滴体积的计算具有独特优势。此外,不同结构的共面电极检测效果差异明显:两侧式电极键合难度大,手指电极比较灵敏,但容易造成信号叠加,鱼叉形电极能够满足一般实验需求。在液滴体积控制方面,通过统计分析液滴体积与两相气压的关系,发现气压值与液滴体积成线性关系,可实现液滴体积的闭环反馈控制。本系统基于电容耦合检测,操作简捷,能够满足微流控技术小型化、自动化的需求。在基于液滴的微流控实验中,本系统可以对样本液滴进行自动化检测与控制,极大简化实验操作。

关键词：微流控;液滴计数;液滴体积;共面电极

学科专业：生物医学工程

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 微流控芯片加工

1.2.1 微流控芯片材质

1.2.2 基于PDMS的芯片加工工艺

1.3 微流控样本定量技术的研究现状

1.3.1 光学检测法

1.3.2 机械检测法

1.3.3 热力学检测法

1.3.4 电学检测法

1.4 微流控样本定量检测的电极设计

1.4.1 共面电极

1.4.2 非共面电极

1.5 论文研究内容和意义

第二章 微液滴定量系统的搭建

2.1 系统设计原理

2.1.1 技术路线

2.1.2 总体实现方案

2.2 硬件设计

2.2.1 主控模块设计

2.2.2 驱动进样模块设计

2.2.2.1 电磁阀组控制电路设计

2.2.2.2 气压传感器控制电路设计

2.2.3 液路阀组模块设计

2.2.3.1 液路阀组选型

2.2.3.2 液路阀组控制电路设计

2.2.4 液滴传感模块设计

2.2.4.1 传感器选型

2.2.4.2 液滴传感电路设计

2.2.4.3 防干扰设计

2.3 嵌入式软件设计

2.3.1 主机嵌入式软件

2.3.2 驱动进样分机嵌入式软件

2.3.2.1 PID控制

2.3.2.2 嵌入式软件设计

2.3.3 液路阀组分机嵌入式软件

2.3.3.1 Protocol控制

2.3.3.2 嵌入式软件设计

2.3.4 液滴传感分机嵌入式软件

2.4 气液设计

2.4.1 试剂准备

2.4.2 气液传输

2.5 本章小结

第三章 电极芯片设计与加工

3.1 共面电极的研究

3.1.1 共面电极电容模型

3.1.2 共面电极参数验证

3.2 共面电极结构的设计

3.2.1 共面电极结构设计与加工

3.2.2 共面电极电场仿真

3.3 微流控芯片设计与加工

3.3.1 微流控芯片流道设计

3.3.2 基于软光刻的微流控芯片加工

3.4 电极芯片设计与制作

3.4.1 PDMS涂敷法

3.4.2 PDMS-Linker表面修饰法

3.5 本章小结

第四章 微流控液滴定量系统测试与评估

4.1 系统检测精度

4.2 液滴事件识别与计数

4.2.1 电容信号检测

4.2.2 简单液滴事件识别与计数

4.2.3 事件识别率

4.3 不同电极结构检测效果

4.3.1 两侧式差分电极

4.3.2 手指电极

4.3.3 鱼叉形差分电极

4.4 液滴体积检测

4.4.1 图像检测法

4.4.2 峰值检测法

4.4.3 周期检测法

4.5 液滴体积控制

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献