电压放大器驱动液滴微流控芯片关键功能实现研究

实验名称：电压放大器在液滴微流控芯片的功能研究中的应用

研究方向：微流控生物芯片

测试目的：

液滴微流控技术能够在微通道内实现液滴生成，精准控制生成液滴的尺寸以及生成频率。结合芯片结构设计和外部控制条件，可以对液滴进行多样化的操控，以满足不同研究和应用场景需求。在生物医学领域，液滴具有广泛的应用价值，可以视为一个独立的微反应器，具有微纳尺度体积，容易高通量操作，非常适用于大样本下的生化检测和分析。

本文使用液滴微流控技术作为操控反应液体组分，构建功能微结构的一种方法。通过微流控芯片操作平台、控制方法设计，分别研究了可用作药物载体的聚乙烯醇微球和用于生物传感分析的4-氰基-4'-戊基联苯（4-Cyano-4'-n-pentylbiphenyl，5CB）液晶液滴传感阵列的制备。针对不同材料特性和应用需求，探索、优化了液滴（阵列）操作方法。在此基础上，开展了相关应用研究，如实验分析了液晶液滴阵列在不同控制条件下的检测能力。

测试设备：ATA-2042电压放大器、信号发生器、芯片、驱动泵、偏光显微镜、相机等。

实验过程：

首先使用液滴制备芯片制备液晶液滴，再通过流动运送的方式将液滴输送并捕获固定到液晶液滴捕获芯片的阵列结构中，然后基于此液晶液滴阵列结构芯片开展电调控研究。

图：试验系统（a）聚焦流芯片；（b）液晶液滴阵列电调控芯片；（c）搭建完成的实验系统（d）通道中的阵列结构

液晶液滴制备芯片由PDMS结构层与洁净玻片的键合后完成，如上图（a）所示。对于阵列固定芯片，PDMS芯片结构和ITO电极加工完成后，需要将两部分键合成完整的芯片。将两者等离子清洗处理3min，根据标记位点进行结构的对准，PDMS的阵列固定结构区域需完全位于基底ITO玻璃上的两电极之间（如上图（d））。由于ITO电极的玻璃基底上存在ITO层，对键合的牢固程度造成了一定的影响，在键合完成后将芯片置于热板上加热并使用重物重压1~2h，以增加键合的牢固程度。键合之后的芯片在导管孔插入导管并用PDMS混合胶体封合，在电极的导电胶带粘合点贴上导电胶带，芯片实物图如上图（b）所示。驱动泵上固定的注射器通过针头连接到芯片的导管上，芯片置于显微镜的观察视野下；信号发生器的输出端口通过导线连接到电压放大器的输入端口，信号放大器的输出端口通过导线夹子夹到贴在芯片电极上的导电胶带上，使用胶带将导线夹子和芯片固定在载物台上，防止实验过程中发生移动而干扰实验现象的观察和记录；最后将相机接到显微镜上的外接接口。搭建完成后的系统如上图（c）所示。

液晶液滴制备芯片的亲水改性处理，生成的液滴结果如下图（a）和下图（b）所示。液晶液滴的固定是负向压力驱动的，将驱动泵的模式设置为抽取进样，流量设置为200μL/h。液滴被固定并填充整个捕获阵列后（下图（c）），用移液枪将加样槽中剩余的液晶液滴吸取并移除，过程中需用SDS溶液冲洗3~5次。多余的液滴移除后降低进样流量为3μL/h，输入PBS缓冲液，持续低流量抽取10min，稳定捕获腔室中的液晶液滴的构象状态（下图（d））。

图：液晶液滴制备

阵列中液晶液滴构象稳定后，给芯片电极施加电信号。信号发生器的输出波形为正弦波，电压放大器的放大倍数设置为50倍，调节信号发生器的幅值和频率，电信号的幅值从1~观察并记录液滴的构象变化情况。探究液晶液滴构象与电信号参数之间的关系。

实验结果：

图：（液晶液滴状态）当没有施加电场的情况下，液晶液滴呈中心径向对称（a），偏光显微镜下的构象是十字结构（c）；当电场强度为0.25V/μm时（50KHz），液晶液滴呈轴对称，缺陷沿对称轴发生偏移（b），偏光显微镜下图像（d）

液晶液滴在电场的作用下会发生构象转变。液晶液滴被捕获后，降低进样流速，液晶液滴受流速的影响减弱，在锚定能的作用下恢复到中心缺陷的十字构象。打开信号发生器和电压放大器，沿流动的主通道方向在通道内形成电场。在初始电场E=0时，表面活性剂SDS在液晶液滴表面吸附并形成一定的锚定能，此时液晶分子在液滴内呈放射状排列（示意图如上图（a）所示），缺陷位于几何中心点位置，偏振光下液晶呈十字构象（上图（c））。

当施加电场后，液晶液滴的自由能由表面锚定能、弹性自由能和电场能三部分构成。当电压幅值过低时，电场能的作用不足以影响由表面锚定能和弹性自由能占主导的液晶液滴的自由能，液滴会维持之前的未加电的状态，即构象基本不发生变化。随着电压幅值的增大，电场作用开始发挥作用，影响液晶液滴的自由能，但仍要克服表面锚定能和弹性自由能的作用，因此会发生中心缺陷的偏移。上图（b）为当信号发生器电压幅值为9Vp~p时，通道内电场强度为0.25V/μm（计算：电压幅值9×50倍电压放大倍数，除以电极间距1800μm），此时液滴的缺陷偏移中心，并向构象对称轴的一端靠近，成逃逸径向配置，液晶液滴的偏光显微图片如上图（d）所示。

ITO电极与通道内的溶液接触，在低频的条件下容易发生电解，本文的研究中使用的电信号频率选择大于等于1KHz。电压幅值为5Vp~p，通电时间20s。电信号频率分别设置为1KHz、10KHz、50KHz、100KHz、500KHz、1MHz，不同的频率下，液晶液滴的响应不同，液晶液滴的取向偏移随着频率的增大而增加（下图（a~f）），偏移距离与电压幅值的对应关系如下图（g）所示。

图：（a~f）不同频率下，液晶液滴的变化情况。图中标尺为50μm。（g）缺陷偏离圆心的距离与液滴半径比值的百分占比随电压频率的变化

根据德拜方程，电场的频率会间接影响液晶液滴分子在电场中的介电常数分量，介电常数的变化主要反映了液晶内部指向矢的取向顺序变化以及对称性的变化。频率的变化最终体现在电场作用下液晶液滴内部缺陷的偏移。另外，根据漏电介质模型（描述液滴在不相溶介质中受电场作用时行为的模型），液滴和介质的交界面上存在有限的电荷密度，在外加电场的作用下，这些表面电荷与外加电场的相互作用产生了电动效应，最终导致与液滴表面平行的流体运动。液滴和不相溶溶液这两种介质的电导率、粘度和介电常数是不同的，造成液滴上下的流动方向或是向外或向内，存在方向上的差异。频率的大小影响液晶分子发生偏转的角度，从而引起了液晶液滴的偏转。

安泰ATA-2042高压放大器：

图：ATA-2042高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇