CN111678423A - 基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统及检测方法，包括设有液滴移动通道的微流控芯片，嵌入在液滴移动通道底壁内的驱动电极和顶壁内的检测电极；检测电极信号经检测模块、信号放大滤波模块输出给微处理器；微处理器控制信号输出接口分别与液滴驱动模块、电源切换模块和可调节驱动电源的控制输入接口连接；液滴驱动模块用于向指定驱动电极输出设定的驱动电压或检测电压；电源切换模块用于为液滴驱动模块选择驱动电源或检测电源；可调节驱动电源用于为液滴驱动模块驱动液滴运动提供电源；检测电源用于为液滴驱动模块产生激励脉冲电压。本发明以采集的电压值判定当前驱动电极位置有无液滴及液滴大小、成分，液滴位置检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及液滴检测系统，尤其是涉及基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统及检测方法。
背景技术
数字微流控(DMF，英文digital microfluidics的缩写)已经成为强大的液体处理技术，广泛用于小型化的生物和化学领域，能够在不需要泵、阀门、运动部件或笨重的管组件情况下，对多种样本和试剂进行实时、精确和高度灵活的操控。
纳升至微升体积的离散液滴从贮存器被分配到涂覆有疏水绝缘体的平坦表面上，其中通过将一连串的电势施加到嵌入式电极阵列来对它们进行操控(运送、分裂、合并、混合)。例如，在基于介质电润湿效益的数字二维微流控芯片上，借助外部驱动力将连续的液体离散化，对形成的微小液滴进行操控和研究分析，其中对微尺度液滴进行实时准确检测，对后续程序化实验和反应结果有着重要的意义。微流控芯片上的不同区域可以有不同的功能，比如混合、分裂、加热、检测等。作为微流控芯片上最小操作单元的液滴，其在不同区域之间的运动路径需要考虑实时性。目前，现有技术存在的问题是：现有电润湿面板，虽然可以利用控制电路将液滴从起点电极传送到终点电极，但无法对液滴位置进行监控；个别液滴有可能出现个体差异或环境差异，例如：此液滴的尺寸过大或过小、带入异常电荷、环境中引入杂质或静电、温湿度的变化等，这极可能导致此液滴无法正常移动。由于没有位置监控系统，驱动电路无法察觉，还是按照正常的时序进行控制，这就导致不仅该液滴无法到达终点，而且会影响之后所有液滴的正常移动，造成设备的可靠性很低。
中国专利申请号：201810003124 .3公开了一种基于传感器的反馈控制系统，传感器用于检测微流控芯片的交流电信号，然后与所施加的驱动电压信号进行比较以达到反馈控制的目的，但该技术方案对液滴的特性依赖性较大，通用性差。中国专利申请号：201710105878.5公开了一种基于等效电容的容值检测的液滴定位系统，该系统将微流控芯片内待测液滴与位于所述液滴下方的疏水绝缘层视为串联在一起的电容；主控芯片发出命令至液滴驱动模块，所述液滴驱动模块驱动所述待测液滴移动；液滴定位模块采集所述液滴当前电容值并确定所述液滴的相对位置是否位于目标位置；但是，该技术方案对于数字式微流控系统驱动电极数量多的情况，需要的电容传感器数量庞大，为了提高运算速度，还需FPGA专门处理采集数据，对驱动电极较多的应用，增大了外围检测电路的复杂度，不利于小型化集成和成本降低。中国专利申请号：201710692529 .8公开了一种通过检测电阻提取流过微流控芯片的电流信号送入电压跟随器进行跟随；跟随后的信号分两路输入乘法器进行信号自乘；低通滤波器对乘法器输出的信号进行低通滤波，在低通滤波器的输出端得到直流信号；单片机对低通滤波器输出的直流信号采集，并送至个人电脑处理，以显示与液滴状态相关的信息；该技术方案优点是检测电路简单、易于集成、成本低；但缺点是不同的芯片驱动电压不同，液滴位置的检测值受到驱动电压影响，每次更换芯片需要重新标定（通过调整检测电阻值，再结合程序标定），需人工干预，自动化程度不高。
发明内容
本发明目的在于提供一种工作可靠性和自动化程度高的基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，本发明另一目的是提供该液滴检测系统的检测方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，包括设置有液滴移动通道的微流控芯片，嵌入在所述液滴移动通道底壁内的多个用于驱动液滴移动的驱动电极和嵌入在顶壁内用于检测液滴位置的检测电极；所述检测电极的检测信号经检测模块、信号放大滤波模块输出给微处理器；所述微处理器的控制信号输出接口分别与液滴驱动模块、电源切换模块和可调节驱动电源的控制信号输入接口连接；所述液滴驱动模块用于接收来自微处理器的控制指令，向指定的驱动电极输出设定的驱动电压或检测电压；所述电源切换模块用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块选择驱动电源或检测电源；所述可调节驱动电源用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块驱动液滴运动提供电源；所述检测电源用于为液滴驱动模块产生激励脉冲电压提供电源。
所述微流控芯片包括间隔设置的上、下基板，位于所述上、下基板两侧分别设置有左、右立板从而形成所述液滴移动通道；所述检测电极嵌入在上基板下表面并涂覆有上部疏液层；所述下基板上表面自上而下依次设置有下部疏液层、介电层，所述驱动电极嵌入在介电层内。
所述的检测电极为一个、二个或多个，每个所述检测电极的检测信号分别经各自的所述检测模块、信号放大滤波模块输出给所述微处理器。
所述检测模块由电阻R1、电阻R2和电容C1组成；所述电阻R1高电位端与所述检测电极连接，电阻R1低电位端与所述信号放大滤波模块输入端连接，并通过由所述电阻R2和电容C1组成的并联电路连接逻辑地。
本发明所述液滴检测系统的检测方法，检测时，液滴移动和液滴检测分时进行，即：所述驱动电源和所述检测电源按照设定的时序分时给驱动模块供电；
液滴移动：所述微处理器控制所述电源切换模块向液滴驱动模块施加来自所述驱动电源到下基板上的各个所述驱动电极，通过驱动电极实现控制位于所述液滴移动通道内的一个或多个液滴移动；
液滴检测：微处理器控制所述电源切换模块向液滴驱动模块施加来自所述检测电源到下基板的各个驱动电极，逐个依次给每个驱动电极提供检测脉冲电压，所述检测模块对上基板上的所述检测电极信号依次实时提取，通过所述信号放大滤波模块输出给微处理器，微处理器的AD采集模块或外部的AD采集模块根据检测模块处理后的电压值，判断液滴的位置及液滴大小、成分。
本发明优点在于采取驱动电源和检测电源按照设定的时序分时向液滴驱动模块供电，驱动液滴移动和采集液滴位置分时进行，因此检测电压固定，不受驱动电压影响，使得检测电极的检测信号幅值也随之确定，这样就不需要对不同的微流控芯片进行单独标定，使用更加简便。液滴检测时，液滴驱动模块对下基板的某一驱动电极施加检测脉冲电压，并实时对检测电极的信号进行AD采集，以采集的电压值判定当前驱动电极位置有无液滴及液滴大小、成分，液滴位置检测精度高。
附图说明
图1是本发明所述的液滴检测系统框图。
图2是本发明所述的微流控芯片结构示意图。
图3是本发明所述液滴检测系统（一个检测电极）的等效电路原理示意图。
图4是本发明所述液滴检测系统（三个检测电极）的等效电路原理示意图。
图5是本发明所述驱动电源和检测电源分时给驱动模块供电的时序图。
图6是本发明所述驱动电极的平面布置示意图。
图7是本发明所述液滴检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1、2、3、5、6所示，本发明所述基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，包括设置有液滴移动通道1的微流控芯片，嵌入在液滴移动通道1底壁内的多个用于驱动液滴2移动的驱动电极3和嵌入在顶壁内用于检测液滴2位置的检测电极4；检测电极4的检测信号经检测模块4.1、信号放大滤波模块输出给微处理器；微处理器的控制信号输出接口分别与液滴驱动模块、电源切换模块和可调节驱动电源的控制信号输入接口连接；液滴驱动模块用于接收来自微处理器的控制指令，向指定的驱动电极输出设定的驱动电压或检测电压；电源切换模块用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块选择驱动电源或检测电源；可调节驱动电源用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块驱动液滴运动提供电源；检测电源用于为液滴驱动模块产生激励脉冲电压提供电源。
微流控芯片包括间隔设置的上、下基板5、6，位于上、下基板5、6两侧分别设置有左、右立板7、8从而形成液滴移动通道1；检测电极4嵌入在上基板5下表面并涂覆有上部疏液层9；下基板6上表面自上而下依次设置有下部疏液层10、介电层11，驱动电极3嵌入在介电层11内，起到各驱动电极3之间的绝缘。
检测模块4.1由电阻R1、电阻R2和电容C1组成；电阻R1高电位端与检测电极连接，电阻R1低电位端与信号放大滤波模块输入端连接，并通过由电阻R2和电容C1组成的并联电路连接逻辑地。
如图4所示，为三个检测电极4的液滴检测系统电路原理示意图，每个检测电极4的检测信号分别经各自的检测模块4.1、信号放大滤波模块输出给微处理器。
如图3、7所示，本发明所述液滴检测系统的检测方法，检测时，液滴移动和液滴检测分时进行，即：驱动电源和检测电源按照设定的时序（如图5所示）分时给驱动模块提供液滴驱动电压Vq和检测电压Vj。
液滴移动：微处理器控制电源切换模块向液滴驱动模块施加来自驱动电源到下基板6上的各个驱动电极3，通过驱动电极3实现控制位于液滴移动通道1内的一个或多个液滴2移动；
液滴检测：微处理器控制电源切换模块向液滴驱动模块施加来自检测电源到下基板6的各个驱动电极3，逐个依次给每个驱动电极3提供检测脉冲电压，检测模块对上基板5上的检测电极4信号依次实时提取，通过信号放大滤波模块输出给微处理器，微处理器的AD采集模块或外部的AD采集模块根据检测模块4.1处理后的电压值，判断液滴2的位置及液滴大小、成分。
本发明液滴驱动原理简述如下：
介电润湿效应是一种利用电控制液体表面张力的方式，通过控制外加电势改变液滴与固体表面的湿润性，引起液滴内部压力差，进而驱动微液滴运动。
本发明的液滴检测原理如下：
电容和容抗计算公式：电容C计算公式为：C=ε×ε0×S/d；
式中：电容C，单位F；
ε相对介电常数；
ε0真空介电常数=8.86×10-12，单位F/m；
面积S，单位平方米；
极板间距d，单位米。
电容容抗Xc计算公式为：Xc = 1/(ω×C)= 1/(2πf×C)，单位，欧姆。
如图3，本发明所述基于介电润湿数字微流控的液滴检测原理如下：
微流控芯片的驱动电极3和检测电极4等效为平板电容器的两极；微流控芯片制作完成后，驱动电极3和检测电极4面积固定，所述的等效平板电容器的电极面积S即确定；左、右立板7、8高度的固定，等效的平板电容器极间距d即确定。
等效的平板电容器电极面积和电极间距确定后，等效电容值只与等效的平板电容器的两极间介质的介电常数有关，液滴2的介电常数和其周围空气或其他物质的介电常数不同，推导出液滴位置和其他位置的电容值不同，根据容抗公式得知液滴2位置和其他位置容抗不同，液滴2的成分确定，介电常数也即确定，周围空气或其他介质成分确定介电常数也是确定值；因此即可计算出液滴2所在位置的驱动电极3的容抗值和其他驱动电极的容抗值。
检测液滴位置时，逐个依次给微流控芯片的驱动电极3提供电压值固定的检测脉冲电压，检测脉冲电压经过微流控芯片驱动电极3、检测电极4和电阻R1、电阻R2到逻辑地，微处理器实时采集检测模块4.1的电压值，从而判定出液滴2的位置和成分。
本发明提升液滴检测系统健壮性实例：
液滴检测时，微处理器控制电源切换模块向液滴驱动模块施加来自检测电源到下基板6的各个驱动电极3，逐个依次给每个驱动电极3提供检测脉冲电压，检测模块对上基板5上的检测电极4信号依次实时提取，通过信号放大滤波模块输出给微处理器，微处理器的AD采集模块或外部的AD 采集模块对检测电极4的检测电压信号自开始到结束时间段内，等时间间隔采集检测电极4的检测电压值，并对等时间间隔采集数据进行积分求和，利用积分求和后的数据判断液滴2的位置及液滴大小、成分。
Claims (5)
1.一种基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，其特征在于：包括设置有液滴移动通道的微流控芯片，嵌入在所述液滴移动通道底壁内的多个用于驱动液滴移动的驱动电极和嵌入在顶壁内用于检测液滴位置的检测电极；所述检测电极的检测信号经检测模块、信号放大滤波模块输出给微处理器；所述微处理器的控制信号输出接口分别与液滴驱动模块、电源切换模块和可调节驱动电源的控制信号输入接口连接；所述液滴驱动模块用于接收来自微处理器的控制指令，向指定的驱动电极输出设定的驱动电压或检测电压；所述电源切换模块用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块选择驱动电源或检测电源；所述可调节驱动电源用于接收来自微处理器的控制指令，为液滴驱动模块驱动液滴运动提供电源；所述检测电源用于为液滴驱动模块产生激励脉冲电压提供电源。
2.根据权利要求1所示基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，其特征在于：所述微流控芯片包括间隔设置的上、下基板，位于所述上、下基板两侧分别设置有左、右立板从而形成所述液滴移动通道；所述检测电极嵌入在上基板下表面并涂覆有上部疏液层；所述下基板上表面自上而下依次设置有下部疏液层、介电层，所述驱动电极嵌入在介电层内。
3.根据权利要求1或2所述基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，其特征在于：所述的检测电极为一个、二个或多个，每个所述检测电极的检测信号分别经各自的所述检测模块、信号放大滤波模块输出给所述微处理器。
4.根据权利要求1或2所述基于介电润湿数字微流控的液滴检测系统，其特征在于：所述检测模块由电阻R1、电阻R2和电容C1组成；所述电阻R1高电位端与所述检测电极连接，电阻R1低电位端与所述信号放大滤波模块输入端连接，并通过由所述电阻R2和电容C1组成的并联电路连接逻辑地。
5.一种如权利要求1所述液滴检测系统的检测方法，其特征在于：检测时，液滴移动和液滴检测分时进行，即：所述驱动电源和所述检测电源按照设定的时序分时给驱动模块供电；
液滴移动：所述微处理器控制所述电源切换模块向液滴驱动模块施加来自所述驱动电源到下基板上的各个所述驱动电极，通过驱动电极实现控制位于所述液滴移动通道内的一个或多个液滴移动；
液滴检测：微处理器控制所述电源切换模块向液滴驱动模块施加来自所述检测电源到下基板的各个驱动电极，逐个依次给每个驱动电极提供检测脉冲电压，所述检测模块对上基板上的所述检测电极信号依次实时提取，通过所述信号放大滤波模块输出给微处理器，微处理器的AD采集模块或外部的AD采集模块根据检测模块处理后的电压值，判断液滴的位置及液滴大小、成分。
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