基于微量试剂分配控制的微操作方法和实验研究

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在涉及对微米级对象的操作中,由于尺度效应和表面效应,粘着力相对重力通常占据主导地位,如何精确地拾取与可靠的释放成为微操作中的关键性问题,而且这一问题随着微对象尺寸的不断减小而日益加剧。目前,微操作中通常采用机械夹持或真空吸附方法,由于应力集中在拾取微对象时容易造成微对象表面产生严重变形和刮痕,甚至导致微对象破坏,因此需要探索新型的无损操作方法。本文提出基于微量试剂分配控制的微对象操作方法,通过不同的驱动方案,利用控制液滴体积的方式调整液体与微对象之间形成的液桥,通过液桥提供的毛细作用力对微对象进行拾取,通过液滴的喷射实现微对象的释放操作。首先,结合典型的固液界面毛细力计算模型,建立毛细管中液体与微对象间的液桥中的毛细力计算公式,在此基础上分析影响毛细力大小的因素和利用毛细力控制进行微操作的可行性;提出基于压强控制毛细管末端弯月面进行微对象拾取,基于压电驱动使微量试剂液滴脱离毛细管进行微对象释放的微操作方法,分析驱动方案的工作原理;对微操作过程进行阶段划分,分析各阶段的微操作策略。其次,根据基于压强控制毛细管末端弯月面进行微对象拾取的微操作方案,利用Fluent仿真分析压强对毛细管弯月面的影响;根据基于压电驱动使微量试剂液滴脱离毛细管进行微对象释放的微操作方案,分别分析了直流电压和矩形脉冲两类电压信号对毛细管末端微量液滴分配的作用和影响;直流电压下利用Ansys分析毛细管内壁的变形,通过变形数据仿真毛细管末端弯月面的形貌;矩形脉冲电压下利用解析式计算毛细管末端喷嘴处液体流速随时间变化的曲线,通过Fluent仿真不同电压参数下毛细管末端液滴的变化。最后,建立基于微量试剂分配控制的微对象操作实验系统,利用基于压强的微操作方案进行微对象拾取实验研究,分析压强对毛细管末端弯月面体积的影响,研究不同弯月面体积下微球的拾取;利用基于压电驱动使微量试剂液滴脱落的微操作方案,分别对压电陶瓷加载直流电压与矩形脉冲两类脉冲信号进行不同参数下的微对象释放实验研究,分析参数变化对毛细管末端液滴分配以及微对象释放的影响;实验结果表明,利用基于压强驱动的方式进行微对象拾取、同时利用单个或多个矩形脉冲下基于压电驱动进行微对象释放的方法,可以实现直径200μm聚苯乙烯微球、直径200μm锡球、直径300μm锡球及不规则状硅片的有效拾取和释放,实验结果验证了基于微量试剂分配控制的微对象操作方法的有效性。释放直径为300μm的锡球时最大重复性为8.6μm。
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