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扇形电极微液滴分离的数字微流控芯片

光学精密工程 2019年第9期27卷 1919-1925页

作者：陈立国王兆龙卞雄恒苏州大学机器人与微系统研究中心

针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低,分离后的子液滴体积误差大等问题,本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后,结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。... 详细信息

针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低,分离后的子液滴体积误差大等问题,本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后,结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比,新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置,分离过程中能保证液滴平稳收缩,从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象,对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明:使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极,并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内,变异系数低至1.83%,通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。

关键词：数字微流控芯片介电湿润扇形电极分离体积精度变异系数

引脚受限数字微流控芯片的多液滴并行测试研究

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仪器仪表学报 2020年第8期41卷 255-263页

作者：许川佩祝佳黄喜军桂林电子科技大学电子工程与自动化学院桂林541004 广西自动检测技术与仪器重点实验室桂林541004

随着数字微流控芯片系统复杂度和电极数目的增加,共用引脚的电极控制方式应运而生。但该控制方式会造成芯片物理结构繁杂,使得芯片故障测试工作变得更加困难。提出一种基于改进的化学反应优化算法(CRO)的并行测试策略,设计引脚受限芯片... 详细信息

随着数字微流控芯片系统复杂度和电极数目的增加,共用引脚的电极控制方式应运而生。但该控制方式会造成芯片物理结构繁杂,使得芯片故障测试工作变得更加困难。提出一种基于改进的化学反应优化算法(CRO)的并行测试策略,设计引脚受限芯片测试模型,针对引脚互连的特点设计约束条件与禁忌判断规则,通过遍历测试模型中顶点和边的方式检测灾难性故障。该方案构建测试路径序列的初始分子结构,在编码中添加虚拟节点,有针对性地设计分子的撞墙、分解、合成和交换反应,采用动态参数机制控制四种反应的频率,并在CRO算法中引入Metropolis准则以改善求解效率,在约束条件下规划测试路径。实验结果表明,该方案能实现对引脚受限芯片的故障测试,无论离线或在线测试,与标准CRO算法相比,测试路径优化了2%以上,而与单液滴测试相比,优化了27%以上,表明所提方法能够有效缩短测试路径,提高测试工作的效率。

关键词：数字微流控芯片引脚受限改进CRO算法多液滴并行测试

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数字微流控芯片开发与应用研究

数字微流控芯片开发与应用研究

作者：闫玉静河北工业大学

学位级别：硕士

液滴微流控又称数字微流控,该技术具有样品消耗量少、反应快、传质传热效果好、无交叉污染等优点,是微流控技术的研究热点。其应用范围涵盖分析测试、生物工程、医学分析、有机合成等尖端科技领域。微液滴生成装置作为该技术的基础,是... 详细信息

液滴微流控又称数字微流控,该技术具有样品消耗量少、反应快、传质传热效果好、无交叉污染等优点,是微流控技术的研究热点。其应用范围涵盖分析测试、生物工程、医学分析、有机合成等尖端科技领域。微液滴生成装置作为该技术的基础,是产生大量稳定、均一微液滴的关键,而市场上现有的该种装置价格昂贵,因此开展对该技术的相关研究并开发出一套经济实用的微液滴生成装置具有重要意义。首先,综述了微流控芯片及液滴形成与操纵的国内外研究现状与发展动态,在此基础上确立了以开发微流控芯片及配套装置为研究目标。阐述了微液滴的生成原理及其相关理论,包括液滴动力学的无量纲参数、润湿现象及接触角、液滴流阻的计算、Marangoni效应、液滴的界面动力学等。分析了主动法及被动法两种生成微液滴方法的异同,由于被动法用于微液滴的高通量制备,因此本文选用被动法。在上述基础上设计并加工了常规十字型、蛇型及二次分裂十字型通道结构的微流控芯片。此外,为保证实验过程中的气密性良好,对现有夹具进行了改进,通过在上盖加工用于插细管的孔并在底座加工用于观测的通槽使其与实验所用芯片相匹配。其次,开发出一套微液滴生成装置并实现了两种控制方案,分别为基于PC和基于单片机的控制方案。方案一硬件部分包括柱塞泵、电磁阀、步进电机驱动器、光耦隔离保护电路、串口、并口、电源、计算机、微流控芯片。软件部分用***编写,包括串口通讯程序及并口控制程序;方案二以STC89C52RC单片机为控制核心,在上述基础上脱离了串、并口的控制成为一套独立的便携式装置。最后,利用所设计的芯片、夹具、研发的装置以及改进的倒置显微镜搭建了实验平台并通过调节流速成功制备出不同体积的微液滴。用COMSOL软件对微液滴生成过程及两相流速、黏度等因素的影响进行了仿真,并与实验结果相对比。此外,还探讨了微液滴在单细胞包裹、蛋白质结晶、微粒合成、药物运输、生物PCR技术以及疾病检测等方面的应用。

关键词：微流控数字微流控芯片微液滴通道结构

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数字微流控芯片在线测试方法研究

数字微流控芯片在线测试方法研究

作者：于鸿杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

数字微流控芯片凭借其灵活性高,使用方式简单等特点,逐渐成为微流控技术的一个重要平台,在生物、化学和医学领域展现出良好的应用前景。但是由于制造工艺复杂,芯片在生产及使用环节中都面临较大的故障风险,极大地限制了数字微流控芯片... 详细信息

数字微流控芯片凭借其灵活性高,使用方式简单等特点,逐渐成为微流控技术的一个重要平台,在生物、化学和医学领域展现出良好的应用前景。但是由于制造工艺复杂,芯片在生产及使用环节中都面临较大的故障风险,极大地限制了数字微流控芯片的进一步应用。为保障芯片的可靠性,必须对芯片进行充分的测试,而在线测试又是芯片测试环节中的重要一环,因此本文重点对数字微流控芯片的在线测试方法进行研究。在线测试通过驱动测试液滴,令其沿着一定的测试路径对故障位置进行检测,测试与芯片上的生化分析实验同步进行。因此,在线测试方法研究的关键是对液滴测试路径的合理规划。为了对芯片进行有效的在线测试,测试路径首先要保证对故障的覆盖率;其次,测试液滴的移动不能干扰实验液滴的移动。所以说,在线测试路径规划是在一定约束条件下的路径规划问题。在充分考虑故障覆盖率和约束条件的基础上,本文首先建立了在线测试模型。针对该模型直接求解困难的情况,提出了一种基于改进A*算法的单液滴在线测试路径规划方案,实现了对在线测试方法进行优化的目标。该方案将在线测试路径规划问题归结为图论中的中国邮递员问题,利用A*算法实时启发式搜索的特点使测试路径满足流体约束条件,通过改进A*算法的估值函数实现了满足在线测试要求的路径构建规则。为了进一步缩短在线测试时间,本文继续研究了多液滴并行在线测试方法,在改进A*算法的基础上设计了多液滴在线测试策略,在保证故障覆盖率的前提下缩短在线测试时间。针对芯片上某些位置占用时间过长的问题,通过添加引导令测试液滴优先检测这些位置,对在线测试时间进行进一步的优化。仿真实验表明,改进A*算法能够有效缩短单液滴在线测试时间,提高测试效率。采用多测试液滴对芯片进行分区域并行在线测试时,在线测试时间进一步缩短。同时,芯片划分的各个区域被实验液滴占用的时间越相近,在线测试时间缩短效果越显著。在此基础上,采用对测试路径添加引导的策略,在线测试时间还可以进一步优化。但是,利用多个测试液滴会占用更多的系统资源,测试时间与资源的平衡应视实际的需求而定。

关键词：数字微流控芯片在线测试 A*算法多液滴

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数字微流控芯片检测技术研究

数字微流控芯片检测技术研究

作者：王学浩河北工业大学

学位级别：硕士

数字微流控芯片检测技术是数字微流控技术与传统检测方法相结合的产物。相较于常规检测方法,数字微流控芯片检测技术具有检测精度高、交叉污染少、节约检测成本的优点,因此这项技术具有很高的应用潜力与研究必要性。当前数字微流控芯片... 详细信息

数字微流控芯片检测技术是数字微流控技术与传统检测方法相结合的产物。相较于常规检测方法,数字微流控芯片检测技术具有检测精度高、交叉污染少、节约检测成本的优点,因此这项技术具有很高的应用潜力与研究必要性。当前数字微流控芯片检测尚处于研究与探索阶段,因此需要我们对这种检测技术进行更为深入的研究。首先,本文总结了数字微流控检测技术在国内外的发展状况。接着对基于数字微流控芯片实现物质含量测定的基本原理进行介绍。并对在数字微流控芯片检测系统应用较多的微液滴生成与操纵进行方法介绍与原理分析。本文对数字微流控芯片检测系统的构建方法进行研究。数字微流控芯片检测系统由流体驱动装置、数字微流控芯片、液滴检测装置以及废液回收器件构成。在文中主要对数字微流控芯片的设计与加工方法以及流体驱动方法进行研究,开发了利用气压驱动微流控芯片内流体的微量进液器,并完成了微量进液器的电路设计与软件编写工作。利用开发完成的微量进液器和数字微流控芯片,本文搭建了数字微流控实验系统。使用该试验系统,进行了一系列微液滴生成与操纵实验,包括T形通道与十字通道液滴的生成,微液滴的收集储存和微液滴的混合。这些实验提供的数据与结论,为数字微流控芯片检测系统的构建打下了基础。最后,本文着重微液滴的检测方法进行了研究。目前常用的微液滴检测形式有三种:液滴排成一列,对其逐一进行检测;液滴形成阵列,获取液滴图像进行检测;用储存仓保存液滴,获取液滴图像进行检测。本文主要研究了利用C#语言与EmguCV图像处理库对储存仓内不规则排列的,产生荧光反应的微液滴进行数量计算的方法。

关键词：数字微流控芯片微液滴检测技术图像处理

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数字微流控芯片驱动系统设计

数字微流控芯片驱动系统设计

作者：刚泽辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,数字微流控芯片凭借其微型化、自动化、高效率、低成本等优势广泛地应用于生物化学分析、高科技医疗、光学研究等领域。本文对数字微流控芯片的驱动原理进行了深入的研究,设计了驱动系统及配套Android软件程序。结合物理场耦合... 详细信息

近年来,数字微流控芯片凭借其微型化、自动化、高效率、低成本等优势广泛地应用于生物化学分析、高科技医疗、光学研究等领域。本文对数字微流控芯片的驱动原理进行了深入的研究,设计了驱动系统及配套Android软件程序。结合物理场耦合模型仿真分析,对数字微流控芯片的电极层、介质层及疏水层进行制备,并基于所制备的微流控芯片建立测试平台,对驱动系统进行测试与验证。首先,对基于介电润湿效应的驱动原理进行理论分析。研究了润湿现象和基于表面张力的液滴驱动原理及驱动方法。分析了Lippmann-Young定理的理论意义和该定理存在的非理想因素,研究了接触角饱和与接触角滞后效应,其次,设计了通过触摸屏进行人机交互的微液滴驱动系统。设计并实现了光电耦合电路和可重复使用的开关电极阵列等硬件电路。并从应用框架层、系统运行库层和硬件抽象层对基于Android的电极控制程序进行开发,通过对触摸屏内虚拟按键的操控实现对真实电极通断状态的控制,并且可输出稳定的连续可调的直流驱动电压以及频率可调的交流驱动电压。然后,借助Comsol多物理场仿真软件和两相流移动网格界面追踪方法,对液滴进行静态和动态仿真分析。模拟微流控系统流体流速和表面压力,并分析了该系统模型的电势分布和三相接触点附近电场等值线的分布,完成静态仿真分析。在液滴两侧施加不同电压,形成表面张力梯度差值,完成动态仿真分析。最后,制备了数字微流控芯片的电极层、介质层和疏水层,为驱动系统的测试建立实验平台。对不同厚度的介质层和不同体积液滴分别进行了直流电压和交流电压液滴驱动实验,在三次旋涂的介质层上,实现了110V电压下对1.2μL液滴的驱动。实验数据表明使用交流驱动电压和增加介质层厚度可以提高介质层击穿电压,且较小体积的液滴其介电润湿现象更明显。多次测试结果表明该驱动系统可以实现对电极通断的控制,并且可以输出幅值连续可调的直流驱动电压以及幅值和频率可调的交流驱动电压。

关键词：数字微流控芯片介电润湿效应驱动系统 Comsol仿真

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数字微流控芯片关键技术与实验研究

数字微流控芯片关键技术与实验研究

作者：渠毓鸿河北工业大学

学位级别：硕士

目前，数字微流控芯片已在生物、化学和医学领域有一定的应用，尤其是基于介电润湿的数字微流控芯片，有着结构简单、控制方便、体积小、试剂使用量小、反应快、易携带、可并行处理和易实现自动化等优势，在各领域实验中有巨大的应用前... 详细信息

目前，数字微流控芯片已在生物、化学和医学领域有一定的应用，尤其是基于介电润湿的数字微流控芯片，有着结构简单、控制方便、体积小、试剂使用量小、反应快、易携带、可并行处理和易实现自动化等优势，在各领域实验中有巨大的应用前景。本论文分别从介电润湿技术的理论基础、计算机仿真和实验对比分析等方面对基于介电润湿的数字微流控系统进行研究。主要内容有：（1）通过对改变表面张力的方法的比较，得出介电润湿法在驱动液滴中的优越性，进而介绍了介电润湿法的理论基础，对相关公式进行推导及改进，最后对液滴的四种基本操作进行了阐述与分析。（2）使用Comsol软件对数字微流控芯片进行建模仿真，讨论电压分布情况，介质层厚度对电压分布的影响，接触角随外加电压的变化情况。建立液滴移动和分裂的模型，仿真得出各自的运动过程，讨论电极样式、电极大小及上下板间距对液滴运动的影响，根据仿真结果得出液滴运动效果最好的芯片参数为：电极边长为1mm，上下板间距为0.1mm-0.3mm、介质层厚度为1μm。（3）设计芯片整体结构和电极阵列，介绍芯片各部分的制作工艺，电极层使用激光雕刻技术，介质层使用气相沉积技术，疏水层使用等离子表面处理技术，零电极选用ITO导电玻璃。开发基于89C51单片机的外围控制电路，由光电耦合开关控制各电极上直流电压的通断。（4）搭建实验平台研究芯片各参数对液滴运动的影响，完成液滴移动的实验，对比分析实验结果，得到以下结论：液滴接触角随外加电压的增加而减小，并在一定电压下达到了饱和接触角;随着介质层厚度的增加，液滴接触角的减小速度变慢;不同的电极样式对液滴移动过程的影响不大，叉齿形电极上液滴移动的效果稍好;介质层厚度越大液滴所需的最小外加电压越大。（5）由于芯片加工技术与实验条件的限制，对液滴接触角的测量还不准确，还不能完成液滴的生成、分裂及合并的实验，实验还有很多不足及需要改进的地方。

关键词：介电润湿数字微流控芯片接触角液滴运动形态

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数字微流控芯片的在线测试液滴数量优化

数字微流控芯片的在线测试液滴数量优化

作者：曾莹桂林电子科技大学

学位级别：硕士

数字微流控技术作为一门新兴的交叉技术,具有高灵活性、实验操作简易、节省化学试剂等优点,目前在并行免疫分析、药物发现与疾病诊断等多个生物医学研究领域上被广泛应用。这些研究领域要求芯片实验结果具有高可靠性,为保证芯片可靠性... 详细信息

数字微流控技术作为一门新兴的交叉技术,具有高灵活性、实验操作简易、节省化学试剂等优点,目前在并行免疫分析、药物发现与疾病诊断等多个生物医学研究领域上被广泛应用。这些研究领域要求芯片实验结果具有高可靠性,为保证芯片可靠性需要对其进行充分的测试。在线测试作为保证芯片良率的重要一环成为了数字微流控芯片的研究热点,本文在进行芯片的在线测试问题研究的基础上,重点研究芯片的在线测试液滴数量优化问题。本文在研究数字微流控芯片的故障产生机理,故障检测原理和优化目标的基础上,利用SPFA算法建立了在线测试路径模型,提出了基于改进混合蛙跳算法的单液滴在线测试方案,结合芯片的测试路径特点,设计了测试液滴的禁忌判断策略和适应度函数,并制定了测试液滴的正常遍历策略和躲避策略,达到了在不干扰实验液滴工作的情况下对单液滴在线测试方法进行优化的目的。为了进一步降低测试液滴在线测试芯片的时间,针对单液滴测试的低效率,本文在改进混合蛙跳算法的基础上结合强化学习多智能体协同工作的理念,提出了基于混合蛙跳式强化学习算法的DMFBs多液滴并行在线测试策略和在线测试液滴数量优化方案,进一步优化了在线测试时间和测试液滴数量。选取人体体液的多元检测芯片作为本文的仿真验证平台,实验结果表明,基于改进混合蛙跳算法的单液滴测试方案不仅可以满足芯片的测试要求,还可以有效地单液滴降低测试时间以及提高单液滴测试的效率。采用混合蛙跳式强化学习算法对芯片进行多液滴并行在线测试和测试液滴数量优化时,可以进一步降低在线测试时间,同时提高测试液滴测试的效率和优化测试液滴数量。

关键词：数字微流控芯片混合蛙跳算法强化学习测试液滴数量优化

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数字微流控芯片故障修复方法研究

数字微流控芯片故障修复方法研究

作者：王安琪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

数字微流控芯片同时具有样品和试剂消耗低、人为干预误差小,灵敏度高等优势,已普遍应用于司法鉴定、临床诊断等领域。然而由于微尺度加工工艺存在的缺陷和复杂的制造过程导致数字微流控芯片存在故障风险。故障导致的不稳定性和不可靠性... 详细信息

数字微流控芯片同时具有样品和试剂消耗低、人为干预误差小,灵敏度高等优势,已普遍应用于司法鉴定、临床诊断等领域。然而由于微尺度加工工艺存在的缺陷和复杂的制造过程导致数字微流控芯片存在故障风险。故障导致的不稳定性和不可靠性极大程度影响了数字微流控芯片在安全苛求领域的应用前景。为保证芯片的性能,本课题旨在对数字微流控芯片进行故障修复方法研究,通过设计故障修复方法在故障芯片上完成蛋白质检测和多元体液检测实验。对数字微流控芯片故障修复的本质是对有故障的芯片进行重新设计。本课题首先基于模块化设计思想对芯片进行故障修复,为故障修复问题建立数学模型,确定目标函数及约束条件。并提出基于遗传算法的模块化故障修复方法,通过改进遗传算法的编码和解码方案,为资源绑定、操作调度和模块布局三个问题提供统一的编码方案,一次性解决故障修复问题,实现对实验完成时间的优化。并利用蛋白质检测实验进行实验验证,与其他芯片设计方法相比,本课题提出的方法可以在保障故障修复率的条件下以更短的实验完成时间实现故障修复。为了弥补模块化设计方法的缺陷、进一步优化实验完成时间,本课题研究了基于液滴路径的故障修复方法。确定该问题为动态路径规划问题和在一定约束下的混合路径设计问题,并提出启发式路径化故障修复方法。通过在Dijkstra算法中引入代价函数,利用启发式因子提高算法的搜索效率,解决了动态障碍下的路径规划问题;通过重新定义粒子群算法的位置和速度向量,解决混合路径设计问题。将启发式路径化故障修复方法应用于多元体液检测实验,本课题提出的设计方法与贪婪算法相比具有更强的优化能力。启发式路径化故障修复方法与基于遗传算法的模块化故障修复方法相比,在故障修复率相同的情况下可以容纳更多数目的故障电极,实验完成时间更短,平均电极使用次数较低,安全性能更好。

关键词：数字微流控芯片故障修复遗传算法改进Dijkstra算法改进粒子群算法