CN103381376B - 一种无人值守型数字式微流控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控系统，尤其涉及一种无人值守型数字式微流控系统。本发明包括主控部分、液流载体、多通道信号传输部分、信号发生装置、图像摄取部分、人机交互部分，不同组成部分在实现形式上可以合并、拼装，多通道信号传输部分、图像摄取装置、人机交互部分分别与主控部分电气连接；信号发生装置、液流载体分别与多通道信号传输部分电气连接；图像摄取部分位于液流载体上方，可对液流载体上的液滴进行图像摄取，同时进行现象记录与数据传输；主控部分或人机接口部分内置网络接口。本发明可根据预先设定的参数，在不同位置对多个微小液滴进行定位、移动、合并、拆分等操作，并在实验过程中实时分析与决策，实现无人值守式实验。

Description

一种无人值守型数字式微流控系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种液体流动控制系统，尤其涉及一种无人值守型数字式微流控系统。

背景技术

微流控系统，又称芯片实验室，是一种以在微小尺度空间对流体进行操控为主要特征的一种前沿科学技术。微流控系统具有将生物、化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米甚至几平方微米的芯片上的能力，在当今的化学、医学、生物学、环境学、国防科学等领域将发挥无法替代的重要作用。

当前微流控系统主要以模拟控制为主，表现为在封闭的微通道或微管路内，通过微泵和微阀改变液流的流速、压力等参数，从而实现液体的定向移动。这种微流控技术当前得到了广泛应用，其实质是一种在微小的空间里对模拟量的控制，整个液流空间实现密闭并不容易，尤其在驱动液体流动时，微泵加压时极易引起液体泄漏，并具有控制精度低、试剂消耗量大、研制成本高、重复利用性差等很多缺点。

在科技高速发展的过程中，微流控领域也出现一些新的技术，主要采用高压电力驱动下的电泳、电渗原理，相比之前的技术方案，对微通道内液流的控制精度有了显著的提高，但高电压对很多试剂、样本都有不同程度的破坏作用，即使纯净的蒸馏水，也会产生分解作用产生气体，影响实验的进行。除此之外，过大的功耗、液体发热、适用试剂类型较少等也是这项技术没有被广泛推广应用的重要原因。

发明内容

本发明以数字控制（又称逻辑控制）为主要特征，舍弃了以往微流控系统中大量使用的微通道、微泵和微阀，在液滴运动载体表层贴覆极小的电极阵列，每个电极可通过引线由数字电信号控制为高电平或低电平，利用液体的电湿润原理，实现对单个或多个液滴的定向驱动控制。

相比第一代技术，本发明具有如下显著优点：

1. 试剂消耗量大幅减少；

2. 液滴移动的精度可以达到微米级；

3. 对由微电极阵列构成的液流通道，可通过“最优路径算法”实时组合，便于灵活设计实验方案；

4. 芯片可重复利用于不同类别、规模的实验，；

5. 易于实现实验智能化、无人值守化。

本发明的无人值守型数字式微流控系统包括主控部分、液流载体、多通道信号传输部分、信号发生装置、图像摄取装置、人机交互部分，不同组成部分在实现形式上可以合并、拼装，多通道信号传输部分、图像摄取装置、人机交互部分分别与主控部分电气连接；信号发生装置、液流载体分别与多通道信号传输部分电气连接；图像摄取装置位于液流载体上方。

本发明中的主控部分包括微处理器、微控制器中的一种或多种，或经由计算机间接使用微处理器进行控制。

本发明控制的对象为单个个体横截面积不大于1平方厘米的微小液滴，尤其适合微米、纳米尺寸级别液滴的控制。

本发明中的液流载体包含微流控芯片、表层或中间层覆铜的电路板、CMOS工艺的液流载体中的一种或多种。

本发明中的多通道信号传输部分实现主控部分、液流载体和信号发生装置三者之间的信息交换与信号传输，所控制的内容包括：

1. 主控部分发给液流载体的控制信号；

2. 信号发生装置发给液流载体的特定波形信号；

3. 液流载体反馈给主控部分的状态信息；

本发明中的人机交互部分的信息显示功能可由触摸屏、液晶屏、投影仪、LED显示屏、数码管、指示灯中的一种或多种来实现；人机交互部分的数据输入功能可用触摸屏、绘图仪、键盘、按键中的一种或多种来实现；人机交互部分的控制功能由微处理器、微控制器中的一种或多种来实现，或经由计算机间接使用微处理器实现。

本发明中的信号发生装置可产生幅值、频率可调的方波、正弦波、三角波或梯形波，在主控部分的控制下，经由多通道信号传输部分，把预先设定好的多路波形信号分别传输到液流载体的若干个电极上，用以对液滴进行驱动控制。

本发明中的液流载体上贴覆若干个电极阵列，每个电极通过引线与多通道信号传输部分电气连接，主控部分在其内置软件的控制下，通过多通道信号传输部分控制每一个电极上的的电平，实现对液流载体上的液滴的定位、移动、合并、拆分等操作。

对于本发明的微流控系统，针对液滴的基本控制方法如下：

当某一个承载液滴的电极为低电平，把临近的某个电极置为高电平时，由于液体的电湿润原理，液滴就从低电平的电极移动到高电平的电极，就实现了液滴的移动，多个连续位置液滴同时移动，就实现了液流的控制。

同理，当某一个承载液滴的电极为高电平，而临近的电极都是低电平时，液滴稳定的定位于高电平电极上，这就实现了液滴的定位。

当把一个液滴移动到另一个承载液滴的电极旁边时，两个液滴如果是相溶液体，则会合并成一个液滴。

当某一个承载液滴的电极为高电平，而临近只有一个电极是高电平时，液滴形状就会拉长并定位于两个电极中间的位置，这时如果两电极均电平反转，变为低电平，同时这两个电极的两侧各只有一个电极变为高电平，则实现了液滴的拆分。

实现了液滴的定位、移动、合并、拆分这些基本的液滴操作，即可在液流载体上的不同地点实现复杂有序的的多类液体汇合、反应。

对由微电极阵列构成的液流通道，可通过软件实现“最优路径算法”的实时选择，便于灵活设计实验方案，预先按需要编制、装载特定软件的主控部分，经多通道信号传输部分对液流载体上诸多电极电平的进行实时控制，即可自动实现如下操作：多路液滴的分流、多位置同时反应、反应后残余液的清除等。值得一提的是，本发明通过蒸馏水或其它清洗剂的移动，可以对液流载体上的任何一个电极的位置进行清洗，从而避免了本次残留反应液对下次反应操作的干扰。

本发明中的图像摄取装置包括图像传感器、摄像装置、照相装置及显微镜中的一种或多种，图像摄取装置位于液流载体上方，或位于液流载体透明掩膜的一侧，可对液流载体全部或局部区域进行实时影像摄录，并可以根据主控部分的指令进行选定范围的视频录制、图像拍摄，同时进行数据传输以及信息记录。摄录的视频、图像等信息传输给主控部分，主控部分运用计算机视觉理论，对接收到的每一帧图像进行数据分析，对图像上每一个像素点的灰度、颜色的变化进行判断，进而得到液滴的位置坐标、反应进展情况、反应时的现象、反应后污浊程度等信息，据此判断液体的性状以及实验的进展情况，并决定后续的操作。

依据计算机视觉原理的判断方法如下：对于每一幅摄制的图像，由很多个有限的像素组成（像素的多少决定于图像摄取装置的分辨率），如果是黑白图像，则对应实际情形的每个像素点的灰度，是一个从0到分辨率最大值之间的某个数值；如果是彩色照片，则对应实际情形的每个像素点由若干种基色来表征，每一种基色对应一个参数，该参数是从0到分辨率最大值之间的某个数值。无论黑白图像，还是彩色图像，要求主控系统将每两个时间上连续的图像逐个像素点的进行参数比较，如果个别位置的像素点参数变化，则是液滴移动或液体反应的表征，根据预先设定的像素特征参数，可以判断液滴移动的位置或反应的进行程度，以及是否是预先设定的捕捉对象。本发明也可将不同时间或不同空间上的图像（或图像片段）逐个像素点的进行对比分析，进而得出反应进展情况的参数与结论，进而得出反应相关的数据。

对于操作者来说，首先选择若干个位于液流载体端部的电极点分别滴好不同的反应液，设定好实现液滴汇合进行反应的目标位置、参与反应的液体种类、反应时间、要捕捉的特定现象特征等参数阈值，在参数达到阈值或者特定现象发生时，可对液滴进行定位、移动、合并、拆分等操作，或者自动进行液体增减、现象记录、系统启停控制中的一种或多种操作，进而实现实验过程无人值守，可大大减轻实验人员的工作强度。

尤其值得一提的是：许多特定现象的都是在特定局部位置瞬间发生，时间间隔只要小于1秒钟，对于长时间观测易于劳累的实验人员来说，就很难捕捉。本发明可以根据实验者要捕捉的特定现象的图像特征，实验前进行参数设定，该现象发生在任何一个细微之处时，主控部分都可以在微秒甚至纳秒级的时间内作出反应，进行图像捕捉、现象记录、提示实验人员等预定操作。

除此之外，本发明可以对整个实验进行全程视频录制，这样实验人员可以随时对实验过程进行视频回放、分析，从而很容易的得到想要的数据，同时减少了不同实验人员重复同样试验的浪费现象。

本发明的主控部分或人机接口部分内置网络接口，实验参与人员可通过网络对实验过程远程监测与远程控制。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的主控部分原理图。

图3为本发明的液流载体原理图。

图4为本发明的多通道信号传输部分原理图。

图5为本发明的人机交互部分与主控部分通信电路原理图。

具体实施方式

本发明的一个典型实施例如图1～图5 所示，该实施例只是本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

图1为无人值守型数字式微流控系统的一种典型结构，由6个主要部分组成，按标号1～6依次为：主控部分、液流载体、多通道信号传输部分、信号发生装置、图像摄取部分、人机交互部分，其中主控部分、人机交互部分内置网络接口。

主控部分原理图如图2所示，U1是微控制器，对系统的运行进行精确控制，并对运行过程中的现象进行分析、处理、记录；U17是为微控制器提供精准时序脉冲的晶体振荡器；U11是用于存储数据的存储器；主控部分通过J11、J12、J13等端口分别与外部功能模块电气连接，进行数据的交换；J15是微控制器编程接口；J20和J21分别是用于并行通信的地址总线接口、数据总线接口；J31是SPI通信接口；J45是网络接口。  

液流载体目前的主要应用形式是集成微流控芯片，其原理图如图3所示，其中标号1所指区域为流体运动区域；流体运动区域内部为排列整齐的电极阵列（标号2所示）。微流控芯片的边缘分布多个接线端子（标号3所示），每个接线端子内有多个引脚（标号4所示），各个引脚与芯片内部的电极通过引线（标号5所示）分别电气连接，实现电信号的传输。为了防止不同电极、引线之间短接，图3中的电极引线方式有两种：实线表示引线布线在电极同一侧；虚线表示引线布线在电极背面一侧。  

信号发生装置示意图如图1中标号4所示，信号发生装置可产生幅值、频率可调的方波、正弦波、三角波或梯形波。

多通道信号传输部分原理图如图4所示，其功能包括：通过总线接收主控部分的指令信息；把液流载体上的数据信息反馈给主控部分；把信号发生装置预先设定好的多路波形信号分别传输到液流载体的若干个电极上，用以对液滴进行驱动控制。

图像摄取部分示意图如图1中标号5所示，位于液流载体的上方，在主控部分的控制下对流体运动、液体反应进行摄像、拍照等操作，并把图像信息实时传输给主控部分，主控部分对图像信息进行分析、判断，继而进行控制与记录等操作。

人机交互部分主要由计算机来实现，其与主控部分的通信电路原理图如图5所示。操作者可以通过人机交互部分设置系统运行参数、查询系统运行数据，并可实时观测液体运动情形与反应现象。

主控部分或人机接口部分内置网络接口（如图1中标号7所示），可通过预先设置将本系统中的视频、图像、数据等传输至网络，实现实验的远程观测与分析；也可经网络把由远方操作人员设置的参数传至系统进行功能设置，从而实现远方控制。

以上所述本发明的一个典型实施例在系统运行前，由操作人员进行参数设置后，整个实验过程中无需人的参与，实现无人值守式自动运行并最终给出实验结果，还可经网络进行远程测控，大大提高了实验效率，并节约可观的研发成本。

Claims (7)

1.一种无人值守型数字式微流控系统，其特征在于包括主控部分、液流载体、多通道信号传输部分、信号发生装置、图像摄取装置、人机交互部分，不同组成部分在实现形式上合并、拼装，多通道信号传输部分、图像摄取装置、人机交互部分分别与主控部分电气连接；信号发生装置、液流载体分别与多通道信号传输部分电气连接；图像摄取装置位于液流载体上方；主控部分包括微处理器、微控制器中的一种或多种，或经由计算机间接使用微处理器进行控制；液流载体包含微流控芯片、表层或中间层覆铜的电路板、CMOS工艺的液流载体中的一种或多种；多通道信号传输部分实现主控部分、液流载体和信号发生装置三者之间的信息交换与信号传输，其控制的内容包括：主控部分发给液流载体的控制信号、信号发生装置发给液流载体的特定波形信号、液流载体反馈给主控部分的状态信息；信号发生装置可产生幅值、频率可调的方波、正弦波、三角波或梯形波，在主控部分的控制下，经由多通道信号传输部分，把预先设定好的多路波形信号分别传输到液流载体的若干个电极上，用以对液滴进行驱动控制；控制对象为单个个体横截面积不大于1平方厘米的微小液滴。

2.根据权利要求1所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在于所述的液滴为微米或纳米级尺寸。

3.根据权利要求2所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在于主控部分或人机接口部分内置网络接口，实验参与者通过网络进行远程监测或远程控制。

4.根据权利要求2所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在于图像摄取装置包括图像传感器、摄像装置、照相装置及显微镜中的一种或多种，图像摄取装置位于液流载体上方或液流载体透明掩膜的一侧，对液流载体内的液滴进行图像摄取，同时进行现象记录与数据传输。

5.根据权利要求4所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在于预先设定若干特定实验现象的特征参数，对摄录的图像或视频依据其像素点灰度或基色参数的变化进行对比分析，判断液体的性状以及实验的进展情况。

6.根据权利要求1至权利要求5中的任何一项所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在于系统预先设定参数阈值，在参数达到阈值或超过阈值或者特定现象发生时，对液滴进行定位、移动、合并、拆分操作，或者自动进行液体增减、现象记录、系统启停控制中的一种或多种操作，进而实现实验过程无人值守。

7.根据权利要求1至权利要求5中的任何一项所述的无人值守型数字式微流控系统，其特征在人机交互部分的信息显示功能由触摸屏、液晶屏、投影仪、LED显示屏、数码管、指示灯中的一种或多种来实现；人机交互部分的数据输入功能用触摸屏、绘图仪、键盘、按键中的一种或多种来实现；人机交互部分的控制功能由微处理器、微控制器中的一种或多种来实现，或经由计算机间接使用微处理器实现。