CN108405004A - 一种液滴生成控制方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液滴生成控制方法及其系统，主控模块根据预设体积和循环次数控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在液滴生成电极上生成液滴；再通过电容测量模块测量液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积；最后，根据目标体积与实际体积获取误差以调节循环次数，完成对液滴生成的精确控制，克服现有技术中对液滴的体积的控制精度低下的问题，提高液滴体积的控制精度，方便技术人员进行后续的操作。

Description

一种液滴生成控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及液滴控制领域，尤其是一种液滴生成控制方法及其系统。
背景技术
介电润湿是一种利用电场控制液体表面张力的方法，通过控制外加电压改变介电层与液滴的润湿特性，使液滴与固体接触角发生变化，引起液滴内部压力差，从而实现对液滴的形变与运动控制。
液滴微流控又称数字微流控，液滴是通过介电润湿在一个绝缘电极阵列表面被操纵的，诸如液滴的分配、移动、分离、混合都可以将一系列电压序列应用于电极，而不需要额外的机械部件来进行电编程。该技术能减少试剂消耗量，减小分析设备和体积，避免液体之间的污染、减少生物化学反应的时间等优点，因此，基于介电润湿效应的数字微流控技术得到了广大研究者的重视。经典的微流控芯片是主要是对连续流体进行操作与控制，是通过微细加工技术将微流道、微泵、微阀、微储液器、微电极、检测元件、窗口和连接器等功能元件集成在芯片材料的微全分析系统。近十年来，在连续微流控的基础之上，被操控液滴的体积已经达到微升甚至纳升，以至于在微尺度下对不同类型的液滴进行操作与控制。
在数字微流体中，精确的液体处理对许多应用来说是必不可少的，例如免疫化验、DNA扩增、基于细胞的筛选等这些应用对样本容量的变化非常敏感。然而，现有技术的介电润湿微流控技术中，微液滴分裂的体积难以控制，分裂时对液滴体积的控制精度低下。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种液滴生成控制方法及其系统，用于完成对液滴生成的精确控制，提高液滴体积的控制精度，方便技术人员进行后续的操作。
本发明所采用的技术方案是：一种液滴生成控制系统，包括微流控芯片、主控模块、电极驱动模块和电容测量模块，所述微流控芯片包括上极板、下极板和设置在所述上极板、下极板之间的微液滴，所述上极板包括由下而上依次设置的上基板、零电极层和第一疏水层；所述下极板包括由下而上依次设置的下基板、微电极阵列、电介层以及第二疏水层；所述上极板还设置有至少两个通孔用做微液滴的入口和/或微液滴的出口；
所述微电极阵列包括水库电极、分裂电极和液滴生成电极，所述分裂电极设置在水库电极与液滴生成电极之间；
所述电容测量模块用于测量微电极阵列的电极的电容值，所述主控模块与电极驱动模块连接，所述电极驱动模块的输出端与微电极阵列的输入端连接，所述电容测量模块与微电极阵列连接，所述电容测量模块与主控模块连接。
进一步地，所述电极驱动模块包括SSD1627芯片。
进一步地，所述电容测量模块包括Pcap01电容测量芯片。
进一步地，所述微电极阵列的电极的形状为正方形。
本发明所采用的另一技术方案是：一种液滴生成控制方法，应用于所述的液滴生成控制系统，包括以下步骤：
S1、主控模块根据液滴的目标体积V和预设体积v获取循环次数N，所述目标体积V为预设体积v与循环次数N的乘积；
S2、所述主控模块控制N次液滴分裂，所述液滴分裂为所述主控模块控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在所述液滴生成电极上生成预设体积v的液滴；
S3、电容测量模块测量所述液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积 Vs；
S4、根据所述目标体积V与实际体积Vs获取误差，判断所述误差是否小于预设误差，若是，则液滴生成完毕，否则，将所述误差与预设体积v的商的整数作为所述循环次数N，返回步骤S2。
进一步地，所述预设误差为预设体积。
进一步地，所述预设体积为1微升。
本发明的有益效果是：
本发明一种液滴生成控制系统，其中，微电极阵列包括水库电极、分裂电极和液滴生成电极，利用电极驱动模块完成对微电极阵列的驱动，并且利用电容测量模块测量微电极阵列的电极的电容值，结合主控模块完成对液滴生成的控制，利用电容测量模块建立反馈，克服现有技术中对液滴的体积的控制精度低下的问题，实现对液滴生成的精确控制，以提高液滴体积的控制精度，方便后续操作。
本发明的另一有益效果是：
本发明一种液滴生成控制方法，主控模块根据预设体积和循环次数控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在液滴生成电极上生成液滴；再通过电容测量模块测量液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积；最后，根据目标体积与实际体积获取误差以调节循环次数，完成对液滴生成的精确控制，克服现有技术中对液滴的体积的控制精度低下的问题，提高液滴体积的控制精度，方便技术人员进行后续的操作。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明中一种液滴生成控制系统的一具体实施例结构框图；
图2是本发明中一种液滴生成控制系统的微流控芯片的一具体实施例结构示意图；
图3是本发明中一种液滴生成控制系统中液滴分裂的过程示意图；
图4是本发明中一种液滴生成控制系统中微流控芯片与电容采集单元的一具体实施例示意图；
图5是本发明中一种液滴生成控制系统中液滴定位图；
图6是液滴位置与液滴电容的线性关系图；
图7是液滴体积与液滴电容的线性关系图；
其中，1-上基板；2-零电极层；3-第一疏水层；4-下基板；5-水库电极；6- 分裂电极；7-液滴生成电极；8-介电层；9-第二疏水层；10-液滴入口；11-液滴出口；12-双面胶；微液滴-13；14-空气介质。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1和图2，图1是本发明中一种液滴生成控制系统的一具体实施例结构框图；图2是本发明中一种液滴生成控制系统的微流控芯片的一具体实施例结构示意图，本发明中的一种液滴生成控制系统，包括微流控芯片、主控模块、电极驱动模块和电容测量模块，微流控芯片包括上极板、下极板和设置在上极板、下极板之间的微液滴13，上极板包括由下而上依次设置的上基板1、零电极层2和第一疏水层3；下极板包括由下而上依次设置的下基板4、微电极阵列、电介层8以及第二疏水层9；上极板还设置有至少两个通孔用做微液滴的入口和/或微液滴的出口，一个通孔可以同时作为液滴的出口和入口，本实施例中，上极板设置有2个通孔分别用做液滴入口10和液滴出口11；
微电极阵列包括水库电极5、分裂电极6和液滴生成电极7，分裂电极6 设置在水库电极5与液滴生成电极7之间，水库电极5的上方的通孔(即液滴入口10)贯穿上极板并正对着水库电极5的位置，正对着水库电极5的几何中心位置；
电容测量模块用于测量微电极阵列的电极的电容值，主控模块与电极驱动模块连接，电极驱动模块的输出端与微电极阵列的输入端连接，电容测量模块与微电极阵列的电极(如水库电极5、分裂电极6和液滴生成电极7)连接，电容测量模块与主控模块连接。
本发明利用电极驱动模块完成对微电极阵列的驱动，并且利用电容测量模块测量微电极阵列的电极的电容值，结合主控模块完成对液滴生成的控制，利用电容测量模块建立反馈，克服现有技术中对液滴的体积的控制精度低下的问题，实现对液滴生成的精确控制，以提高液滴体积的控制精度，方便后续操作。有效解决了微液滴分裂体积不可控的问题，从而提高了微液滴体积生成的精度。可以有效、精确地控制液滴分裂体积大小，提高介电润湿数字微流控技术中对微液滴的精确分裂能力。
作为技术方案的进一步改进，参考图1、图2和图3，图3是本发明中一种液滴生成控制系统中液滴分裂的过程示意图；微电极阵列的电极，如水库电极 5、分裂电极6和液滴生成电极7的形状为正方形。主控模块包括电脑PC、STM32 单片机以及CycloneIV FPGA芯片，其中，电脑PC负责人机交互，可供用户输入控制数据，STM32单片机作为主控模块的主控中心，协调各部分的工作，而 CycloneIV FPGA芯片用于处理电容测量模块的数据以供STM32单片机作进一步处理；电极驱动模块包括SSD1627芯片，其可输出直流驱动电压驱动电极；最后，电容测量模块包括Pcap01电容测量芯片，用于测量微电极阵列的电极的电容值。
本发明中，参考图3，微液滴的生成操作可以分为三步：形成液柱、出现颈部和颈部断裂。该过程是一个快速分裂的动态过程，微液滴的生成过程由阵列电极的电压及时序共同决定。参考图2，以去离子水为微液滴13，在实验过程中，通过移液器先将一定体积的去离子水注射到水库中，以备液滴分裂使用，其中，本实施例中，电极的驱动电压为80v，驱动电压的频率为2Hz，水库电极的大小为9mm*9mm，分裂电极、液滴生成电极的大小为3mm*3mm，电极之间的间距为0.01mm，电极均为正方形电极，上、下极板的间距为0.4mm，双面胶12作为上、下极板的支撑物，构成如图2所示的“三明治”结构，电容测量设置为时钟触发模式。参照图3，其液滴生成操作步骤为，由移液器将液体从上极板的过孔即液滴入口10注入水库时，微液滴13不能完全覆盖整个水库电极导致液滴生成的不稳定，首先，给水库电极5加电使微液滴13可完全覆盖水库电极5如图3中的(a)所示。接着，给分裂电极6加电，同时使水库电极5断电，液体在压强差的作用下被拉出形成液柱如图3中的(b)所示，此时，给液滴生成电极7加电，如图3中的(c)所示，为了使水库电极5上的液体与液滴生成电极7上的液柱分裂开，重新给水库电极5加电，并同时将分裂电极 6断电如图3中的(d)所示，此时出现颈部的液柱，经过2s后，微液滴生成，在液滴生成电极7上生成一定体积的微液滴13如图3中的(e)所示。
本发明中，参照图1和图3，首先通过Pcap01芯片采集分裂电极6和液滴生成电极7的电容值，获得到的第二电容值和第三电容值，其中水库电极5、分裂电极6、液滴生成电极7的电容分别对应第一电容、第二电容、第三电容。通过CycloneIV芯片进行数据处理来判断第三电容是否等于零，若第三电容等于零，表示微液滴不在液滴生成电极7上，则通过STM32单片机控制SSD1627 芯片对分裂电极6加电，并快速对液滴生成电极7加电，当采集到的第三电容大于零时，即出现图3的中(c)所示的情况，然后通过STM32单片机对水库电极5加电，同时对分裂电极6断电，就可以使液滴分裂成功，最后对水库电极5和液滴生成电极7断电。
基于上述一种液滴生成控制系统，本发明还提供一种液滴生成控制方法，包括以下步骤：
S1、主控模块根据液滴的目标体积V和预设体积v获取循环次数N，目标体积V为预设体积v与循环次数N的乘积，V＝v*N；
S2、主控模块控制N次液滴分裂，液滴分裂具体为：主控模块控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在液滴生成电极上生成预设体积v的液滴，每次分裂预设体积v的液滴，分裂N次；
S3、电容测量模块测量液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积Vs；
S4、根据目标体积V与实际体积Vs获取误差，判断误差是否小于预设误差，若是，则液滴生成完毕，否则，将误差与预设体积v的商的整数作为循环次数N，返回步骤S2。
本发明提出了一种不改变参数如驱动电压大小，上、下极板间距和液滴大小等限制因素，即可完成液滴生成控制的方法。主控模块根据预设体积和循环次数控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在液滴生成电极上生成液滴，每次产生相同体积的微液滴；再通过电容测量模块测量液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积形成反馈；最后，根据目标体积与实际体积获取误差调节循环次数，完成对液滴生成的精确控制，克服现有技术中对液滴的体积的控制精度低下的问题，提高液滴体积的控制精度，方便技术人员进行后续的操作；既解决了数据处理的运算量，提高了效率，又提高了液滴的精确度。
本实施例中，预设误差为预设体积，预设体积为1微升。下面说明实际应用当中的处理过程如下，由于实际使用时，液滴生成控制系统中每个设备参数有差别，则系统需要自动调整相关参数来达到分裂目标体积液滴的目的，首先确认分裂1微升的液滴所需的驱动电压和频率的大小：在输出电压频率H不变，STM32单片机STM32不断调整驱动电压的大小驱动液滴，使其分裂，生成具有一定体积的微液滴，参考图1和图4，图4是本发明中一种液滴生成控制系统中微流控芯片与电容采集单元的一具体实施例示意图；其中，14为空气介质，根据介电润湿的原理，电容性是EWOD芯片的本质电路属性。对于单个驱动电极来说，系统等效电容由四部分组成，分别是上极板的疏水绝缘层电容CAF，下极板的疏水绝缘层电容CAF，下极板的电介层电容C介以及芯片中间的液滴的等效电阻RD(如图4中的RD1和RD2)和等效电容CD(如图4中的CD1和CD2)；介电层和疏水层的电容相对较小，可以忽略不计；经过Pcap01芯片采集电极的电容值，将数据传送到CycloneIV芯片中进行数据处理，通过液滴定位等效电容最终推导公式：
x＝L-C1/(C2+C1)L，
参照图5，图5是本发明中一种液滴生成控制系统中液滴定位图；经过 Pcap01芯片采集电极的电容值，其中，x为液滴的几何中心距第一电极(即分裂电极6)的几何中心的距离，C1为第一电极的电容值，C2为第二电极(即液滴生成电极7)的电容值，L为电极的长度。当液滴位于第一电极上时，第二电极上的电容值C2为0pF，第一电极上的电容值C1最大，此时由上述公式可得，液滴的几何中心与第一电极的几何中心在同一条垂线上，参照图6所示，图6是液滴位置与液滴电容的线性关系图；故可以通过液滴电容值来判断液滴的位置。参照图7，图7是液滴体积与液滴电容的线性关系图；故可以通过液滴电容值来判断液滴的体积。保存分裂过程中所用驱动电压的大小和频率H。经过多次改变电压大小确定系统产生1微升所需要的恒定电压及输出频率。本发明采用基于“液滴-芯片”等效电容模型，液滴的电容值不仅与液滴和驱动电极的相对位置有关，而且还与其液滴大小(即液滴体积)有关。
实际控制液滴生成时，首先通过电脑PC将所需液滴的目标体积V微升通过串口发送到STM32单片机，经过STM32单片机分析得到需要的分裂次数N (即循环次数)，其生成V微升所需时间t＝n*1/H，在恒定的驱动电压和恒定频率H下，生成1微升标准体积，驱动液滴使其生成1微升的液滴，同时Pcap01 芯片采集一次电容值C1，通过CycloneIV芯片处理后，即可得到生成液滴位置和生成液滴体积，经过N次循环后，得到分裂生成的液滴的实际体积Vs，通过实际生成体积Vs与目标体积V比较并计算出误差，判断误差是否小于预设误差，本实施例中，预设误差为1微升，当误差小于1微升，液滴的生成结束；当误差大于1微升时，例如误差为2微升，则修改循环次数N，将其置为2，继续进行2次1微升的液滴分裂，实现反馈，完成液滴的精确生成。
本发明中，由STM32单片机控制驱动波形的产生，使微流控芯片每次分裂 1微升的微液滴，与STM32单片机相连的SSD1627芯片受STM32单片机控制输出驱动电压，驱动与其相连的微流控芯片上的液滴，与其相连的Pcap01传感阵列采集电极上的电容值，再经由与其相连的CycloneIV芯片分析液滴生成电极上液滴的最终体积是否为目标体积，最后由STM32单片机决定输出的驱动电压。本发明采用高智能化和精确度液滴分裂的定位反馈系统及方法，既方便又效率高，这方便技术人员后续操作。
本发明不需要像现有技术一样改变其他参数，如每次分裂不同体积大小液滴时驱动电压大小的改变，电极之间的间距的改变和对液滴大小的限制等因素；基于介电润湿数字微流控，控制液滴每次分裂1微升经过多次分裂以达到目标体积的液滴，精确分裂的反馈定位设备与“芯片-液滴”等效电容模型，本发明简单易操作，相对于改变多个参数所得到的分裂体积的精确度得到提高，且根据“液滴-芯片”的等效电容模型，从电容值这个参数直观的了解到液滴当前的位置以及液滴体积大小，在此基础上，通过反馈来提高液滴分裂的精确度，具有实用性和一定的创新性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种液滴生成控制系统，其特征在于，包括微流控芯片、主控模块、电极驱动模块和电容测量模块，所述微流控芯片包括上极板、下极板和设置在所述上极板、下极板之间的微液滴，所述上极板包括由下而上依次设置的上基板、零电极层和第一疏水层；所述下极板包括由下而上依次设置的下基板、微电极阵列、电介层以及第二疏水层；所述上极板还设置有至少两个通孔用做微液滴的入口和/或微液滴的出口；
所述微电极阵列包括水库电极、分裂电极和液滴生成电极，所述分裂电极设置在水库电极与液滴生成电极之间；
所述电容测量模块用于测量微电极阵列的电极的电容值，所述主控模块与电极驱动模块连接，所述电极驱动模块的输出端与微电极阵列的输入端连接，所述电容测量模块与微电极阵列连接，所述电容测量模块与主控模块连接。
2.根据权利要求1所述的液滴生成控制系统，其特征在于，所述电极驱动模块包括SSD1627芯片。
3.根据权利要求1所述的液滴生成控制系统，其特征在于，所述电容测量模块包括Pcap01电容测量芯片。
4.根据权利要求1至3任一项所述的液滴生成控制系统，其特征在于，所述微电极阵列的电极的形状为正方形。
5.一种液滴生成控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至4任一项所述的液滴生成控制系统，包括以下步骤：
S1、主控模块根据液滴的目标体积V和预设体积v获取循环次数N，所述目标体积V为预设体积v与循环次数N的乘积；
S2、所述主控模块控制N次液滴分裂，所述液滴分裂为所述主控模块控制电极驱动模块驱动水库电极、分裂电极和液滴生成电极在所述液滴生成电极上生成预设体积v的液滴；
S3、电容测量模块测量所述液滴生成电极的电容值以获取液滴的实际体积Vs；
S4、根据所述目标体积V与实际体积Vs获取误差，判断所述误差是否小于预设误差，若是，则液滴生成完毕，否则，将所述误差与预设体积v的商的整数作为所述循环次数N，返回步骤S2。
6.根据权利要求5所述的液滴生成控制方法，其特征在于，所述预设误差为预设体积。
7.根据权利要求5所述的液滴生成控制方法，其特征在于，所述预设体积为1微升。
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