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CN116174066A - 可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统及液滴测控电路 - Google Patents

可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统及液滴测控电路 Download PDF

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CN116174066A
CN116174066A CN202211091267.7A CN202211091267A CN116174066A CN 116174066 A CN116174066 A CN 116174066A CN 202211091267 A CN202211091267 A CN 202211091267A CN 116174066 A CN116174066 A CN 116174066A
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Abstract

本发明提供了一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统及液滴测控电路，液滴测控电路包括阻抗检测子电路、液滴驱动子电路、模式切换子电路和主控芯片；所述阻抗检测子电路通过所述模式切换子电路与数字微流控芯片包含的第一电极连接，所述液滴驱动子电路通过所述模式切换子电路与所述数字微流控芯片包含的多个第二电极连接，所述模式切换子电路与所述主控芯片电连接；所述主控芯片用于发送切换指令至所述模式切换子电路，以使所述模式切换子电路在阻抗测量状态与液滴驱动状态之间切换，可以同时实现阻抗检测和液滴控制，且提高了数字微流控芯片中液滴阻抗检测的准确性。

Description

可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统及液滴测控电路
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，特别涉及一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统及液滴测控电路。
背景技术
数字微流控技术(Digital Microfluidic,DMF)是一种利用电场力、静电力等对离散液滴进行精确驱动控制的新型技术，其具有微型化、高效率、自动化、易集成等优点，并广泛应用于生物学、化学分析、医学检测、免疫分析、光学器件等多个领域。例如，其可适用于细胞培养和分析、蛋白质样本处理和分析、核酸检测、葡萄糖浓度检测以及根据液滴形状可变制成能改变焦距的微透镜等。
数字微流控不仅可以实现对待检测液滴的制备、移动、分离以及混合，还可以驱动两种样品试剂以进行反应实验，即，将单个待检测液滴作为一个微容器，驱动以使得两种试剂在其中进行反应，从而减少样品的使用量，减少实验的反应时间，达到节约成本的目的。
数字微流控芯片中对待检测液滴的驱动控制方法包括气动法、表面声波法、介电润湿法等。其中，介电润湿法具有结构简单，控制容易等特点。
如图1、3所示，在使用介电润湿法时，其所对应的数字微流控芯片具有一对以一定间距平行放置的极板，极板A包括基底1、电极层11和疏水层12，极板B包括疏水层21、介质层22、电极层23和基底24。
数字微流控芯片两极板之间的电路属性的本质为电容性，结合数字微流控芯片结构，可以对应地建立液滴位于数字微流控芯片两极板之间的等效电路模型。具体参见图2，Zdrop部分为待检测液滴与数字微流控芯片形成的等效电路，其中，Chtd是极板B的疏水层的等效电容，Chbd是极板A的疏水层和介质层的等效电容，Rd与Cd的并联电路是待检测液滴的等效电路，其与液滴的理化性质相关，包括电导、介电常数、体积、温度、pH值和盐浓度等，da是极板间距，也是待检测液滴的高度，dht和dhb分别是数字流控芯片两极板的绝缘层厚度。在实际应用中，即可推导出电极上液滴阻抗的理论计算公式，为阻抗检测提供理论依据。极板相关的参数，包括da、Chtd、Chbd等可认为是固定的，因此测量得到的极板间的阻抗信号及其变化可用于反应液滴的理化性质，从而可以开发出集成于数字微流控芯片的基于液滴性质及其变化的各种生化检测方法。
为实现数字微流控中液滴的阻抗检测，通常是将数字微流控芯片中极板A的电极作为激励信号的接口，极板B的电极作为响应信号测量的接口，并将待检测液滴的驱动电压同时作为阻抗检测的激励信号，在测量接口采用电阻的方式将响应信号从电流转换为电压进行测量。采用这种配置方法存在的问题包括：(1)由于液滴控制需要施加较高的驱动电压(通常60V至300V)，需要引入升压电路，其产生的激励信号难以达到较高的频率，因此，在测量液滴阻抗时难以采集高频特征信息；(2)采用升压电路获得的电压输出的精度较低且噪音较大，导致阻抗测量的准确性和重复性难以保证；(3)数字微流控芯片的介电层和疏水层在使用过程中存在被击穿的情况，使极板间电阻大幅下降，进而导致高电压直接作用于测量电路，并致其损坏的风险；(4)基于电阻分压的测量电路存在输入阻抗小的问题，其电路本身会影响待测信号，因而具有较大的误差。
综上，传统数字微流控中的阻抗测量方法以及电路系统难以达到较高的测量精度，且在实际应用中存在较多的问题，仅适用于对液滴是否在位等灵敏度要求较低的定性应用，而不适用于对液滴理化性质等精度要求较高的定量分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的数字微流控的阻抗检测电路在进行液滴阻抗检测时存在的测量准确度低、重复性差、检测频率低和电路复杂等问题，提供一种具有可寻址液滴阻抗测量的数字微流控系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
第一方面，提供一种数字微流控芯片的液滴测控电路，所述液滴测控电路包括阻抗检测子电路、液滴驱动子电路、模式切换子电路和主控芯片；
所述阻抗检测子电路通过所述模式切换子电路与数字微流控芯片包含的第一电极连接，所述液滴驱动子电路通过所述模式切换子电路与所述数字微流控芯片包含的多个第二电极连接，所述模式切换子电路与所述主控芯片电连接；
所述主控芯片用于发送切换指令至所述模式切换子电路，以使所述模式切换子电路在阻抗测量状态与液滴驱动状态之间切换；
当处于所述阻抗测量状态时，所述第一电极通过所述模式切换子电路与所述阻抗检测子电路连接，所述多个第二电极中的第一目标电极通过所述模式切换子电路接地；所述阻抗检测子电路用于输出激励信号至所述第一电极，并获取所述激励信号在所述第一电极与所述第一目标电极之间产生的响应信号；
当处于所述液滴驱动状态时，所述第一电极通过所述模式切换子电路接地，所述多个第二电极中的第二目标电极通过所述模式切换子电路与所述液滴驱动子电路连接；所述液滴驱动子电路用于输出驱动信号至所述第二目标电极，以驱动所述数字微流控芯片中的待测样本运动。
可选地，所述阻抗检测子电路包括跨阻放大器和信号处理器；所述模式切换子电路包括第一开关；
所述跨阻放大器的正相输入端与所述信号处理器的输出端相连，所述跨阻放大器的负相输入端与所述第一开关的第一端连接，所述跨阻放大器的输出端与所述信号处理器的输入端连接；
所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的第三端与所述第一电极连接；当处于所述阻抗测量状态时，所述第三端与所述第一端连接；当处于所述液滴驱动状态时，所述第三端与所述第二端连接。
可选地，所述阻抗检测子电路还包括校准组件；所述校准组件与所述第一开关的第四端连接；
当处于所述液滴驱动状态时，所述第一端与所述第四端连接。
可选地，所述校准组件包括电阻和多个电容，所述电阻与所述多个电容中的部分并联后与其余电容串联；所述校准组件具有标准阻抗。
可选地，所述液滴驱动子电路包括驱动信号发生器；所述模式切换子电路包括多个第二开关，所述第二开关的第一端用于连接一个第二电极，所述第二开关的第二端与所述驱动信号发生器连接，所述第二开关的第三端接地；
当处于所述阻抗测量状态时，与所述第一目标电极连接的第二开关的第一端与所述第三端连接；
当处于所述液滴驱动状态时，与所述第二目标电极连接的第二开关的第一端与所述第二端连接。
可选地，所述驱动信号发生器包括升压电路以及与所述升压电路连接的高速光耦开关；
所述升压电路用于将输入电压转换为目标电压，并通过所述高速光耦开关将所述目标电压输出至所述第二电极；其中，所述目标电压的幅值取值范围为[50V,300V]，频率的取值范围为[1Hz,10kHz]。
可选地，所述主控芯片包括通信组件，所述主控芯片通过所述通信组件与外部设备通信连接。
第二方面，提供一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统，所述数字微流控系统包括数字微流控芯片以及如上述任一项所述的液滴测控电路；
所述液滴测控电路与所述数字微流控芯片连接。
可选地，所述数字微流控芯片包括第一极板和与所述第一极板平行设置的第二极板；
所述第一极板包括依次设置的第一基底、第一电极和第一疏水层；
所述第二极板包括依次设置的第二疏水层、介电层、第二电极和第二基底；
所述第一疏水层与所述第二疏水层之间具有间隙，所述间隙用于容纳待测样本。
可选地，所述第一基底和所述第二基底的材质均为第一绝缘材料，所述介电层为第二绝缘材料，所述第二绝缘材料的绝缘性高于所述第一绝缘材料的绝缘性，所述第一疏水层和所述疏水层的材质均为疏水材料。
本发明的积极进步效果在于：本发明实施例的液滴测控电路能够同时实现阻抗检测和液滴控制，且提高了数字微流控芯片中液滴阻抗检测的准确性。
附图说明
图1为现有技术中的数字微流控芯片的结构示意图。
图2为现有技术中的数字微流控芯片的电极等效电路示意图。
图3为现有技术中的具有可寻址液滴阻抗测量的数字微流控系统的结构示意图。
图4为本发明一实施例提供的一种数字微流控芯片的液滴测控电路的结构示意图。
图5为本发明一实施例提供的一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统的电路图。
图6为本发明一实施例的具有可寻址液滴阻抗测量的数字微流控系统，在1.6mm极板间距情况下，采用400mV和30kHz激励信号，对不同体积的纯水液滴进行阻抗测量所得到的数据曲线及其线性拟合结果。
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
本发明实施例提供一种数字微流控芯片的液滴测控电路，该液滴测控电路能够同时实现对数字微流控芯片中的液滴的阻抗检测和运动控制，且提高了数字微流控芯片中液滴阻抗检测的准确性。其中，待测样本通过油相或者水相包裹形成液滴，待测样本可以但不限于包括DNA、RNA。
参见图4和图5，该液滴测控电路包括阻抗检测子电路11、液滴驱动子电路12、主控芯片13和模式切换子电路14。阻抗检测子电路11通过模式切换子电路14与数字微流控芯片包含的第一电极连接，液滴驱动子电路12通过模式切换子电路14与数字微流控芯片包含的多个第二电极连接，模式切换子电路14与主控芯片13电连接。
参见图5，该数字微流控芯片包括一对上下平行放置的极板，分为第一极板A和第二极板B，两极板间保持一定间距，液滴3在该间距中运动。其中，第一极板A包括依次设置的第一基底211、第一电极212和第一疏水层213，第二极板B包括依次设置的第二疏水层223、介电层224、第二电极222和第二基底221。其中，第二电极222的数量为多个，第一电极212的数量可以是1个也可以是多个；第一电极垂直投影于第二极板B上形成的区域与第二极板B的第二电极区域重合。
本发明提供的液滴测控电路包括两种工作状态，分别为阻抗测量状态和液滴驱动状态，主控芯片13通过发送切换指令至模式切换子电路14，以使模式切换子电路14在阻抗测量状态与液滴驱动状态之间切换，也即使液滴测控电路在阻抗测量状态与液滴驱动状态之间切换。主控芯片13除了控制模式切换之外，还可参与控制阻抗测量、控制液滴运动以及数据通信等。
当处于液滴驱动状态时，第一电极212通过模式切换子电路14接地，多个第二电极222中的第二目标电极通过模式切换子电路14与液滴驱动子电路12连接；液滴驱动子电路12用于输出驱动信号至第二目标电极，以驱动数字微流控芯片中的待测样本运动。
其中，不同时刻第二目标电极不同，第二目标电极根据液滴的目标运行路径确定，第二目标电极可以是1个也可以是多个。
当处于阻抗测量状态时，第一电极通过模式切换子电路14与阻抗检测子电路11连接，多个第二电极222中的第一目标电极通过模式切换子电路14接地；阻抗检测子电路11用于输出激励信号至第一电极，并获取激励信号在第一电极212与第一目标电极之间产生的响应信号。
该响应信号与数字微流控芯片中的待测样本的阻抗有关，可用于表征待测样本的尺寸、位置、成分和浓度等信息，进而用于基于数字微流控的自动化生物、化学和环境的检测，例如核酸检测、免疫分析、病原微生物检测、重金属污染物检测等。
本发明实施例的液滴测控电路能够同时实现阻抗检测和液滴控制，且提高了数字微流控芯片中液滴阻抗检测的准确性，解决了高精度阻抗检测和液滴控制同时实现的挑战，并可实现在低电压和高频率下对液滴进行阻抗测量。
在一个实施例中，阻抗检测子电路11包括跨阻放大器112和信号处理器111。模式切换子电路14包括第一开关141；跨阻放大器112的正相输入端与信号处理器111的输出端相连，跨阻放大器112的负相输入端与第一开关141的第一端a1连接，跨阻放大器112的输出端与信号处理器111的输入端连接；第一开关141的第二端a2接地，第一开关141的第三端a3与第一电极连接。
在一个实施例中，液滴驱动子电路12包括驱动信号发生器121；模式切换子电路14包括多个第二开关142，第二开关142的第一端b1用于连接一个第二电极，第二开关142的第二端b2与驱动信号发生器连接，第二开关142的第三端b3接地。
主控芯片13通过对第二极板B的第二电极的可寻址控制，即分别将第二电极在以下几个状态任意切换：驱动信号输入、接地和浮空，实现对微流控芯片中的任一液滴的可寻址控制。
当处于液滴驱动状态时，主控芯片13控制第一开关141进行开关切换，以使第三端a3与第二端a2连接，进而使第一电极接地。主控芯片13控制第二开关142进行开关切换，以使与第二目标电极连接的第二开关142的第一端b1与第二端b2连接，进而使第二目标电极与信号驱动发生器121连接。
信号驱动发生器121根据液滴控制需要，将高电压(驱动信号)施加于相应的第二极板B的第二目标电极上，其余第二电极接地，从而使液滴产生介电润湿现象形成横向作用力并向指定方向运动。信号驱动发生器可寻址地控制施加于第二极板上各第二电极的电压高低，使液滴按照目标路径运动。
当处于阻抗测量状态时，主控芯片13控制第一开关141进行开关切换，以使第三端a3与第一端a1连接，进而使第一电极与跨阻放大器112连接。主控芯片13控制第一开关141进行开关切换，以使与第一目标电极连接的第二开关142的第一端b1与第三端b3连接，进而使第一目标电极接地，其他第二电极悬空，从而使第一电极212与第一目标电极形成信号通路。此时，信号处理器111通过跨阻放大器112施加激励信号至第一电极212，阻抗检测子电路11同步测量激励信号在该信号通路中产生的响应信号，并将其转换为两个极板间的阻抗信息，包括幅值和相位等。
信号处理器111产生阻抗测量所需激励信号，该激励信号的幅值取值范围为[10mV,10V]、频率的取值范围为[1kHz,50MHz]，并同步测量和采集数字微流控芯片的两极板间在激励信号施加下产生的响应信号，并将该响应信号转换为极板间的阻抗信息。
信号处理器111还对跨阻放大器112的输出信号进行处理，以将信号调理到合适的电压范围，再通过锁相放大原理，以激励信号作为参考，分析得到阻抗幅值和相位，并输出给主控芯片13。信号处理器111可根据主控芯片13的指令调节阻抗测量的频率以及激励电压的幅值。
跨阻放大器112是由运算放大器以电阻式反馈放大的方式配置实现，达到同时进行阻抗激励信号输出，以及对响应信号放大和转换的效果。
在一个实施例中，阻抗检测子电路11还包括校准组件113，校准组件113与第一开关141的第四端a4连接。
当处于液滴驱动状态时，第一端a1与第四端a2连接，以使跨阻放大器112与校准组件113连接。当处于液滴驱动状态时，校准组件浮空。该校准组件113具有标准阻抗，能够对阻抗检测子电路11的阻抗测量结果进行校准，校准结果可以对后续实际阻抗测量结果进行补偿。
在一个实施例中，校准组件113包括电阻和多个电容，电阻与多个电容中的部分并联后与其余电容串联；电阻和电容均采用标准元器件，因此校准组件113具有标准阻抗。
在一个实施例中，驱动信号发生器121包括升压电路以及与升压电路连接的高速光耦开关。升压电路用于将输入电压转换为目标电压，并通过高速光耦开关将目标电压输出至第二电极；其中，目标电压的幅值取值范围为[50V,300V]，频率的取值范围为[1Hz,10kHz]。
其中，目标电压为液滴介电润湿效应所需的高电压。升压电路可将低于10V的直流电源转换到50V至300V的高压范围，并通过高压高速光耦开关将电压从直流转换为交流，其高压输出频率范围为1Hz至10kHz。
在一个实施例中，主控芯片13包括通信组件，主控芯片13通过通信组件与外部设备通信连接，从而主控芯片13可以接收外部设备发送的控制指令，并发送阻抗测量结果给外部设备。通信组件可以但不限于包括蓝牙、WiFi、zigbee等。
本实施例中，阻抗检测子电路与数字微流控芯片的第一极板A相连，同时提供阻抗检测所需的激励信号和响应信号测量功能，并采用跨阻放大器对响应信号进行放大和转换，不仅实现了对待测液滴在高频率、低电压激励下的阻抗测量，同时有效提高了阻抗测量的精度，能够使测量结果更好地适用于包括液滴温度、尺寸、成分和理化性质等的分析；并且，在上述阻抗检测子电路中，激励信号独立于对待检测液滴施加的驱动信号，实现了频率扫描功能，进一步提升了对待检测液滴进行阻抗测量的频率范围和最终测量结果的精度。
图5为本发明实施例提供的一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统的结构示意图，该数字微流控系统包括数字微流控芯片以及上述任一实施例提供的液滴测控电路，液滴测控电路与数字微流控芯片连接。
图6为本发明一实施例的具有可寻址液滴阻抗测量的数字微流控系统，在1.6mm极板间距情况下，采用400mV和30kHz激励信号，对不同体积的纯水液滴进行阻抗测量所得到的数据曲线及其线性拟合结果，从图中可以看出数字微流控系统能够对数字微流控芯片中的液滴尺寸的实现准确测量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述液滴测控电路包括阻抗检测子电路、液滴驱动子电路、模式切换子电路和主控芯片；
所述阻抗检测子电路通过所述模式切换子电路与数字微流控芯片包含的第一电极连接，所述液滴驱动子电路通过所述模式切换子电路与所述数字微流控芯片包含的多个第二电极连接，所述模式切换子电路与所述主控芯片电连接；
所述主控芯片用于发送切换指令至所述模式切换子电路，以使所述模式切换子电路在阻抗测量状态与液滴驱动状态之间切换；
当处于所述阻抗测量状态时，所述第一电极通过所述模式切换子电路与所述阻抗检测子电路连接，所述多个第二电极中的第一目标电极通过所述模式切换子电路接地；所述阻抗检测子电路用于输出激励信号至所述第一电极，并获取所述激励信号在所述第一电极与所述第一目标电极之间产生的响应信号；
当处于所述液滴驱动状态时，所述第一电极通过所述模式切换子电路接地，所述多个第二电极中的第二目标电极通过所述模式切换子电路与所述液滴驱动子电路连接；所述液滴驱动子电路用于输出驱动信号至所述第二目标电极，以驱动所述数字微流控芯片中的待测样本运动。
2.如权利要求1所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述阻抗检测子电路包括跨阻放大器和信号处理器；所述模式切换子电路包括第一开关；
所述跨阻放大器的正相输入端与所述信号处理器的输出端相连，所述跨阻放大器的负相输入端与所述第一开关的第一端连接，所述跨阻放大器的输出端与所述信号处理器的输入端连接；
所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的第三端与所述第一电极连接；当处于所述阻抗测量状态时，所述第三端与所述第一端连接；当处于所述液滴驱动状态时，所述第三端与所述第二端连接。
3.如权利要求2所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述阻抗检测子电路还包括校准组件；所述校准组件与所述第一开关的第四端连接；
当处于所述液滴驱动状态时，所述第一端与所述第四端连接。
4.如权利要求3所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述校准组件包括电阻和多个电容，所述电阻与所述多个电容中的部分并联后与其余电容串联；所述校准组件具有标准阻抗。
5.如权利要求1所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述液滴驱动子电路包括驱动信号发生器；所述模式切换子电路包括多个第二开关，所述第二开关的第一端用于连接一个第二电极，所述第二开关的第二端与所述驱动信号发生器连接，所述第二开关的第三端接地；
当处于所述阻抗测量状态时，与所述第一目标电极连接的第二开关的第一端与所述第三端连接；
当处于所述液滴驱动状态时，与所述第二目标电极连接的第二开关的第一端与所述第二端连接。
6.如权利要求5所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述驱动信号发生器包括升压电路以及与所述升压电路连接的高速光耦开关；
所述升压电路用于将输入电压转换为目标电压，并通过所述高速光耦开关将所述目标电压输出至所述第二电极；其中，所述目标电压的幅值取值范围为[50V,300V]，频率的取值范围为[1Hz,10kHz]。
7.如权利要求1所述的数字微流控芯片的液滴测控电路，其特征在于，所述主控芯片包括通信组件，所述主控芯片通过所述通信组件与外部设备通信连接。
8.一种可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控系统包括数字微流控芯片以及如权利要求1-7中任一项所述的液滴测控电路；
所述液滴测控电路与所述数字微流控芯片连接。
9.如权利要求8所述的可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控芯片包括第一极板和与所述第一极板平行设置的第二极板；
所述第一极板包括依次设置的第一基底、第一电极和第一疏水层；
所述第二极板包括依次设置的第二疏水层、介电层、第二电极和第二基底；
所述第一疏水层与所述第二疏水层之间具有间隙，所述间隙用于容纳待测样本。
10.如权利要求9所述的可寻址的液滴阻抗测量数字微流控系统，其特征在于，所述第一基底和所述第二基底的材质均为第一绝缘材料，所述介电层为第二绝缘材料，所述第二绝缘材料的绝缘性高于所述第一绝缘材料的绝缘性，所述第一疏水层和所述疏水层的材质均为疏水材料。
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