實驗名稱：基于高壓放大器的介電泳分選

研究方向：滴液分選

測試原理：

在非均勻電場中，介電體表面感生出的正負(fù)電荷處于不同場強的位置上在它受到的合力大于一定值時就會被拉向強電場方向。

測試設(shè)備：ATA-7030高壓放大器、高壓氮氣瓶、恒壓微流泵、PC機、FEP管、流阻、基于介電泳的微流控芯片、水純化系統(tǒng)、15mL康林管

圖1：介電泳的液滴分選系統(tǒng)

實驗過程：

基于介電泳的液滴分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖圖1所示，黃色流道1、2、3是油相流道，藍(lán)色流道4、5、6是水相流道。FEP管道和流阻依然使用流動聚焦法產(chǎn)生液滴，液滴產(chǎn)生后會流向流阻較小的流道出口2。當(dāng)在正極上施加高壓方波脈沖時，液滴在介電泳力的作用下會被拉到流阻較大的流道出口1。

利用介電泳力進(jìn)行分選，芯片出口處不加任何流阻，僅利用芯片上的流道長度差來形成流阻的差異。先需要生成只向出口2流動的液滴，然后固定油相和水相的氣壓值這樣就使液滴的直徑一致，再施加方波電壓。先保持電壓幅值不變，改變頻率，看是否可以把液滴拉到流道1。之后每改變一個電壓值，就調(diào)節(jié)多種頻率，看介電泳力是否起作用。

由于芯片上生成的液滴均一性比較好，因此液滴在同樣的介電泳力作用下應(yīng)該被全部分選過來。首先考察液滴的分選率(拉到流道1的液滴數(shù)與總液滴數(shù)的比值)。當(dāng)油相氣壓為150mbar水相氣壓為45mbar時，不加電壓時液滴的直徑約為63.7um，液滴生成速率約2.333個每秒。在分別施加500V、800V、1000V、1500V等電壓幅值時分選率隨電壓頻率的變化如下圖圖2所示，可以看出在頻率特別低的時候均無法拉動液滴。

圖2：對于不同的電壓值，液滴分選率隨頻率的變化。

除500V和2500V電壓外，其他幾個電壓下，液滴分選率均隨著頻率增加而增加，都逐漸達(dá)到100%的分選率。而500V電壓在頻率增加后分選率早下降趨勢，說明這個電壓不合適，不能產(chǎn)生足夠的介電泳力。施加2500V的電壓在頻率為80H時液滴就已經(jīng)全部碎裂。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在電壓過高或者頻率過大時，液滴會碎裂成細(xì)小的子液滴。說明想要正常分選需要選擇合適的電壓幅值和頻率，這兩個值并不是越高越好。對于上述直徑為63.7um的液滴，在施加的電壓幅值為800V，頻率為1000Hz時被分選的液滴受力運動的過程如下圖圖3所示，目標(biāo)液滴由紅色圓圈標(biāo)注。圖中兩個黑色的三角形表示兩個金電極的位置。Y型分又結(jié)構(gòu)中，上部流道的流阻小，接廢液池下部流道流阻較大，接收集池。B圖表示目標(biāo)液滴在介電泳力作用下開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖3：電壓幅值800V、頻率1000Hz時直徑63m的液滴的運動過程。時間間隔為02s。

在氣壓為0~450mbar內(nèi)，調(diào)節(jié)不同的氣壓值，選取三種不同的液滴直徑：63.7um60um和53.33m，其中53.33m的液滴對應(yīng)的氣壓為油相450mbar，水相35mbar按照上述方法分別錄制視頻，考察當(dāng)液滴第一次達(dá)到全分選時電壓和頻率的大致關(guān)系所得結(jié)果如下圖圖4所示，可見施加的電壓幅值越高，頻率就需要越低才能實現(xiàn)全分選同一個電壓下，液滴越大則實現(xiàn)全分選需要的頻率越高。

圖4：不同的液滴直徑，全分選時施加的電壓幅值與頻率的關(guān)系

高壓放大器ATA-7030在本實驗中的作用：提供一個可控電壓源，加到微流控芯片上，分析不同電壓下芯片對滴液的分選率。

安泰ATA-7030高壓放大器：

圖：ATA-7030高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯黃昊宇