基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量試劑分配方法及應(yīng)用研究

章維一等

摘要：隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)領(lǐng)域的試劑用量已減小至納升乃至皮升水平，為實現(xiàn)高精度的微量試劑分配，研制了基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的雙通道微量試劑分配系統(tǒng)，以甘油溶液為分配試劑，研究了試劑粘度、微噴嘴出口內(nèi)徑、驅(qū)動頻率和電壓幅值對分配量的影響，在系統(tǒng)參量驅(qū)動電壓為70 V、驅(qū)動頻率為4 Hz、微噴嘴出口內(nèi)徑為100 μm的條件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，進行混合反應(yīng)實驗，制備具有pH值梯度的3×3磷酸鹽緩沖液微陣列，并加入pH值指示劑，檢測混合后溶液的酸堿性。結(jié)果表明，所制備的pH梯度微陣列樣點直徑相對標準偏差（n=9）為0.8%，樣點反應(yīng)充分、顏色均勻且梯度變化明顯?；谖⒘黧w脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量試劑分配方法分配精度較高、重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同粘度試劑的自動化、并行及微量（pL級）分配，無需獨立的“反應(yīng)池”即可實現(xiàn)多種試劑的微量配比及反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：微量試劑分配；雙通道；微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)

1引言

在蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物篩選和基因測序等生命科學(xué)研究領(lǐng)域，微量生物試劑快速和精確的分配操作已成為不可或缺的實驗手段[1～5]。實驗中常需將一種或多種生化試劑按不同體積轉(zhuǎn)移到同一微孔內(nèi)進行反應(yīng)分析。隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)實驗通量化要求的不斷提高，單次實驗中試劑用量不斷減少，對試劑分配的速度、精度等提出了更高的要求。開展分配試劑體積?。{升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自動化微量分配技術(shù)研究，對提高試劑分配精度及分析效率，降低昂貴試劑的消耗使成本降低，縮短試劑間的反應(yīng)時間，從而促進生物工程領(lǐng)域?qū)嶒灱夹g(shù)水平的提高，具有重要意義[6～9]。

目前，自動化微量試劑操作方法主要有接觸式和非接觸式兩種分配方式。接觸式分配方法是將噴嘴與微孔板接觸，依靠界面力作用將試劑轉(zhuǎn)移到微孔板內(nèi)，該方法簡單靈活，但是分配時針尖與基板接觸可能會帶來污染，并且當分配體積小至納升級別時，難以實現(xiàn)精確分配[10]。

非接觸式試劑分配方法中噴嘴無需與基板接觸，而是依靠外力提供足夠的能量使液滴克服表面張力、粘度等的影響從噴嘴中噴出。相比接觸式分配方法，分配速度快，不易污染，分配試劑體積更小，得到廣泛應(yīng)用，成為微量生物試劑分配的主要方式。目前的非接觸式微量分配技術(shù)根據(jù)驅(qū)動原理的不同主要可分為容積式壓電驅(qū)動、熱泡式驅(qū)動、氣體壓力直接驅(qū)動式等驅(qū)動類型：容積式壓電驅(qū)動是利用壓電陶瓷的在電壓脈沖下變形使腔體體積變化擠壓試劑從噴嘴噴出，響應(yīng)速度快、頻響范圍寬，分配體積可達皮升級，但壓電式噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，不易拆卸與維修，一旦噴嘴被堵，會造成較大經(jīng)濟損失[11]。熱氣泡式噴射技術(shù)驅(qū)動原理簡單易行、可實現(xiàn)噴嘴陣列的高密度集成，然而噴射時需要加熱，會影響生物樣品活性[12]。氣體壓力直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單， 適用性廣， 可在較高溫工作； 然而，隨著液體腔液面逐漸下降會出現(xiàn)噴射不穩(wěn)定現(xiàn)象， 液滴可控性較差[13]。

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)也可稱為微流體數(shù)字化技術(shù)，通過簡潔的無熱源、無閥的微分配系統(tǒng)滿足試劑的微量（皮升級）分配[14]。為了解決現(xiàn)有的微量試劑分配技術(shù)中存在的問題，本實驗研制基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的精確分配系統(tǒng)，實現(xiàn)微量試劑的雙通道并行和自動化分配，研究多種參數(shù)對分配量的影響，對磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）進行了不同比例混合及反應(yīng)，以制備pH梯度溶液微陣列。

2基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)以脈沖慣性力作為液體噴射的主動力，其中脈沖慣性力可以通過各種撞擊、振動等方式產(chǎn)生[14]。由于壓電器件產(chǎn)生脈沖慣性力的方式具有響應(yīng)頻率高、電壓位移動態(tài)響應(yīng)好等特點，因此本研究采用壓電致動器作為動力源，產(chǎn)生微流體脈沖慣性力；微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量包括：驅(qū)動電壓波形（驅(qū)動波形）、驅(qū)動頻率f、電壓幅值U、微噴嘴出口內(nèi)徑d； 通過給壓電致動器加載驅(qū)動波形，驅(qū)動壓電致動器來產(chǎn)生脈沖慣性力，波形為“陡升緩降”波形[15]，如圖1所示，在電壓從0 V瞬間上升至電壓幅值時， 壓電致動器產(chǎn)生先正后負的加速度，產(chǎn)生慣性力并傳遞至微噴嘴，可通過改變電壓幅值來改變壓電致動器加速度的大小，以控制脈沖慣性力的大小，從而精準地控制單次噴射液體的體積；裝置上既無微可動件， 又無嵌入式微電路，可靠性高、抗固粒堵塞、氣泡阻斷，工作條件利于保持生物活性，結(jié)構(gòu)簡單、成本低[16]。

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，微噴嘴通過連接塊與壓電致動器可動端固連在一起，壓電致動器在驅(qū)動波形的作用下帶動微噴嘴一起振動，從而產(chǎn)生微液滴。微噴嘴尾部連有壓力調(diào)節(jié)裝置，產(chǎn)生正壓或負壓，以實現(xiàn)微噴嘴的供液、排液及清洗；數(shù)碼顯微鏡用于實時監(jiān)測分配狀態(tài)。

系統(tǒng)的控制電路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）內(nèi)置的32位軟核作處理器，可以產(chǎn)生兩路驅(qū)動波形。上位機發(fā)送控制字與數(shù)據(jù)，通過RS232接口與下位機通信，驅(qū)動波形的電壓幅值及頻率可調(diào)，電壓幅值可調(diào)范圍：0～80 V， 驅(qū)動頻率可調(diào)范圍：1～256 Hz，波形經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動壓電致動器。二維工作臺與驅(qū)動波形聯(lián)動，其聯(lián)動方式為：二維工作臺運動至某一位置點后，單通道/雙通道產(chǎn)生單個/多個驅(qū)動波形驅(qū)動壓電致動器，生成的液滴由放在二維運動工作臺上的基板接收，然后電機運行至下一位置，如此反復(fù)，完成試劑在每一位置的精確分配。

微噴嘴為分配系統(tǒng)的重要器件，采用硼硅酸鹽玻璃毛細管作為材料，具有良好的耐腐蝕性。制作過程為：激光光束照射到玻璃毛細管中間位置，對玻璃毛細管加熱，當溫度達到預(yù)定溫度時，在玻璃毛細管兩端的拉力作用下，玻璃毛細管被拉長。為了拉制出所需形貌的微噴嘴，可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度、加熱時間和加熱區(qū)域長度等參數(shù)，在鍛制儀上截斷拉制的微噴嘴，最終得到任意出口內(nèi)徑的微噴嘴。圖2所示為鍛制好的微噴嘴實物的顯微照片，微噴嘴出口內(nèi)徑d=100 μm，本研究中統(tǒng)一使用前收縮角θ1=35°，后收縮角θ2=3.9°的微噴嘴。

3結(jié)果與討論

基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法中，影響單次分配體積的因素有：微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量、分配試劑粘度和傾斜角度（微噴嘴與豎直方向夾角）等，其中分配試劑粘度、驅(qū)動頻率、電壓幅值與微噴嘴出口內(nèi)徑對單次噴射量影響顯著[15]。因此， 統(tǒng)一采用傾斜角度為15°，針對不同粘度試劑，選用不同出口內(nèi)徑的微噴嘴，在不同驅(qū)動頻率及電壓幅值下進行基礎(chǔ)實驗。在此實驗的基礎(chǔ)上使用磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）制備具有pH梯度的微陣列。

需對玻璃或陶瓷基板（白色）進行疏水化處理，以獲得更好的液滴圓整度和更大的液滴接觸角，且使系統(tǒng)對兩種溶液進行分配時兩種溶液能夠更充分地混合及反應(yīng)。目前構(gòu)造具有疏水化性能的表面主要通過兩種途徑：一種是在構(gòu)造出的粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)；另一種是在具有低表面能物質(zhì)的表面上構(gòu)造出粗糙表面。本研究采用溶膠凝膠法制備疏水化薄膜，以氨基丙烯酸樹脂為成膜樹脂，二甲苯為溶劑，與SiO2納米粒子高速剪切攪拌混合，靜置、沉化后， 即制得溶膠懸浮液。采用噴涂的方法，將制成的懸浮液均勻涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，靜置一段時間后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂層的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴體積測量方法

在現(xiàn)有的分辨率可達皮升級的微量生物試劑分配系統(tǒng)中，實際分配操作時都未在靠近出液口附近檢測實際的液體轉(zhuǎn)移量，本系統(tǒng)亦為開環(huán)控制。

為了精確控制分配液體的體積，需要對單次分配的微液滴體積進行測量，由于液滴體積較小，直接進行質(zhì)量測量或傳統(tǒng)的體積測量方式難以精確測量出分配的液體體積，采用的測量方法為：將液滴噴入香柏油中，由于液滴與香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈現(xiàn)為清楚的可分辨的球體，如圖3所示。利用顯微圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過圖像采集卡，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至計算機進行圖像處理，對多個液滴進行數(shù)據(jù)采樣，計算出噴射液滴的平均直徑，得出分配體積的大小。

摘要：隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)領(lǐng)域的試劑用量已減小至納升乃至皮升水平，為實現(xiàn)高精度的微量試劑分配，研制了基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的雙通道微量試劑分配系統(tǒng)，以甘油溶液為分配試劑，研究了試劑粘度、微噴嘴出口內(nèi)徑、驅(qū)動頻率和電壓幅值對分配量的影響，在系統(tǒng)參量驅(qū)動電壓為70 V、驅(qū)動頻率為4 Hz、微噴嘴出口內(nèi)徑為100 μm的條件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，進行混合反應(yīng)實驗，制備具有pH值梯度的3×3磷酸鹽緩沖液微陣列，并加入pH值指示劑，檢測混合后溶液的酸堿性。結(jié)果表明，所制備的pH梯度微陣列樣點直徑相對標準偏差（n=9）為0.8%，樣點反應(yīng)充分、顏色均勻且梯度變化明顯?；谖⒘黧w脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量試劑分配方法分配精度較高、重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同粘度試劑的自動化、并行及微量（pL級）分配，無需獨立的“反應(yīng)池”即可實現(xiàn)多種試劑的微量配比及反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：微量試劑分配；雙通道；微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)

1引言

在蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物篩選和基因測序等生命科學(xué)研究領(lǐng)域，微量生物試劑快速和精確的分配操作已成為不可或缺的實驗手段[1～5]。實驗中常需將一種或多種生化試劑按不同體積轉(zhuǎn)移到同一微孔內(nèi)進行反應(yīng)分析。隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)實驗通量化要求的不斷提高，單次實驗中試劑用量不斷減少，對試劑分配的速度、精度等提出了更高的要求。開展分配試劑體積小（納升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自動化微量分配技術(shù)研究，對提高試劑分配精度及分析效率，降低昂貴試劑的消耗使成本降低，縮短試劑間的反應(yīng)時間，從而促進生物工程領(lǐng)域?qū)嶒灱夹g(shù)水平的提高，具有重要意義[6～9]。

目前，自動化微量試劑操作方法主要有接觸式和非接觸式兩種分配方式。接觸式分配方法是將噴嘴與微孔板接觸，依靠界面力作用將試劑轉(zhuǎn)移到微孔板內(nèi)，該方法簡單靈活，但是分配時針尖與基板接觸可能會帶來污染，并且當分配體積小至納升級別時，難以實現(xiàn)精確分配[10]。

非接觸式試劑分配方法中噴嘴無需與基板接觸，而是依靠外力提供足夠的能量使液滴克服表面張力、粘度等的影響從噴嘴中噴出。相比接觸式分配方法，分配速度快，不易污染，分配試劑體積更小，得到廣泛應(yīng)用，成為微量生物試劑分配的主要方式。目前的非接觸式微量分配技術(shù)根據(jù)驅(qū)動原理的不同主要可分為容積式壓電驅(qū)動、熱泡式驅(qū)動、氣體壓力直接驅(qū)動式等驅(qū)動類型：容積式壓電驅(qū)動是利用壓電陶瓷的在電壓脈沖下變形使腔體體積變化擠壓試劑從噴嘴噴出，響應(yīng)速度快、頻響范圍寬，分配體積可達皮升級，但壓電式噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，不易拆卸與維修，一旦噴嘴被堵，會造成較大經(jīng)濟損失[11]。熱氣泡式噴射技術(shù)驅(qū)動原理簡單易行、可實現(xiàn)噴嘴陣列的高密度集成，然而噴射時需要加熱，會影響生物樣品活性[12]。氣體壓力直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單， 適用性廣， 可在較高溫工作； 然而，隨著液體腔液面逐漸下降會出現(xiàn)噴射不穩(wěn)定現(xiàn)象， 液滴可控性較差[13]。

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)也可稱為微流體數(shù)字化技術(shù)，通過簡潔的無熱源、無閥的微分配系統(tǒng)滿足試劑的微量（皮升級）分配[14]。為了解決現(xiàn)有的微量試劑分配技術(shù)中存在的問題，本實驗研制基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的精確分配系統(tǒng)，實現(xiàn)微量試劑的雙通道并行和自動化分配，研究多種參數(shù)對分配量的影響，對磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）進行了不同比例混合及反應(yīng)，以制備pH梯度溶液微陣列。

2基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)以脈沖慣性力作為液體噴射的主動力，其中脈沖慣性力可以通過各種撞擊、振動等方式產(chǎn)生[14]。由于壓電器件產(chǎn)生脈沖慣性力的方式具有響應(yīng)頻率高、電壓位移動態(tài)響應(yīng)好等特點，因此本研究采用壓電致動器作為動力源，產(chǎn)生微流體脈沖慣性力；微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量包括：驅(qū)動電壓波形（驅(qū)動波形）、驅(qū)動頻率f、電壓幅值U、微噴嘴出口內(nèi)徑d； 通過給壓電致動器加載驅(qū)動波形，驅(qū)動壓電致動器來產(chǎn)生脈沖慣性力，波形為“陡升緩降”波形[15]，如圖1所示，在電壓從0 V瞬間上升至電壓幅值時， 壓電致動器產(chǎn)生先正后負的加速度，產(chǎn)生慣性力并傳遞至微噴嘴，可通過改變電壓幅值來改變壓電致動器加速度的大小，以控制脈沖慣性力的大小，從而精準地控制單次噴射液體的體積；裝置上既無微可動件， 又無嵌入式微電路，可靠性高、抗固粒堵塞、氣泡阻斷，工作條件利于保持生物活性，結(jié)構(gòu)簡單、成本低[16]。

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，微噴嘴通過連接塊與壓電致動器可動端固連在一起，壓電致動器在驅(qū)動波形的作用下帶動微噴嘴一起振動，從而產(chǎn)生微液滴。微噴嘴尾部連有壓力調(diào)節(jié)裝置，產(chǎn)生正壓或負壓，以實現(xiàn)微噴嘴的供液、排液及清洗；數(shù)碼顯微鏡用于實時監(jiān)測分配狀態(tài)。

系統(tǒng)的控制電路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）內(nèi)置的32位軟核作處理器，可以產(chǎn)生兩路驅(qū)動波形。上位機發(fā)送控制字與數(shù)據(jù)，通過RS232接口與下位機通信，驅(qū)動波形的電壓幅值及頻率可調(diào)，電壓幅值可調(diào)范圍：0～80 V， 驅(qū)動頻率可調(diào)范圍：1～256 Hz，波形經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動壓電致動器。二維工作臺與驅(qū)動波形聯(lián)動，其聯(lián)動方式為：二維工作臺運動至某一位置點后，單通道/雙通道產(chǎn)生單個/多個驅(qū)動波形驅(qū)動壓電致動器，生成的液滴由放在二維運動工作臺上的基板接收，然后電機運行至下一位置，如此反復(fù)，完成試劑在每一位置的精確分配。

微噴嘴為分配系統(tǒng)的重要器件，采用硼硅酸鹽玻璃毛細管作為材料，具有良好的耐腐蝕性。制作過程為：激光光束照射到玻璃毛細管中間位置，對玻璃毛細管加熱，當溫度達到預(yù)定溫度時，在玻璃毛細管兩端的拉力作用下，玻璃毛細管被拉長。為了拉制出所需形貌的微噴嘴，可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度、加熱時間和加熱區(qū)域長度等參數(shù)，在鍛制儀上截斷拉制的微噴嘴，最終得到任意出口內(nèi)徑的微噴嘴。圖2所示為鍛制好的微噴嘴實物的顯微照片，微噴嘴出口內(nèi)徑d=100 μm，本研究中統(tǒng)一使用前收縮角θ1=35°，后收縮角θ2=3.9°的微噴嘴。

3結(jié)果與討論

基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法中，影響單次分配體積的因素有：微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量、分配試劑粘度和傾斜角度（微噴嘴與豎直方向夾角）等，其中分配試劑粘度、驅(qū)動頻率、電壓幅值與微噴嘴出口內(nèi)徑對單次噴射量影響顯著[15]。因此， 統(tǒng)一采用傾斜角度為15°，針對不同粘度試劑，選用不同出口內(nèi)徑的微噴嘴，在不同驅(qū)動頻率及電壓幅值下進行基礎(chǔ)實驗。在此實驗的基礎(chǔ)上使用磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）制備具有pH梯度的微陣列。

需對玻璃或陶瓷基板（白色）進行疏水化處理，以獲得更好的液滴圓整度和更大的液滴接觸角，且使系統(tǒng)對兩種溶液進行分配時兩種溶液能夠更充分地混合及反應(yīng)。目前構(gòu)造具有疏水化性能的表面主要通過兩種途徑：一種是在構(gòu)造出的粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)；另一種是在具有低表面能物質(zhì)的表面上構(gòu)造出粗糙表面。本研究采用溶膠凝膠法制備疏水化薄膜，以氨基丙烯酸樹脂為成膜樹脂，二甲苯為溶劑，與SiO2納米粒子高速剪切攪拌混合，靜置、沉化后， 即制得溶膠懸浮液。采用噴涂的方法，將制成的懸浮液均勻涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，靜置一段時間后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂層的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴體積測量方法

在現(xiàn)有的分辨率可達皮升級的微量生物試劑分配系統(tǒng)中，實際分配操作時都未在靠近出液口附近檢測實際的液體轉(zhuǎn)移量，本系統(tǒng)亦為開環(huán)控制。

為了精確控制分配液體的體積，需要對單次分配的微液滴體積進行測量，由于液滴體積較小，直接進行質(zhì)量測量或傳統(tǒng)的體積測量方式難以精確測量出分配的液體體積，采用的測量方法為：將液滴噴入香柏油中，由于液滴與香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈現(xiàn)為清楚的可分辨的球體，如圖3所示。利用顯微圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過圖像采集卡，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至計算機進行圖像處理，對多個液滴進行數(shù)據(jù)采樣，計算出噴射液滴的平均直徑，得出分配體積的大小。

摘要：隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)領(lǐng)域的試劑用量已減小至納升乃至皮升水平，為實現(xiàn)高精度的微量試劑分配，研制了基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的雙通道微量試劑分配系統(tǒng)，以甘油溶液為分配試劑，研究了試劑粘度、微噴嘴出口內(nèi)徑、驅(qū)動頻率和電壓幅值對分配量的影響，在系統(tǒng)參量驅(qū)動電壓為70 V、驅(qū)動頻率為4 Hz、微噴嘴出口內(nèi)徑為100 μm的條件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，進行混合反應(yīng)實驗，制備具有pH值梯度的3×3磷酸鹽緩沖液微陣列，并加入pH值指示劑，檢測混合后溶液的酸堿性。結(jié)果表明，所制備的pH梯度微陣列樣點直徑相對標準偏差（n=9）為0.8%，樣點反應(yīng)充分、顏色均勻且梯度變化明顯?；谖⒘黧w脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量試劑分配方法分配精度較高、重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同粘度試劑的自動化、并行及微量（pL級）分配，無需獨立的“反應(yīng)池”即可實現(xiàn)多種試劑的微量配比及反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：微量試劑分配；雙通道；微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)

1引言

在蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物篩選和基因測序等生命科學(xué)研究領(lǐng)域，微量生物試劑快速和精確的分配操作已成為不可或缺的實驗手段[1～5]。實驗中常需將一種或多種生化試劑按不同體積轉(zhuǎn)移到同一微孔內(nèi)進行反應(yīng)分析。隨著生物分析技術(shù)和高通量篩選技術(shù)的發(fā)展，生命科學(xué)實驗通量化要求的不斷提高，單次實驗中試劑用量不斷減少，對試劑分配的速度、精度等提出了更高的要求。開展分配試劑體積?。{升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自動化微量分配技術(shù)研究，對提高試劑分配精度及分析效率，降低昂貴試劑的消耗使成本降低，縮短試劑間的反應(yīng)時間，從而促進生物工程領(lǐng)域?qū)嶒灱夹g(shù)水平的提高，具有重要意義[6～9]。

目前，自動化微量試劑操作方法主要有接觸式和非接觸式兩種分配方式。接觸式分配方法是將噴嘴與微孔板接觸，依靠界面力作用將試劑轉(zhuǎn)移到微孔板內(nèi)，該方法簡單靈活，但是分配時針尖與基板接觸可能會帶來污染，并且當分配體積小至納升級別時，難以實現(xiàn)精確分配[10]。

非接觸式試劑分配方法中噴嘴無需與基板接觸，而是依靠外力提供足夠的能量使液滴克服表面張力、粘度等的影響從噴嘴中噴出。相比接觸式分配方法，分配速度快，不易污染，分配試劑體積更小，得到廣泛應(yīng)用，成為微量生物試劑分配的主要方式。目前的非接觸式微量分配技術(shù)根據(jù)驅(qū)動原理的不同主要可分為容積式壓電驅(qū)動、熱泡式驅(qū)動、氣體壓力直接驅(qū)動式等驅(qū)動類型：容積式壓電驅(qū)動是利用壓電陶瓷的在電壓脈沖下變形使腔體體積變化擠壓試劑從噴嘴噴出，響應(yīng)速度快、頻響范圍寬，分配體積可達皮升級，但壓電式噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，不易拆卸與維修，一旦噴嘴被堵，會造成較大經(jīng)濟損失[11]。熱氣泡式噴射技術(shù)驅(qū)動原理簡單易行、可實現(xiàn)噴嘴陣列的高密度集成，然而噴射時需要加熱，會影響生物樣品活性[12]。氣體壓力直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單， 適用性廣， 可在較高溫工作； 然而，隨著液體腔液面逐漸下降會出現(xiàn)噴射不穩(wěn)定現(xiàn)象， 液滴可控性較差[13]。

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)也可稱為微流體數(shù)字化技術(shù)，通過簡潔的無熱源、無閥的微分配系統(tǒng)滿足試劑的微量（皮升級）分配[14]。為了解決現(xiàn)有的微量試劑分配技術(shù)中存在的問題，本實驗研制基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的精確分配系統(tǒng)，實現(xiàn)微量試劑的雙通道并行和自動化分配，研究多種參數(shù)對分配量的影響，對磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）進行了不同比例混合及反應(yīng)，以制備pH梯度溶液微陣列。

2基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法

微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)以脈沖慣性力作為液體噴射的主動力，其中脈沖慣性力可以通過各種撞擊、振動等方式產(chǎn)生[14]。由于壓電器件產(chǎn)生脈沖慣性力的方式具有響應(yīng)頻率高、電壓位移動態(tài)響應(yīng)好等特點，因此本研究采用壓電致動器作為動力源，產(chǎn)生微流體脈沖慣性力；微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量包括：驅(qū)動電壓波形（驅(qū)動波形）、驅(qū)動頻率f、電壓幅值U、微噴嘴出口內(nèi)徑d； 通過給壓電致動器加載驅(qū)動波形，驅(qū)動壓電致動器來產(chǎn)生脈沖慣性力，波形為“陡升緩降”波形[15]，如圖1所示，在電壓從0 V瞬間上升至電壓幅值時， 壓電致動器產(chǎn)生先正后負的加速度，產(chǎn)生慣性力并傳遞至微噴嘴，可通過改變電壓幅值來改變壓電致動器加速度的大小，以控制脈沖慣性力的大小，從而精準地控制單次噴射液體的體積；裝置上既無微可動件， 又無嵌入式微電路，可靠性高、抗固粒堵塞、氣泡阻斷，工作條件利于保持生物活性，結(jié)構(gòu)簡單、成本低[16]。

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，微噴嘴通過連接塊與壓電致動器可動端固連在一起，壓電致動器在驅(qū)動波形的作用下帶動微噴嘴一起振動，從而產(chǎn)生微液滴。微噴嘴尾部連有壓力調(diào)節(jié)裝置，產(chǎn)生正壓或負壓，以實現(xiàn)微噴嘴的供液、排液及清洗；數(shù)碼顯微鏡用于實時監(jiān)測分配狀態(tài)。

系統(tǒng)的控制電路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）內(nèi)置的32位軟核作處理器，可以產(chǎn)生兩路驅(qū)動波形。上位機發(fā)送控制字與數(shù)據(jù)，通過RS232接口與下位機通信，驅(qū)動波形的電壓幅值及頻率可調(diào)，電壓幅值可調(diào)范圍：0～80 V， 驅(qū)動頻率可調(diào)范圍：1～256 Hz，波形經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動壓電致動器。二維工作臺與驅(qū)動波形聯(lián)動，其聯(lián)動方式為：二維工作臺運動至某一位置點后，單通道/雙通道產(chǎn)生單個/多個驅(qū)動波形驅(qū)動壓電致動器，生成的液滴由放在二維運動工作臺上的基板接收，然后電機運行至下一位置，如此反復(fù)，完成試劑在每一位置的精確分配。

微噴嘴為分配系統(tǒng)的重要器件，采用硼硅酸鹽玻璃毛細管作為材料，具有良好的耐腐蝕性。制作過程為：激光光束照射到玻璃毛細管中間位置，對玻璃毛細管加熱，當溫度達到預(yù)定溫度時，在玻璃毛細管兩端的拉力作用下，玻璃毛細管被拉長。為了拉制出所需形貌的微噴嘴，可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度、加熱時間和加熱區(qū)域長度等參數(shù)，在鍛制儀上截斷拉制的微噴嘴，最終得到任意出口內(nèi)徑的微噴嘴。圖2所示為鍛制好的微噴嘴實物的顯微照片，微噴嘴出口內(nèi)徑d=100 μm，本研究中統(tǒng)一使用前收縮角θ1=35°，后收縮角θ2=3.9°的微噴嘴。

3結(jié)果與討論

基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的微量分配方法中，影響單次分配體積的因素有：微流體脈沖驅(qū)動控制系統(tǒng)參量、分配試劑粘度和傾斜角度（微噴嘴與豎直方向夾角）等，其中分配試劑粘度、驅(qū)動頻率、電壓幅值與微噴嘴出口內(nèi)徑對單次噴射量影響顯著[15]。因此， 統(tǒng)一采用傾斜角度為15°，針對不同粘度試劑，選用不同出口內(nèi)徑的微噴嘴，在不同驅(qū)動頻率及電壓幅值下進行基礎(chǔ)實驗。在此實驗的基礎(chǔ)上使用磷酸鹽緩沖液（Na2HPO4KH2PO4）制備具有pH梯度的微陣列。

需對玻璃或陶瓷基板（白色）進行疏水化處理，以獲得更好的液滴圓整度和更大的液滴接觸角，且使系統(tǒng)對兩種溶液進行分配時兩種溶液能夠更充分地混合及反應(yīng)。目前構(gòu)造具有疏水化性能的表面主要通過兩種途徑：一種是在構(gòu)造出的粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)；另一種是在具有低表面能物質(zhì)的表面上構(gòu)造出粗糙表面。本研究采用溶膠凝膠法制備疏水化薄膜，以氨基丙烯酸樹脂為成膜樹脂，二甲苯為溶劑，與SiO2納米粒子高速剪切攪拌混合，靜置、沉化后， 即制得溶膠懸浮液。采用噴涂的方法，將制成的懸浮液均勻涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，靜置一段時間后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂層的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴體積測量方法

在現(xiàn)有的分辨率可達皮升級的微量生物試劑分配系統(tǒng)中，實際分配操作時都未在靠近出液口附近檢測實際的液體轉(zhuǎn)移量，本系統(tǒng)亦為開環(huán)控制。

為了精確控制分配液體的體積，需要對單次分配的微液滴體積進行測量，由于液滴體積較小，直接進行質(zhì)量測量或傳統(tǒng)的體積測量方式難以精確測量出分配的液體體積，采用的測量方法為：將液滴噴入香柏油中，由于液滴與香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈現(xiàn)為清楚的可分辨的球體，如圖3所示。利用顯微圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過圖像采集卡，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至計算機進行圖像處理，對多個液滴進行數(shù)據(jù)采樣，計算出噴射液滴的平均直徑，得出分配體積的大小。