基于智能手機(jī)壓電基片上微液滴位置分析

章 安 良(武夷學(xué)院 微電子系，福建 武夷山 354300)

0 引言

微流系統(tǒng)因其具有生化試劑消耗量小，分析時(shí)間短及人為引入誤差小等優(yōu)點(diǎn)而得到研究，并被廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域[1-2]。與連續(xù)微流體相比，數(shù)字微流體(微液滴)[3-4]具有更小的試劑消耗量，操作便捷、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。確定微液滴位置是微流分析的重要前提，是完成其混合、反應(yīng)等微流操作的必要條件[6-7]。

已有專(zhuān)家開(kāi)展了微液滴位置分析研究，并報(bào)道了多種檢測(cè)微液滴位置的方法。如Miguel Angel Murran等[8]提出通過(guò)獲取相鄰兩電極電容比率來(lái)動(dòng)態(tài)確定基片上微液滴位置。Yiyan Li等[9]提出并設(shè)計(jì)了電容敏感電路進(jìn)行基片上微液滴位置檢測(cè)，并采用200 V、 500 Hz的調(diào)制脈沖電壓進(jìn)行3 μL微液滴在基片上輸運(yùn)和定位實(shí)驗(yàn)。Shiraz Sohail等[10]在傳統(tǒng)的基于介電電潤(rùn)濕(EWOD)原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極輸出電壓檢測(cè)微液滴位置。上述微液滴操作及定位方法可有效實(shí)現(xiàn)微液滴位置分析，但需外加控制和檢測(cè)電路，增加了微流分析成本。

壓電微流系統(tǒng)是建立在壓電基片上的數(shù)字微流系統(tǒng)[11-12]，它充分應(yīng)用聲表面波(SAW)的微流驅(qū)動(dòng)能力，快速發(fā)展并成為微流分析領(lǐng)域的一個(gè)重要分支[13]。微液滴可在壓電基片上實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)、混合、萃取、分離及分裂等微流操作[14-15]，主要通過(guò)檢測(cè)叉指換能器(IDT)對(duì)上振蕩頻率的變化來(lái)確定微液滴在壓電基片上的位置[16-17]。該方法需要外加放大電路，以便與IDT對(duì)構(gòu)成振蕩電路，通過(guò)振蕩頻率變化量檢測(cè)微液滴位置。隨著IDT對(duì)增加，外電路復(fù)雜度及分析成本也增加，但有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。本文提出了在壓電基片上基于智能手機(jī)的微液滴位置檢測(cè)方法，它不需外電路，降低了分析成本。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 SAW驅(qū)動(dòng)微液滴原理

SAW是壓電基片上傳播的彈性波，它由施加了合適頻率電信號(hào)的IDT激發(fā)。IDT激發(fā)SAW強(qiáng)度由施加于其上的電信號(hào)功率決定。當(dāng)壓電基片上SAW遇到微液滴時(shí)，在IDT上產(chǎn)生聲輻射力，驅(qū)動(dòng)微液滴沿SAW傳播方向運(yùn)動(dòng)。SAW驅(qū)動(dòng)微液滴示意圖如圖1所示。

圖1 聲表面波驅(qū)動(dòng)微液滴示意圖

圖1中，SAW遇到壓電基片上微液滴，以瑞利角θR向微液滴輻射聲流力，驅(qū)動(dòng)微液滴在基片表面運(yùn)動(dòng)，為壓電微流操作及微流分析提供基礎(chǔ)。

1.2 壓電基片上微液滴識(shí)別及定位算法

為了確定微液滴在壓電基片上的位置，首先需要識(shí)別壓電基片上微液滴，為此，提出了壓電基片上微液滴的識(shí)別方法。選定區(qū)域內(nèi)的所有像素R、G、B(其中，R表示紅色，G表示綠色，B表示藍(lán)色)值，并計(jì)算其平均值為

(1)

對(duì)于滿足像素平均值小于一定閾值(目標(biāo)微液滴像素均值)的像素點(diǎn)，結(jié)合坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)元素(xi,yj, avgRGB(i,j))存儲(chǔ)于對(duì)象集合Apiexl{}中。對(duì)集合Apiexl{}中所有對(duì)象元素，計(jì)算其坐標(biāo)距離：

d(k,t)={[Apiexl(k)·x-Apiexl(t)·x]2+

[Apiexl(k)·y-Apiexl(t)·y]2}1/2

(2)

根據(jù)距離d(k,t)和集合元素個(gè)數(shù)可識(shí)別壓電基片上目標(biāo)微液滴。

微液滴位置(Lx,Ly)可根據(jù)下式確定：

(3)

(4)

式中：Apiexl(m)·x,Apiexl(n)·x分別為微液滴在x方向最小值和最大值；Apiexl(p)·y,Apiexl(q)·y分別為微液滴在y方向最小值和最大值。

結(jié)合式(2)、(3)及微液滴輸運(yùn)時(shí)間，即可確定壓電基片上微液滴輸運(yùn)速度：

(5)

式中：Lx1,Lx2為兩個(gè)不同時(shí)刻微液滴在x方向位置；t為微液滴在兩時(shí)刻的輸運(yùn)時(shí)間。

1.3 app開(kāi)發(fā)

根據(jù)所提出微液滴識(shí)別和定位算法，采用1 300萬(wàn)高清攝像頭，8核CPU的OPPO PBAM00智能手機(jī)進(jìn)行壓電基片上微液滴識(shí)別、定位的app開(kāi)發(fā)，其測(cè)試運(yùn)行的界面如圖2所示。

圖2 app進(jìn)行壓電基片上微液滴識(shí)別及定位的運(yùn)行界面

圖2(a)為app運(yùn)行后的界面，點(diǎn)擊“START”按鈕，記錄微液滴運(yùn)行視頻，時(shí)間長(zhǎng)度在Text_1文本框中顯示。點(diǎn)擊“PLAY”按鈕，對(duì)記錄的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，播放的當(dāng)前時(shí)間在Text_2文本框中顯示。點(diǎn)擊“ANAL”按鈕，實(shí)現(xiàn)各時(shí)刻圖像數(shù)據(jù)捕獲，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。圖2(b)界面可進(jìn)行人為選擇不同分析時(shí)刻，以便獲取不同時(shí)刻壓電基片上微液滴位置及輸運(yùn)速度。其中，“inti”和“termin”分別為輸入開(kāi)始和結(jié)束的分析時(shí)間點(diǎn)，點(diǎn)擊按鈕“FROM”和按鈕“To”分別進(jìn)行開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的液滴識(shí)別和位置確定。為了加快分析速度，采用按鈕“Sel”選擇分析區(qū)域。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證所提出微液滴識(shí)別和位置確定方法的正確性，以5 μL黑色墨水溶液微液滴為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在壓電基片的IDT上施加功率為27.5 dBm電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)黑色墨水溶液微液滴在基片上輸運(yùn)，分析不同時(shí)刻微液滴坐標(biāo)位置和輸運(yùn)速度。圖3為輸入的開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻應(yīng)用開(kāi)發(fā)的app分析得到的微液滴坐標(biāo)及此時(shí)間段內(nèi)平均輸運(yùn)速度。圖3(a)是單擊“Sel”按鈕后，選擇待分析區(qū)域，以提高分析速度。圖3(b)是輸入的初始時(shí)刻(2 s)app完成的微液滴識(shí)別及其位置坐標(biāo)。圖3(c)是輸入的結(jié)束時(shí)刻(10 s)app完成的微液滴識(shí)別、位置坐標(biāo)及期間的平均輸運(yùn)速度(約為0.416 mm/s)。

圖3 壓電基片上微液滴在開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻微液滴識(shí)別及坐標(biāo)

由圖3可知，識(shí)別的微液滴輪廓(紅色邊界)與微液滴基本重合，驗(yàn)證了所提算法的正確性。為進(jìn)一步驗(yàn)證所測(cè)定位置的正確性，采用圖像分析軟件對(duì)初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的液滴坐標(biāo)分別進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，圖像分析測(cè)試結(jié)果與自行開(kāi)發(fā)的app分析定位結(jié)果一致，驗(yàn)證了所提出微液滴位置測(cè)定方法的正確性。

圖4 圖像分析軟件對(duì)開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻微液滴坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果

為進(jìn)一步分析微液滴在分析時(shí)間段內(nèi)輸運(yùn)軌跡，采用開(kāi)發(fā)的app分析了不同時(shí)刻微液滴坐標(biāo)位置，如圖5所示。

圖5 采用自行開(kāi)發(fā)app測(cè)量的微液滴各時(shí)刻坐標(biāo)值

由圖5可知，在開(kāi)始時(shí)刻，如2～6 s微液滴x坐標(biāo)值變化較大，6 s后變化較小，主要原因是SAW幅度隨傳播距離而發(fā)生衰減，同時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出功率略有波動(dòng)，導(dǎo)致8～9 s間還有一定的輸運(yùn)距離。此外，微液滴在壓電基片上縱向方向略有變化，說(shuō)明壓電基片表面疏水層不均勻，使微液滴在縱向方向上發(fā)生偏移。

為進(jìn)一步分析微液滴輸運(yùn)速度，采用開(kāi)發(fā)的app進(jìn)行不同時(shí)間點(diǎn)和不同時(shí)間片段的輸運(yùn)速度測(cè)量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 采用app測(cè)量的微液滴各時(shí)刻速度值

由圖6可知，第2 s作為初始時(shí)間，各時(shí)刻作為結(jié)束時(shí)間，其平均速度逐漸減少；而各時(shí)刻前1 s作為初始時(shí)間，各時(shí)刻作為結(jié)束時(shí)間，則各時(shí)刻速度值發(fā)生跳變，與圖5的微液滴坐標(biāo)相符。

由圖5、6可詳細(xì)掌握微液滴具體運(yùn)動(dòng)軌跡和輸運(yùn)速度，為SAW驅(qū)動(dòng)微液滴的特性分析提供了技術(shù)支撐，并為后續(xù)壓電基片上微流分析提供基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了基于智能手機(jī)的壓電基片上微液滴識(shí)別及位置測(cè)定的應(yīng)用軟件，提出了基于顏色信息和微液滴幾何信息識(shí)別微液滴方法，并進(jìn)一步確定微液滴動(dòng)態(tài)位置及輸運(yùn)速度。采用黑色墨水溶液微液滴為研究對(duì)象，應(yīng)用自行開(kāi)發(fā)的app進(jìn)行壓電基片上微液滴識(shí)別和定位實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出方法和所開(kāi)發(fā)app的正確性。