基于電流體動(dòng)力學(xué)的微液滴噴印系統(tǒng)

夏睦威，劉威

（武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430072）

早期的液滴噴印技術(shù)主要有高速攪拌法、逐層組裝法和界面聚合燈法，這些傳統(tǒng)的液滴噴印技術(shù)均采用推擠式的驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式所產(chǎn)生的能量有限，隨著噴嘴尺寸的減小，噴印液滴所需要的壓力增大，而液體粘度則使噴嘴更容易發(fā)生阻塞，也難以實(shí)現(xiàn)高分辨率的噴印。

電流體動(dòng)力學(xué)噴印技術(shù)是一種制備微液滴的新技術(shù)。這種技術(shù)由于可以用較大的針頭實(shí)現(xiàn)高分辨的噴印，能有效降低堵頭的風(fēng)險(xiǎn)。使用這種技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作，例如目前已經(jīng)商業(yè)化的微滴式數(shù)字PCR（Polymerase Chain Reaction，聚合酶鏈反應(yīng)）系統(tǒng)，在藥物篩選、細(xì)胞檢測(cè)、臨床診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。PCR 因獨(dú)特的核酸體外擴(kuò)增能力，成為生命科學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)領(lǐng)域的支撐技術(shù)[4]。

基于現(xiàn)有微液滴噴印技術(shù)存在的缺陷，文中提供一種操作簡(jiǎn)單，能夠利用單根針管一次噴印大量獨(dú)立在接收板上互不相融的微液滴的噴印系統(tǒng)。該系統(tǒng)的XY 平臺(tái)控制模塊由基于“Visual Studio 2015”環(huán)境開發(fā)的上位機(jī)用戶操作界面控制，能夠?qū)崿F(xiàn)噴印位置的精準(zhǔn)定位。該系統(tǒng)還附帶相機(jī)檢測(cè)模塊，用于幫助操作人員直觀、方便地觀察微液滴的噴印情況。

1 微液滴噴印模塊框架設(shè)計(jì)

微液滴噴印模塊的功能主要為微液滴的生成、分割、融合[5]。微液滴噴印模塊包含背壓控制裝置、微液滴的發(fā)射與接收裝置和電場(chǎng)發(fā)生裝置。噴印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，噴印系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 噴印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴印系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)噴印微液滴的過程可描述為向原料試劑中添加適量表面活性水試劑，接著將試劑注入針管內(nèi)，通過控制微液滴噴印裝置的壓力提供裝置來(lái)給針頭提供背壓。在背壓的作用下，針頭中的原料試劑被擠向針尖處。高壓發(fā)生裝置產(chǎn)生一定的電壓，并加在針頭和下電極板之間形成電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，針尖處液滴的半月板被拉伸并形成泰勒錐，最后粉碎成大量微液滴，被收集于下電極板表面的接收油試劑上。由于表面活性水試劑和接收油試劑的作用，大量微液滴在收集之后不會(huì)融合，最終形成大量相互獨(dú)立的微液滴[6]。

1.1 背壓控制裝置

背壓控制裝置主要由空氣泵、精密氣壓控制器和空氣管道組成?？諜C(jī)泵是一個(gè)空氣壓縮機(jī)，通過對(duì)空氣壓縮提供一個(gè)高壓的空氣流，該高壓空氣輸入到精密氣壓控制器的輸入口，氣壓經(jīng)過調(diào)整之后按照需求輸出指定壓強(qiáng)值氣壓到針頭，實(shí)現(xiàn)恒壓進(jìn)料。

精密氣壓控制器選用日本SMC 公司的電氣比例閥ITV0000 系列的產(chǎn)品，具體型號(hào)為ITV003，電壓為DC 0～5 V。該壓力控制器輸入氣壓大于0.5 MPa，在輸入直流電壓的控制下，可以精確控制輸出氣壓在0.000 1～0.5 MPa 之間。該電氣比例閥的原理框圖如圖3 所示。

圖3 電氣比例閥原理框圖

1.2 微液滴的發(fā)射與接收裝置

微液滴的發(fā)射與接收裝置主要由試劑腔、導(dǎo)電針管、下電極板和接收油試劑組成。在微液滴的發(fā)射與接收模塊中，原料試劑被存儲(chǔ)在試劑腔中。在背壓的作用下，試劑被推到導(dǎo)電針管中并在針頭形成待發(fā)射的液滴，油面接收板位于針頭的正下方5～10 mm 左右，用來(lái)接收微液滴。由于微液滴是在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下噴射出來(lái)，因此需要建立電場(chǎng)。電場(chǎng)的建立需要兩個(gè)電極，上電極直接由不銹鋼針管充當(dāng)，下電極通過一個(gè)5 cm×10 cm 大小的覆銅板實(shí)現(xiàn)。通過在針頭和覆銅板之間加上高壓，就可以在針頭和覆銅板之間形成電場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)微液滴的形成。由于針頭內(nèi)徑的大小與噴出來(lái)的微液滴的直徑大小成正相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)盡可能小的液滴直徑，采用32G 的針頭，即內(nèi)徑90 μm、外徑0.24 mm。

1.3 電場(chǎng)發(fā)生裝置

電場(chǎng)發(fā)生裝置主要由信號(hào)源、高壓放大器和屏蔽線組成。電場(chǎng)發(fā)生裝置中信號(hào)源輸出一個(gè)疊加一定直流的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大至數(shù)千伏之后將正極接至導(dǎo)電針管上，負(fù)極接至下電極板上，進(jìn)而在針頭和接收板之間形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。在直流電壓形成的電場(chǎng)作用下，試劑中的正電荷不斷積聚在針頭上待噴印的液滴表面，并且液滴表面的半月板被拉伸形成泰勒錐，在隨后脈沖電壓的作用下，液滴墜落并最終粉碎成大量微液滴被收集于接收油試劑上。

信號(hào)源采用的是RIGOL 的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器DG1062，該信號(hào)發(fā)生器可以輸出正弦波、方波等周期性波形，還可以輸出直流信號(hào)。

高壓放大器選用的是美國(guó)TREK 公司的model 610E 信號(hào)高壓放大器，該儀器不僅支持最大1 000倍放大輸入信號(hào)，還可以直接用作高壓電源或高壓控制器。由于該系統(tǒng)所需要的控制電壓波形比較復(fù)雜，因此只用該裝置來(lái)放大來(lái)自信號(hào)源的信號(hào)。

2 相機(jī)監(jiān)測(cè)模塊

相機(jī)監(jiān)測(cè)模塊主要由LED 燈和CCD（Charge Coupled Device，電荷藕合器件圖像傳感器）組成，相機(jī)監(jiān)測(cè)模塊的CCD 成像系統(tǒng)用于精準(zhǔn)捕捉微液滴的形成及斷裂過程，對(duì)研究影響微液滴噴印參數(shù)有十分重要的意義[7]。該監(jiān)測(cè)相機(jī)為一個(gè)有放大功能的顯微相機(jī)。

3 XY平臺(tái)控制模塊

微液滴噴印裝置中的XY 平臺(tái)控制系統(tǒng)基于GitHub 上開源控制系統(tǒng)GRBL 設(shè)計(jì)而成，主要完成了對(duì)G 代碼的解析和直線及圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。以下將詳細(xì)地介紹XY 平臺(tái)控制模塊的總體設(shè)計(jì)及構(gòu)成。XY 平臺(tái)控制模塊總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 XY平臺(tái)控制模塊總體設(shè)計(jì)流程

3.1 上位機(jī)用戶界面

該設(shè)計(jì)以Microsoft 公司推出的“Visual Studio 2015”作為開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行上位機(jī)調(diào)試軟件的開發(fā)。

該系統(tǒng)專用的上位機(jī)調(diào)試軟件操作界面由串口通信模塊和各部分功能模塊組成。上位機(jī)的主要功能是通過串口給下位機(jī)發(fā)送G 代碼，下位機(jī)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并且監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，反饋到上位機(jī)中顯示。下位機(jī)接收到G 代碼之后，通過算法解析G代碼的具體指令，并翻譯成電機(jī)控制參數(shù)，從而控制XY 二軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按照預(yù)定好的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)XY平臺(tái)的準(zhǔn)確移動(dòng)。

3.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)接收并解析上位機(jī)發(fā)來(lái)的G 指令，最終控制XY 平臺(tái)的準(zhǔn)確移動(dòng)。下位機(jī)的控制器使用正點(diǎn)原子的戰(zhàn)艦開發(fā)板，MCU型號(hào)為STM32F407。該系統(tǒng)是在GitHub 上開源的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)GRBL 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，因此整個(gè)下位機(jī)軟件的核心就是GRBL 控制代碼。其中最主要的幾個(gè)文件包括底層串口通信模塊文件、系統(tǒng)狀態(tài)切換控制模塊文件、G 代碼解析執(zhí)行模塊文件、運(yùn)動(dòng)控制模塊文件、運(yùn)動(dòng)速度規(guī)劃模塊文件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊文件。

3.2.1 USART串口收發(fā)控制

系統(tǒng)中上位機(jī)和控制板之間的數(shù)據(jù)通信是通過串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)的串口模塊主要完成兩個(gè)功能：

1）在接收數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)上的G 代碼或系統(tǒng)指令通過串口發(fā)送到STM32F407 單片機(jī)。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后會(huì)觸發(fā)串口接收中斷，在接收中斷中根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)類型執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作：如果接收到的是系統(tǒng)指令，則直接執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，執(zhí)行完退出；如果接收到的數(shù)據(jù)不是系統(tǒng)指令（G 指令代碼），則將接收到的數(shù)據(jù)存入接收循環(huán)隊(duì)列里面，等待下一個(gè)模塊取出數(shù)據(jù)執(zhí)行下一步操作。

2）在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)單片機(jī)需要向上位機(jī)反饋一些必要消息時(shí)，先將數(shù)據(jù)存入串口發(fā)送循環(huán)隊(duì)列，如果隊(duì)列非空，則開啟串口發(fā)送寄存器空中斷，觸發(fā)串口發(fā)送中斷，在中斷中發(fā)送相應(yīng)的反饋信息，直到發(fā)送隊(duì)列的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，關(guān)閉發(fā)送寄存器空中斷。

3.2.2 協(xié)議解析

整個(gè)GRBL 軟件控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)是通過一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這部分的控制由protocol模塊完成。該模塊主要完成兩個(gè)功能：

1）獲取G 代碼命令幀。在串口模塊中，串口接收到G 指令代碼之后只是將代碼字符連續(xù)不斷地存放在接收隊(duì)列中。協(xié)議解析模塊需要讀取出接收隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，并按照一定的規(guī)則解析出一條完整的G 代碼命令幀，之后將這一幀完整的G 指令交由G 代碼解析模塊解析并執(zhí)行。

2）在串口接收隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)都處理完畢后，便進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)的處理模塊中，該模塊根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或者切換相應(yīng)的狀態(tài)。

3.2.3 G代碼解析

在協(xié)議解析模塊中提取出一幀完整的G 指令之后，就調(diào)用G 代碼解析模塊。G 代碼解析模塊主要完成3 個(gè)功能：

1）一行完整的G 代碼主要由字母和數(shù)字組成，每一個(gè)字母和每一個(gè)數(shù)字所表達(dá)的含義都有所不同，因此首先需要根據(jù)當(dāng)前獲取的字母和數(shù)字分別解析其對(duì)應(yīng)的具體含義或所表示的具體動(dòng)作，并將解析結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。

2）在按照字母和數(shù)字分別解析完各自含義之后，需要作校驗(yàn)處理，比如在運(yùn)動(dòng)之前需要先指定運(yùn)動(dòng)速度等。一條G 指令的正常執(zhí)行需要滿足一些基本的條件，因此需要提前作校驗(yàn)處理。同時(shí)為了防止錯(cuò)誤G 代碼的出現(xiàn)，也需要作檢驗(yàn)處理以排除一些出錯(cuò)的情況。

3）在解析并校驗(yàn)完成之后，一行完整正確的G代碼便解析結(jié)束，下面需要執(zhí)行這些指令。具體執(zhí)行過程為利用解析完成后得到的動(dòng)作參數(shù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

3.2.4 運(yùn)動(dòng)控制模塊

G 代碼解析之后得到的具體動(dòng)作主要是設(shè)置參數(shù)型的動(dòng)作和執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)作。設(shè)置參數(shù)型的動(dòng)作相對(duì)比較好處理，直接在G 代碼解析模塊中即可完成，而執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)作比較復(fù)雜，需要單獨(dú)的模塊來(lái)處理。

G 代碼的運(yùn)動(dòng)模式指令主要包括快速定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)。而快速定位直接用直線插補(bǔ)來(lái)代替，因此運(yùn)動(dòng)模式主要是直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)兩種。GRBL 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)的思想是先將圓弧拆分成多個(gè)細(xì)小的直線段，再通過直線插補(bǔ)來(lái)執(zhí)行這些小線段，從而完成圓弧插補(bǔ)。一條帶執(zhí)行的線段主要包含兩個(gè)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)速度和線段終點(diǎn)。一條線段要具體執(zhí)行還需要對(duì)其速度作加、減速規(guī)劃處理，這些由專門的運(yùn)動(dòng)速度規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)。因此在運(yùn)動(dòng)控制模塊中，直線插補(bǔ)函數(shù)并不只是獲取一條線段，而是需要調(diào)用速度規(guī)劃模塊來(lái)作進(jìn)一步處理。綜上可知，在運(yùn)動(dòng)控制模塊中，如何實(shí)現(xiàn)將圓弧拆分成多條小線段是重點(diǎn)。

3.2.5 運(yùn)動(dòng)速度規(guī)劃模塊

由于XY 平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是一種剛性材料，在運(yùn)動(dòng)過程中如果出現(xiàn)速度突變就有可能出現(xiàn)振動(dòng)的情況，最終會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)較大誤差。其次，如果等到每次運(yùn)動(dòng)結(jié)束且電機(jī)停止之后再開始下一次運(yùn)動(dòng)，這樣雖然不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，但是執(zhí)行完所有運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間就會(huì)大大增加。因此，為了獲得誤差較小的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)又盡可能地提高執(zhí)行速度，必須對(duì)每條直線的運(yùn)動(dòng)速度作規(guī)劃。GRBL 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種梯形的速度規(guī)劃，總體上一條線段經(jīng)過加速、勻速和減速3 個(gè)過程，同時(shí)，前一條線段和后一條線段在交接點(diǎn)處速度相等，即前一次運(yùn)動(dòng)的末速度等于后一次運(yùn)動(dòng)的初速度。

3.2.6 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)模塊

經(jīng)過G 代碼解析、運(yùn)動(dòng)控制和速度規(guī)劃等過程之后，就獲得了可被執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行的具體參數(shù)，包括初速度、最大速度、總位移、各軸運(yùn)動(dòng)的位移或者脈沖數(shù)、減速點(diǎn)等。在獲取這些參數(shù)之后，輸出相應(yīng)的脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

4 電流體動(dòng)力學(xué)微液滴噴印原理

4.1 電流體動(dòng)力學(xué)液滴噴印模式

研究表明，噴印的過程受液體的物理性質(zhì)影響，如表面張力、粘度、密度和電導(dǎo)率等[8]，并且還取決于針頭直徑、施加的電壓大小和氣壓控制器電壓值這些影響因素的共同作用[9]。根據(jù)針頭液面形狀和射流時(shí)液體的幾何形狀進(jìn)行具體分類，可分為10 種噴印模式。如圖5 所示，10 種噴印模式分別為滴落模式、微滴模式、紡錘體模式、多紡錘體模式、擺動(dòng)模式、旋進(jìn)模式、對(duì)稱曲張錐射流模式、扭結(jié)錐射流模式、分支錐射流模式、多股射流模式[10]。

圖5 電流體動(dòng)力學(xué)噴印的10種模式

對(duì)于近電場(chǎng)下微液滴的精準(zhǔn)噴印，出于保障噴印精準(zhǔn)度的目的，微液滴噴印系統(tǒng)一般選用射流前端豎直向下或單滴垂直下落的模式，即微滴模式、紡錘體模式和錐射流模式[11]。

4.2 影響微液滴噴印工藝的關(guān)鍵參數(shù)

在微液滴噴印工藝中，原料試劑以單一液滴形式穩(wěn)定噴印是保證噴印質(zhì)量的必要條件[12]。噴印模式會(huì)受到多種工藝參數(shù)的綜合影響[13]，其中影響微液滴噴印穩(wěn)定性和精度的關(guān)鍵參數(shù)有液體性質(zhì)、起始電壓值、電壓上限值、氣壓控制器電壓值、針頭離板距離、針頭尺寸[14]。

該系統(tǒng)在關(guān)鍵參數(shù)上的具體數(shù)據(jù)如下：液體性質(zhì)為礦泉水溶液，起始電壓值為2 kV，電壓上限值為10 kV，氣壓控制器電壓值為1 V，針頭離板距離為5 mm，針頭內(nèi)徑為90 μm。

5 成果展示

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)與參數(shù)調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)使用內(nèi)徑為90 μm 的針頭，噴印出直徑為30 μm 左右的微液滴。噴印模式可選擇連續(xù)模式和離散模式。連續(xù)模式下任意兩滴微液滴噴印的時(shí)間間隔很短，噴印效果為微液滴能夠形成連續(xù)的線條。離散模式下任意兩滴微液滴噴印的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，噴印效果為大量互相分離的微液滴。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中主要研究目標(biāo)是開發(fā)一套基于電流體動(dòng)力學(xué)的微液滴噴印系統(tǒng)，已完成了微液滴噴印模塊的搭建、相機(jī)監(jiān)測(cè)模塊的搭建和XY 平臺(tái)控制模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)等工作。該系統(tǒng)中微液滴噴印模塊目前實(shí)現(xiàn)的功能為噴印最小直徑30 μm 的微液滴，并且具有離散噴印和連續(xù)噴印兩種噴印模式；XY 平臺(tái)控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能為控制微液滴噴印的精準(zhǔn)定位與運(yùn)動(dòng)軌跡。

該研究不足之處在于，理論上，用EHD 方法噴印的微液滴直徑能夠比針頭內(nèi)徑小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[15]。而在使用內(nèi)徑90 μm 噴頭的情況下，噴印微液滴最小直徑為30 μm，因此理論上該方法噴印的微液滴直徑大小可以進(jìn)一步縮小。相機(jī)監(jiān)測(cè)模塊目前只實(shí)現(xiàn)幫組操作人員方便觀察的功能，未來(lái)的升級(jí)方向?yàn)橥ㄟ^神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像處理與優(yōu)化微液滴噴印工藝的功能。例如利用基于全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DOD噴印參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開發(fā)星形液滴產(chǎn)生模型并減小液滴直徑，提高液滴速度[16]；還可以利用語(yǔ)義分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微液滴的計(jì)數(shù)及大小測(cè)量等功能，提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。