一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法，使用自聚焦超声换能器，搭配源流体池阵列使用，利用超声移液过程中各种试剂在不同超声驱动参数下的液滴形成、脱离与飞行特性的观测实现液体特性的预测，并建立数据集，在激发未知试剂时可以根据液滴聚结时对液滴飞行速度的要求，直接给出激发功率的设计方案，不仅节约时间，还能实现高通量试剂分配，为小型化、微量试剂转移装置的构建提供关键技术方案。装置的构建提供关键技术方案。装置的构建提供关键技术方案。

【技术实现步骤摘要】
一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法


[0001]本专利技术涉及聚焦声能实现高通量试剂转移
，尤其是一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法。

技术介绍

[0002]随着生物化学分析中反应体系的不断缩小，迫切需要一种纳升量级的微液滴转移技术，例如喷墨打印(基于热、压电和电动流体微滴产生机理)、压力驱动技术、激光辅助生物打印、立体光刻和声学液滴喷射(ADE)。其中喷墨打印和压力驱动技术需要喷嘴或孔口才能产生液滴，这样在液滴生成期间会给流体施加很大的剪切应力，若用来转移细胞的话，会导致较高的细胞死亡率，而且喷嘴或孔口也极易堵塞，影响整个系统的性能；激光辅助生物打印易受金属污染的影响；立体光刻因为影响DNA活性的光固化剂的残留难以在生物领域普及。ADE作为一种非接触式微液滴转移技术，可以避免交叉污染，能够实现高通量流体传输，并且流体传输的精准度高，不受喷嘴的限制。ADE系统作为一种功能强大的微液滴转移工具已经广泛应用于蛋白质、核酸和活细胞等物质的分配转移。
[0003]ADE系统基本上由三部分组成，包括超声换能器(例如，压电换能器)、源流体池和目标基板。该系统工作时，源流体池的位置固定，目标基板位于源流体池的正上方，并与源流体池下方的超声换能器同时移动。为了最大化液滴的喷射效率，根据源流体池中液体的深度调节超声换能器与源流体池之间的距离，使超声换能器聚焦点一直处于源流体池中的液体表面。当使用单个超声换能器时，定位器应允许超声换能器从一个源流体池快速移动到另一源流体池，从而实现不同试剂的液滴转移。因为不同试剂的流体特性不同，导致超声换能器激发液滴的功率需求不同，所以在采用单个超声换能器对不同试剂进行液滴激发时，需要对各个源流体池中试剂的激发功率进行评估，以保证试剂液滴的成功喷射。向上飞行的液滴在目标基板上的聚结情况受韦伯数We的影响(We＝ρU2D/σ，其中ρ为液体的密度，U为液滴的速度，D为液滴直径，σ为液体表面张力)，在液滴转移过程中存在一个液滴聚结的最佳韦伯数范围，例如当液滴的飞行速度过低时将无法在目标基板上有效聚结，而当速度过高时又会导致液滴飞溅。由韦伯数的计算公式可知，在喷射特定试剂时速度和体积的变化是影响液滴聚结的主要可控因素。液滴的体积取决于超声换能器的波长和焦距，对于基于单个聚焦超声换能器的ADE系统，其波长和焦距是固定的，且液滴体积的变化对于聚结的影响不如速度明显，因此通过控制超声功率调整液滴飞行速度是比较理想的方法。而流体复杂的物理特性，尤其是表面张力和粘度的差异，导致不同流体获得特定液滴飞行速度和聚结效果所需的超声驱动功率不同。
[0004]现有两种评估喷射液滴所需驱动功率的方法。第一种方法以0.1dB的增量增加传递到流体表面的声功率，直到声强足以产生所需速度的单个液滴为止。目前，大多数ADE系统都采用这种方法，这种方法很容易实施，但喷射每种试剂时都需要重复递进增加声功率的步骤，且无法确定具体的增加次数，当喷射样品数量较多时，程序极其繁琐。第二种方法
为动态流体分析(DFA)，利用干涉式扰动测量来实时表征流体表面对声能的动态响应。通过该测量，可以快速确定液滴的喷射阈值，即“零速度”液滴的超声驱动功率。然而，文献中没有说明如何确定最佳声功率以获得期望的液滴速度。
[0005]目前，这两种功率控制方案已经应用于ADE的研究中。尤其是，动态流体分析与对每个源流体池的声阻抗的审核测量相结合，使得ADE可以扩展到各种流体。但是它们都面临相同的问题，当涉及数千个流体传输操作时，将在反复功率评估和确定过程中浪费大量时间。而传统的表面张力的测量方法如：悬滴法、最大气泡压力法、毛细管高度法和杜诺伊环法等，粘度的测量方法如：落球法、阻尼振动法、转桶法和毛细管法等都存在必须与测试样品接触的缺点，在样品较多时设备的清洗也极其麻烦，显然不适用于ADE系统中流体物理特性的测量。因此急需一种快速确定源流体池阵列中多种试剂的流体特性的装置和方法，为实现超声移液过程中激发功率的便捷、准确调控奠定基础。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统。
[0007]本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0009]一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，包括自聚焦超声换能器、信号发生器、示波器、脉冲收发器、源流体池阵列、液滴观测装置、功率放大器、介于自聚焦超声换能器和源流体池阵列之间的耦合介质以及控制自聚焦超声换能器和源流体池阵列的三维位移平台，所述液滴观测装置由高速相机和上位机线路连接组成，所述信号发生器分别与功率放大器、高速相机线路连接，所述脉冲收发器与示波器线路连接，所述功率放大器和脉冲收发器分别与自聚焦超声换能器线路连接，所述自聚焦超声换能器使用夹具固定在一个三维位移平台左侧，源流体池阵列固定在另一个三维位移平台上方，两个三维位移平台皆可在X、Y、Z三个方向上移动，X、Y方向的移动使超声换能器能够运动到源流体池阵列中的各个源流体池的正下方，Z方向的移动使超声换能器输出的声波能够聚焦到源流体池中试剂与空气的界面处，在自聚焦超声换能器的凹形掩膜和源流体池之间滴加填充耦合介质，使耦合介质与源流体池阵列接触连接。
[0010]优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，所述耦合介质是具有声阻抗的流体介质，该声阻抗与源流体池的声阻抗基本相同。
[0011]一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，步骤如下：
[0012](1)脉冲收发器通过自聚焦超声换能器获得超声波经过不同声阻抗界面所产生的回波，并根据各回波信号接收时间的差值完成对不同试剂声速的测量及源流体池中试剂液面高度的测量；
[0013](2)通过实时跟踪观测自聚焦超声换能器在各个源流体池单元中激发试剂产生液滴的动力学过程，记录阈值能量处毛细波高度和激发过程中液滴速度的特征参数，根据这些特征参数和对应的超声驱动功率实现试剂表面张力和粘度的测量。
[0014]上述检测方法中，超声经过不同声阻抗界面所产生的回波包括初始脉冲回波信
号、耦合介质/源流体池下底界面回波信号、源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号。所述阈值能量指的是使液滴脱离试剂表面时速度为0所用的超声能量。所述毛细波指的是超声聚焦到试剂表面后引起的液面凸起。
[0015]优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，通过脉冲收发器和示波器接收到的初始脉冲回波信号和耦合介质/源流体池下底界面回波信号时间差值实现声速的测量；通过脉冲收发器和示波器接收到的源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号时间差值实现试剂液面高度的测量。
[0016]优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，对功率放大器与液滴观测装置进行同步实时控制，实现液滴的单次激发以及激发过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，其特征在于：包括自聚焦超声换能器、信号发生器、示波器、脉冲收发器、源流体池阵列、液滴观测装置、功率放大器、介于自聚焦超声换能器和源流体池阵列之间的耦合介质以及控制自聚焦超声换能器和源流体池阵列的三维位移平台，所述液滴观测装置由高速相机和上位机线路连接组成，所述信号发生器分别与功率放大器、高速相机线路连接，所述脉冲收发器与示波器线路连接，所述功率放大器和脉冲收发器分别与自聚焦超声换能器线路连接，所述自聚焦超声换能器使用夹具固定在一个三维位移平台左侧，源流体池阵列固定在另一个三维位移平台上方，两个三维位移平台皆可在X、Y、Z三个方向上移动，在自聚焦超声换能器的凹形掩膜和源流体池之间滴加填充耦合介质，使耦合介质与源流体池阵列接触连接。2.根据权利要求1所述的用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，其特征在于：所述耦合介质是具有声阻抗的流体介质，该声阻抗与源流体池的声阻抗基本相同。3.一种应用权利要求1所述实验系统研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：步骤如下：(1)脉冲收发器通过自聚焦超声换能器获得超声波经过不同声阻抗界面所产生的回波，并根据各回波信号接收时间的差值完成对不同试剂声速的测量及源流体池中试剂液面高度的测量；(2)通过实时跟踪观测自聚焦超声换能器在各个源流体池单元中激发试剂产生液滴的动力学过程，记录阈值能量处毛细波高度和激发过程中液滴速度的特征参数，根据这些特征参数和对应的超声驱动功率实现试剂表面张力和粘度的测量。4.根据权利要求3所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：通过脉冲收发器和示波器接收到的初始脉冲回波信号和耦合介质/源流体池下底界面回波信号时间差值实现声速的测量；通过脉冲收发器和示波器接收到的源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号时间差值实现试剂液面高度的测量。5.根据权利要求3所述的研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，其特征在于：对功率放大器与液滴观测装置进行同步实时控制，实现液滴...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海霞，邵蒙川，郭庆，栗大超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：