基于afm的实时可控微滴检测技术的研究

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1、第一章绪论1．1本课题的研究意义帚一早三百下匕随着微生物化学和微机电(MEMS)系统技术的发展，微冷却、显微注射、微滴喷射、微流动系统等微流体控制检测技术成为国内外研究的热点，这些技术要求能对微流体进行精确检测和准确控制。CPU等电子元件的不断高密度化，使得冷却问题成为其进一步发展的瓶颈，微热管是首选的解决方案fl】。显微注射导入外源基因的效率高，而导入的外源基因往往是在细胞期就整合到受体的染色体上，发育成的细胞一般都能整合上外源基因，因此显微注射日益受到微生物界的科研人员的重视，目前80％以上的转基因模型都是用显微注射构建完成的【2】。微滴喷射是一种结构简单、成本低、使用方便而且定位精度

2、高的微量运输技术，除了喷墨打印外，在无模具成型、微器件制造、材料合成等领域具有广泛的应用前景。微流动系统作为微机电系统的一个重要分支，今年来在各个方面已经取得了长足的进展。微流动系统具有集成化和大批量生产的特点，同时由于尺寸微小，可减少流动系统中的无效体积，降低能耗和试样用量，而且响应快，因此具有广泛的应用前景。一般来讲，流体操控可分为连续流系统和离散流系统两大类。早期研究侧重于对连续流的操作，主要有压电驱动【3】、气动驱动I耵、电化学驱动【s】、电渗驱动【6】等方法。然而，这些方法一般都存在一定的局限性，需要复杂的三维流体通道、泵、阀结构；工艺加工难度大；管道内试剂可以会相互污染；死体积

3、大，可能会影响器件的使用寿命；另外，管道网络中的所有液体的运动状态都相关，系统集成和精确控制难度大。因此，对离散化微滴检测和操控研究日益成为研究的重点【7】。离散化微滴系统不同于连续流系统，它能独立控制每个液滴，能耗低，它甚至不需要复杂的三维流体通道。在基于离散流的微流体系统中，统一、精确、可控的液滴是关键要求。微滴的流量精确控制通过传感器检测微流量，从而改变系统的控制条件来定量给出剂量。目前的研究多是针对连续微流体进行控制，开发出的微流量传感器也多适合广东工业大学硕士学位论文于连续流的检测，针对微滴的检测技术目前还在探索阶段。所以当前精确定量控制微滴的一个难点在于缺乏反映微滴量的传感器。

4、微量和超微量测量作为现代科学技术一个重要的前沿问题，是人类探索认识微观世界的重要手段。目前，超微位移的测量技术比较成熟，采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜和激光技术等测量位移其测量精度可以达到纳米级，而对离散的单一微小流量和超微质量的检测，国内外目前还没有成熟的技术。因此，本课题研究一种测量微滴量的新方法，提出了基于原子力显微镜(AFM)的悬臂感应喷射微滴量检测方法，利用原子力显微镜对距离的高敏感性实现对微滴量的高精度测量，可测量微小量，可以实时检测喷墨头产生的离散微滴量，微滴质量的检测结果不受流体粘度等性质影响。1．2国内外研究现状要对单一微离散流(微滴)进行检测，首先必须要解决的是如何获

5、取检测对象，即如何实现得到微滴。再对微滴量检测技术的背景和现状进行归纳。1．2．1微滴量实现技术的国内外现状微流体根据它的存在形态有连续流和离散流，对于流体操控相应地分为连续流系统与离散流系统两大类。实现微离散流关键要解决的是从连续态产生离散液滴，对于相应的微滴发生机构，微滴发生的载体和微滴分离的驱动源是关键部分。微滴驱动控制不同于连续流的泵送与控制⋯。微滴发生机构按微流体主要的控制驱动方法有这么三类：宏微耦合法、微机械法，微非机械法。1．宏微耦合法在生物医学上利用宏微耦合法驱动控制进行转基因显微注射，即以宏尺寸驱动器与具裸微结构的微流道相耦合，以宏容积驱动，宏压力器驱动或宏速度驱动方式工

6、作，其显著优点是微结构特性和工作可靠性好，并有高分辨率的可能性。细胞注射中的手动宏注射器是宏容积驱动的典型【，】，其注射分辨率和生产率极大的依赖操作者的操作水平。已经商业化的细胞注射的宏压力驱动方式Po]，用注射用微玻璃针针尖吸入少量的注射液，使得气液界面位于针尖的锥部，针筒后方经宏阀通向高压气瓶，控制宏阀压力可控制气液界面在锥部的位置，从而达到控制注射量的目的，能实现高分辨率(nL和pL级)的注射。而注射剂量由目测气液界面位置来判断，且用手动操控。2第一章绪论现在生物工程界普遍使用的显微注射系统基本已被美国的WPI及德国的Brinkmann公司、日本的Olympus等公司所垄断。这些显微

7、注射仪一般都由三大部分组成：(1)显微镜；(2)左右微动操作手；操作手上装有执行器一微吸管，微注射针。微动操作手各有三个自由度，通过球铰型操作杆控制；(3)注射量控制器，由它来控制外源DNA液体的注射量及汲取量。其中注射量控制器，多为气压控制式，即以气体为压力介质。上述控制器在精度上均可达到皮升级的要求，其原因是由于它们采用了可精确到lpsi的气压控制阀，能够精确地控制推动注射液的气体的压力。日本Narishige公司推