基于AFM的微滴量检测及其性能改善的研究

论文摘要

微尺度流体控制与检测技术在国内外被广泛关注和研究，其中基于离散微液滴的控制技术在微流控芯片，微阵列芯片，显微注射，喷墨打印，微滴喷射成形技术以及生物制造工程得到了广泛应用。在生物化学领域的微离散流操作中，实现微滴量的精确控制极为重要的，要求微滴量控制在皮升至纳升范围。量的控制与检测是紧密相关的，同时检测也是正确进行微流体操作结果分析的前提，但目前微滴量测量及相关的微量检测方法，由于受多种因素限制，存在不同的问题。所以在基于离散流的微流体系统中，如何对微滴量进行有效可靠的检测，对于流体控制及其应用领域的研究具有十分重要的意义。本文提出了基于原子力显微镜(AFM)的悬臂感应微注射滴量检测方法，微滴质量的检测结果不受流体粘度等性质影响。检测原理是设计低弹性系数的悬臂，微注射液体加载到其上，产生挠曲，通过AFM探针对悬臂挠曲进行监测，从而将微滴量转化为AFM扫描管电压的偏移量，实现微滴质量检测的目的。本研究首先设计了微注射针拉制装置与压力注射机构，以获取检测对象(微液滴)，并对注射针驱动进给机构设计进行实验分析。在数学分析与实验测试的基础上，对悬臂上的微滴注射位置与AFM探针检测位置进行了优化选择。针对检测过程中出现的干扰问题进行了详细探讨分析，采用液体石蜡接收容纳注射微滴，并对系统的砂箱减震台进行进一步改进设计，有效抑制了检测结果中的高频扰动。经过实验测试与理论分析，得出低频干扰源自检测系统采用悬挂式隔震系统而产生的摇摆振动，采取改进系统下端液体阻尼器结构的方法，增大系统的水平阻尼与转动阻尼，提高了低频扰动的衰减率，实现了检测系统在瞬间干扰后的快速稳定。利用检测系统进行了皮升级微注射量的测量实验，得到微滴重量对应的AFM扫描管电压偏移值，并在测得聚酯悬臂弹性模量与几何尺寸的基础上，实现了对微滴量测量结果的计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微滴量检测技术的现状
• 1.2.2 微质量检测技术国内外发展状况
• 1.2.3 微滴实现技术的现状
• 1.3 现有检测方法存在的问题及本研究的难点
• 1.4 课题来源与主要的研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究工作
• 第二章 微滴检测系统的设计方案与分析
• 2.1 悬臂微滴量检测方案与系统组成
• 2.1.1 微滴量检测原理
• 2.1.2 检测系统的组成
• 2.2 原子力显微镜的工作原理及其在微滴检测中的应用
• 2.3 基于悬臂弯曲的微滴量信号的检测转化
• 2.4 检测与注射的点位设计
• 2.4.1 微滴加载静态响应输出
• 2.4.2 自由弯曲的动态响应
• 2.4.3 检测信噪比分析
• 2.4.4 注射与检测位置的确定
• 2.5 小结
• 第三章 微滴注射及其定位装置
• 3.1 微滴发生装置设计
• 3.1.1 微注射针拉制装置
• 3.1.2 注射器压力驱动装置
• 3.2 微注射针定位驱动装置
• 3.3 小结
• 第四章 微滴量初测及检测过程干扰信号的研究探讨
• 4.1 初步检测纳升量微滴
• 4.2 高频干扰信号的分析与对策
• 4.2.1 液体蒸发的扰动
• 4.2.2 基础振动干扰
• 4.3 低频扰动分析讨论与抑制
• 4.3.1 低频扰动的根源因素
• 4.3.2 低频摆动运动分析
• 4.3.3 水平上不同方向摇摆的影响
• 4.3.4 致低频扰动的实质
• 4.3.5 弹簧悬挂-液体阻尼减震的改进
• 4.3.6 减震机构振动测试
• 4.4 系统改进后注射检测试验
• 4.5 小结
• 第五章 皮升量微滴注射检测实验
• 5.1 悬臂材料的弹性模量
• 5.1.1 自由滴加载测试悬臂弹性
• 5.1.2 悬臂自由振动频率测试
• 5.2 皮升级微滴检测实验
• 5.2.1 微滴检测悬臂的尺寸确定
• 5.2.2 微滴注射接收池
• 5.2.3 微针浸入的判断
• 5.2.4 注射检测过程与结果
• 5.3 小结
• 结论与展望
• 一.结论
• 二.展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢