高压放大器在介电泳分选的应用

实验名称：基于高压放大器的介电泳分选

研究方向：滴液分选

测试原理：

在非均匀电场中，介电体表面感生出的正负电荷处于不同场强的位置上在它受到的合力大于一定值时就会被拉向强电场方向。

测试设备：ATA-7030高压放大器、高压氮气瓶、恒压微流泵、PC机、FEP管、流阻、基于介电泳的微流控芯片、水纯化系统、15mL康林管

图1：介电泳的液滴分选系统

实验过程：

基于介电泳的液滴分选系统结构如上图图1所示，黄色流道1、2、3是油相流道，蓝色流道4、5、6是水相流道。FEP管道和流阻依然使用流动聚焦法产生液滴，液滴产生后会流向流阻较小的流道出口2。当在正极上施加高压方波脉冲时，液滴在介电泳力的作用下会被拉到流阻较大的流道出口1。

利用介电泳力进行分选，芯片出口处不加任何流阻，仅利用芯片上的流道长度差来形成流阻的差异。先需要生成只向出口2流动的液滴，然后固定油相和水相的气压值这样就使液滴的直径一致，再施加方波电压。先保持电压幅值不变，改变频率，看是否可以把液滴拉到流道1。之后每改变一个电压值，就调节多种频率，看介电泳力是否起作用。

由于芯片上生成的液滴均一性比较好，因此液滴在同样的介电泳力作用下应该被全部分选过来。首先考察液滴的分选率(拉到流道1的液滴数与总液滴数的比值)。当油相气压为150mbar水相气压为45mbar时，不加电压时液滴的直径约为63.7um，液滴生成速率约2.333个每秒。在分别施加500V、800V、1000V、1500V等电压幅值时分选率随电压频率的变化如下图图2所示，可以看出在频率特别低的时候均无法拉动液滴。

图2：对于不同的电压值，液滴分选率随频率的变化。

除500V和2500V电压外，其他几个电压下，液滴分选率均随着频率增加而增加，都逐渐达到100%的分选率。而500V电压在频率增加后分选率早下降趋势，说明这个电压不合适，不能产生足够的介电泳力。施加2500V的电压在频率为80H时液滴就已经全部碎裂。实验过程中发现，在电压过高或者频率过大时，液滴会碎裂成细小的子液滴。说明想要正常分选需要选择合适的电压幅值和频率，这两个值并不是越高越好。对于上述直径为63.7um的液滴，在施加的电压幅值为800V，频率为1000Hz时被分选的液滴受力运动的过程如下图图3所示，目标液滴由红色圆圈标注。图中两个黑色的三角形表示两个金电极的位置。Y型分又结构中，上部流道的流阻小，接废液池下部流道流阻较大，接收集池。B图表示目标液滴在介电泳力作用下开始发生偏转。

图3：电压幅值800V、频率1000Hz时直径63m的液滴的运动过程。时间间隔为02s。

在气压为0~450mbar内，调节不同的气压值，选取三种不同的液滴直径：63.7um60um和53.33m，其中53.33m的液滴对应的气压为油相450mbar，水相35mbar按照上述方法分别录制视频，考察当液滴第一次达到全分选时电压和频率的大致关系所得结果如下图图4所示，可见施加的电压幅值越高，频率就需要越低才能实现全分选同一个电压下，液滴越大则实现全分选需要的频率越高。

图4：不同的液滴直径，全分选时施加的电压幅值与频率的关系

高压放大器ATA-7030在本实验中的作用：提供一个可控电压源，加到微流控芯片上，分析不同电压下芯片对滴液的分选率。

安泰ATA-7030高压放大器：

图：ATA-7030高压放大器指标参数

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审核编辑黄昊宇