微流控芯片系统中测温及控温装置的研制

第!卷!第#期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析$%&’!!(%’#!))#?*#+!!,,年#月!!!!!!!!!!!!-)./01%2/%)3456-)./014&754&3282945:413!!,,!微流控芯片系统中测温及控温装置的研制戴!敬#!樊晓峰!!方!瑾!徐章润!&#’沈阳建筑大学信息与控制工程学院!辽宁沈阳!##,#@!!!!!’东北大学分析科学研究中心!辽宁沈阳!##,,,?’中国医科大学卫生部细胞生物学重点实验室!辽宁沈阳!##,,,#摘!要!报道了一种结构简单#成本低#操作方便#应用于微流控芯片系统中温度测量及温度控制的装置该系统以XXK摄像机#荧光显微镜及图像采集卡构成的非接触荧光指示剂测温装置!实现了微流体空间温度分布测量以及随时间变化的温度测量提出了以透明氧化铟锡薄膜玻璃作为加热元件!采用S[K控制算法的温度控制平台!稳态时温度控制精度可达到M,’#i采用该测温和控温装置研究了玻璃微流控芯片微通道内溶液温度在空间上和随时间的变化情况!结果表明该方法简单#有效!可达到$A级的空间分辨率和A2级的时间分辨率关键词!温度测量$温度控制$[D薄膜玻璃$微流控芯片系统中图分类号!D^##!!文献标识码!7!!!文章编号!#,,,*,+;!,,#,#*,#?*,+!收稿日期!!,,@*#,*!;$修订日期!!,,=*,#*#@!基金项目!国家自然科学基金项目%!,=+,?=&!辽宁省教育厅科技攻关项目%!,!,##+&和辽宁省博士科研启动项目%!,,+#,#&资助!作者简介!戴!敬!女!#;@年生!沈阳建筑大学信息与控制工程学院副教授!&通讯联系人!.*A48&’‘:b1!A48&’5.:’.6:’/5引!言!!温度是生物有机物合成#聚合酶链反应#基因突变检测等生物化学研究中的重要参数!随着微流控芯片系统在生化分析领域中应用的日益广泛!微流控系统中温度的精确测量和控制也变得越来越重要由于微流控系统中流体的体积一般在)a5a数量级(#)!接触式测温方法不仅对微流体产生扰动!还会改变其实际温度!更难以实现流场内二维空间的温度分布测量有文献报道(!)将测温元件直接集成在微流控芯片上!测温元件尺寸可做到$A数量级!但这种方法在非专业性微加工实验室中很难实现非接触温度测量方式更适合微流体测量!文献(*+)中报道热色液晶测温技术测量精度可达到,’#i!但#,!,$A大小的液晶颗粒很容易造成浅通道堵塞!且测量范围较窄Q%22(@)等报道了利用荧光染料作为温度指示剂的微流体测温技术!则更适合微流体的温度测量微流控芯片系统中对温度控制的要求是控制准确#精度高#温度升降响应快目前微流控系统中温度控制算法基本上都采用比例-积分-微分%S[K&算法!但各自所采用的加热装置却不同!T4%(=!)等利用铜金属块作为外置的接触式加热系统具有较大的热容!体积大!加热和冷却速率较慢文献报道(;)的另外一种外置式加热装置是珀耳帖%S.&08.1&半导体加热致冷片!其温度响应快!温度变化范围宽!具有较好的应用前景!但是其不透明性对于光学方法检测将产生一定的影响采用微加工技术直接将加热元件和测温元件集成在微芯片上的集成化加热方式(#,*#!)具有体积小#温度响应速度快#控制精度高的优势!但它也同样具有加工困难的缺点本文提出了一种结构简单#成本低#性能好的微流控芯片系统中微流体测温和控温装置!其中测温采用荧光染料作为指示剂!可实现微流体温度的空间分布和一段时间内温度连续变化的测量$控温装置则采用市售氧化铟锡%8568:A085%‘86.![D&薄膜玻璃作为加热器!装置结构简单#体积小#热容小#升降温速度快#温度控制准确#动态过程平稳#精度高![D薄膜的透光性对任何方式的光学检测都不产生影响![D薄膜的透光性对光学检测不产生影响!它可以透过所有的可见光!甚至在近紫外区也有很好的透光性(#)#!实验部分%$%!设备,试剂和材料#-!85’黑白XXK摄像机%TD$*#!$#X*NZ!台湾敏通公司!中国台湾&$黑白图像采集卡%T#,T型!北京嘉恒中自图像技术有限公司!北京&$+!5A半导体激光器%S\a*Z[*-!长春新产业光电技术有限公司!长春&$荧光显微镜%Z-O*#!重庆光电仪器有限公司!重庆&$数据采集卡%SX[*#=##!台湾研华科技公司!中国台湾&!可调恒流电源%最大输出功率为#,]!自制&!经过标定的S0#,,铂电阻温度传感器及变送器%,#型!沈阳仪器仪表工艺研究所!沈阳&$[D薄膜玻璃!%[D膜厚度!+5A!表面电阻率为@,8!玻璃基材厚度,’++AA!金坛康达克应用薄膜中心!江苏金坛&$罗丹明_荧光染料%分析纯!北京化工厂!北京&$聚二甲基硅氧烷%SKT-&前聚物及交联剂%-3&W416#?!K%UX%1*585W公司!美国&$熔融石英毛细管%#,,$A8’6’!=+$A%’6’!河北永年光纤厂!河北永年&$自制简单十字交叉型通道的玻璃微流控芯片!通道宽#,!$A!深#@$A$实验用水为#T8的高纯水%$:!系统构成温度测量与控制系统装置如图#所示!测量部分为’XXK摄像机经由接口转换器同荧光显微镜相连!激光器固定在荧光显微镜的镜臂上!使激发光同发射光之间为共聚焦方式!激光器光斑为,,$A$插在个人计算机SX[插槽上的图像采集卡将XXK所采集图像数据保存在硬盘中并同时在屏幕上显示$温度控制部分包括[D玻璃加热器!粘贴在[D玻璃上的贴片式S0电阻温度传感器!加热用可调恒流电源!用于温度采集和控制信号输入#输出的多功能数据采集卡及用a4V$[N]%(408%54&[5201:A.502!7:2085!美国&S[K控制模块编写的温度控制程序!#$%!H9’(+*692*#;*+./3(68,/.;6(+,(;*68;(9.06;.-*02+(*38;(+(06%$=!实验操作实验开始前!,A85左右!将[D玻璃加热片固定在Z*O二维操作平台上$接通实验装置电源!运行控温#图像采集程序!温度控制调整为室温!确保加热器不加热!图像采集程序设为实时显示状态$XXK摄像机设为手动!以保证在所有温度条件下所采集的荧光图像具有相同的增益$同时打开激光器并将其用遮光板遮挡$对整个实验系统进行预热接着在微流控芯片的通道中充满罗丹明_水溶液%,’?AA%&&!将芯片置于[D加热片上!手动调整Z*O二维操作平台!同时观察显示器屏幕!使被测区域处于视场中!调整显微镜焦距使通道的边沿达到最清晰位置和焦距调整好后!用胶带将微芯片固定!防止实验过程中发生滑动而使位置改变实验开始时首先采集罗丹明_溶液初始状态时%即室温&的荧光强度图像!然后控制加热器温度!在不同温度下采集罗丹明_溶液的荧光强度图像为防止罗丹明_染料产生猝灭!在不采集图像期间用挡光板遮住激发光%$!温度标定以染料荧光强度作为温度指示进行测温!首先需要通过实验确定温度值和染料荧光强度值之间的函数关系温度标定装置如图!所示!一根长约!,/A的毛细管在中间部分去掉!/A左右聚酰亚胺外包层作为检测窗口!并将其紧贴在[D加热片上!在检测窗口的外围用硬纸片圈起一圈刚高过毛细管的围挡!所围面积大约为#/A!左右!将SKT-前聚物及交联剂混合均匀去气后浇注在围挡内SKT-膜%约?,,$A&固化后的作用一方面是将毛细管固定在[D加热玻璃片上$另一方面起到传导热的作用!使毛细管内的染料温度均匀铂电阻温度传感器紧贴SKT-膜固定在[D加热片上!#$:!H9’(+*692*#;*+./3736(+/.;6(+,(;*68;(9*-;*6.0!!控制[D加热器温度!从室温到;,i每隔+i取一点!在每个温度点上至少平衡#,A85!确保温度传感器以及SKT-膜包裹的毛细管内罗丹明_荧光染料同加热器温度达到平衡在每个温度点上!连续采集!+幅荧光强度图像!且在每幅图像上相同的位置取+j+个像素点做平均值!得到每个温度值所对应的罗丹明_染料的荧光强度值图像数据滤波#求平均值等处理过程均采用a4V$[N]软件自编程序!!结果与讨论:$%!加热部件M&b薄膜玻璃特性及其电阻值计算[D薄膜厚度在52数量级!其物理化学性能稳定!硬度较大!与大部分衬底有良好的附着性!抗酸#碱及有机溶剂能力强!在玻璃衬底上制备的[D薄膜的电阻率和透过率分别可达到!j#,I?8’/A和;,g以上(#?)用于微流控芯片加热系统中!具有温度升降快#稳定性好#坚固耐用#对光学检测窗口不产生影响等优点本实验中采用商品化[D薄膜玻璃做为微流控系统加热器!具有诸多优点!一是价格低廉!容易得到$二是加工容易!可直接切割成所需形状!对于特殊#复杂的图形还可通过刻蚀的方法得到!并且加热器平台与芯片间为分体结构!不会因为芯片报废而废弃$三是[D的透光性很好!不影响微流控系统的光学检测[D薄膜作为加热器使用!其形状及阻值大小对表面温度分布有很大影响!根据其形状及尺寸可进行阻值计算!图;?#第#期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析所示为一矩形[D薄膜的尺寸示意图!其阻值计算如公式%#&所示(#+)K(5V-G[(K(V-[%#&!#$=!H9’(+*692*#;*+./M&b-*7(;其中5为[D薄膜的电阻率!G为厚度!V为沿电流方向的长度![为垂直于电流方向的长度!K(称为[D薄膜的方块电阻!即表面电阻率!K(H5-G实验中所使用[D加热器的阻值根据此公式的计算结果同实际测量值一致采用S[K控制算法以及[D薄膜玻璃作为加热器!温度控制精度在M,’#i温度上升时一般在!,,2即可达到稳定值!且过冲较小!一般不超过,’+i!实现了较理想的温度控制精度和温度上升速度:$:!温度和罗丹明P染料荧光强度之间的关系曲线荧光染料在被激发后所产生的荧光强度5可以用下面的公式%!&表示(#@!#=)5(5,F$!%!&式中5,为激发光强度!F为荧光染料浓度!!为吸光系数!4为量子效率对于一些复合染料如罗丹明_!由量子效率所引起的荧光强度变化可达到!gLI#吸光系数!没有明显的温度特性!它的变化小于,’,+gLI#假设在一定温度范围内量子效率与绝对温度成反比!则有$(2!%&!!式中2为量子效率常数!!为绝对温度!以%&式代入%!&式!得5(25,F!!%?&!!在激发光源强度5,和染料浓度F不变的条件下!有5(.!%+&即!(.5%@&其中!.(25,F!!测量时通过测出染料的荧光强度即可得到温度采用这种方法来进行测温!首先需要对荧光染料强度和温度之间关系进行标定!而在实际的温度测量过程中激发光强度5,和染料浓度F都可能与进行温度标定时的不同!同时检测点位置的变化还造成XXK可收集的荧光发生变化!为了消除这些因素对测温产生的影响!需要对温度和荧光强度之间的标定曲线进行归一化$即在每次测量前首先记录室温条件下的温度场作为参考场%参量场包含着同一实验过程中完全相同的参数信息&!测量过程中将每个测量温度场与参考场相除!得到相对的变化量!从而消除参数的影响经过归一化后!所有影响测量的因素包括测量仪器#浓度#XXK位置#液层厚度以及被测区域背景的不均匀性等都被消掉(#=)图?为归一化的温度和荧光强度关系实验曲线%由不同日期的七次实验曲线平均得到&!经三阶多项式拟合后得到拟合公式%=&!其中6(,’;+!!C#(,’,#!!C!(#?’+#,O#,#?!C(!’+#O#,#@5(6%C#!%C!!!%C!%=&!!曲线拟合时的相关指数-H,’;;!拟合后的标准偏差;H,’,#+,由于温度同荧光强度之间的关系曲线为非线性!因而拟合后曲线在远离参考点处误差将加大!#$!N.;+*-Q(2/-8.;(39(09(06(0367*3*/8096.0./6(+,(;*68;(:$=!图像信号噪声及激发光源波动的数学处理由于激发光源波动#激发光照射不均匀#XXK摄像机的随机噪声以及其他各种噪声源的干扰和影响!使图像质量下降!因而需要对图像进行处理图像处理的原则是尽可能保持原图像的特征及各种细节信