具有逻辑控制功能CMOS基数字式液滴微流控芯片反应器的构建

以液滴为载体的微流控芯片已被公认为是非常重要的微反应器，其中，微通道液滴反应器已被成功地应用于聚合物微球制备，催化剂筛选，量子点合成等领域。基于电润湿现象的数字液滴微流控芯片有可能借助集成电路技术对液滴实现逻辑控制，是液滴微流控芯片中刚刚崛起的新一代技术，具备与成熟的电子技术深度对接的潜力。本项目拟在申请者课题组通道液滴反应器和合作者课题组集成电路研究的基础上，引入互补性金属氧化物半导体（CMOS）技术、以Ta2O5作为绝缘材料以降低液滴驱动电压，采用双层金属布线方式增加液滴反应器反应单元集成度，配置逻辑电路，构建以CMOS为基础的具有逻辑控制功能的数字微流控液滴样品微反应器，初步实现不同反应物浓度下CdSe量子点产物的合成，并将液滴的阻抗信号反馈到数字微流控芯片的液滴定位系统，实现配方筛选的目的。本项目若蒙批准并顺利完成，将有可能为将集成电路直接用作液滴微反应器的反应和控制平台打下基础。

本项目的研究计划以数字液滴微反应器为研究对象，结合成熟的电子和自动化技术，构建具备逻辑控制功能的数字微流控液滴微反应器及其控制系统，以满足液滴微反应器中液滴精准控制的需求。自项目实施以来，进展顺利，认真按照计划完成各项任务，取得了一系列的研究成果，实现了任务书中所述及的目标。项目执行期间共发表SCI论文2篇，申请发明专利2项。主要研究成果如下：.１.数字液滴芯片是液滴微反应器的核心部件，根据数字液滴芯片的驱动和绝缘原理，采用双层绝缘层、双层PCB工艺进行了数字液滴芯片制备，提高了芯片的耐压性能，扩展了芯片的工作电压区间，显著增加了工作电极的有效面积和密度，取得了可重复的芯片可大规模生产的工艺；.2 .基于电机械力原理，对液滴进行了受力的物理模型分析，对于芯片结构和材料选择与液滴受力间的关系进行了详细的讨论。实验观测结果证明，液滴的驱动更加符合将融合了电润湿力与介电泳力的电机械力原理。液滴驱动物理模型的建立，为系统的构建奠定了理论基础，对芯片工艺的确认乃至液滴的运动学均有裨益;.3.分别构建了低通量的２４个电极和中等通量的９６个电极数字液滴芯片，对数字液滴微反应芯片通量规模得以扩展，实现了数字液滴微反应器芯片的可标准化组装;同时，以以上2种芯片作为控制对象，分别构建了基于ＦＰＧＡ控制器和数据采集卡的２种数字液滴微反应器的控制系统，设计并调试成功上位机驱动软件，实现了系统的集成和仪器化;.4. 对数字液滴微反应器中液滴的进样、收集和捕获等基本操控技术进行了优化，利用注射泵实现了液滴进样和收集的体积和操作可控，利用微加工技术在上极板表面获得亲水位点。以上设计解决了数字液滴微反应器液滴的加样和收集需求，为数字液滴微反应器提供了连续反应的可能性，使得我们的数字液滴微反应器具备了与通道式液滴对接的可能性;.5.分别基于电子技术中的阻抗检测和机器视觉中的边缘检测等手段，完成了数字液滴微反应器液滴运动检测，并根据实时检测结果在国际上首次建立了液滴智能路径规划专家系统和液滴位置修正模糊控制等逻辑反馈控制模式。.本项目的完成可以被认为是将用于生物化工反应的微流控技术与电子和自动化技术的成功案例。所构建的数字液滴微反应器及其逻辑控制系统完整且运行过程与结果高度重现。