雙核液滴電場精準融合：電壓放大器賦能微流控混合強化實驗

　　實驗名稱：雙核復合液滴融合實驗

　　研究方向：微流控技術是近些年發展起來的新興技術，它將微納米通道集成到幾平方厘米的芯片上，并通過施加外加物理場，對通道中的流體及流體中分散的微納顆粒進行控制和操縱。由于微機電系統領域的迅速發展，如今人們借助于微機電系統加工技術已經能夠制備出各種高集成、跨尺度和高可控性的微流控芯片，因此它被廣泛用于生物醫療、新型材料和前沿工程等多個領域。液滴微流控作為微流控技術的一個重要分支，在微流控芯片中通過控制互不相溶的兩相或者多相流體來制備和操縱獨立單分散的液滴單元，主要被用于生化分析、微納材料合成和精密微反應器等前沿領域，例如單細胞檢測、生物大分子分析和納米顆粒制備等。

　　實驗目的：研究在固定電導率下，電信號頻率增大液滴融合所需要的電壓情況。確定不同參數下液滴融合區域，在不同電導率下液滴的電壓和頻率融合區域，為實際應用中的參數選擇提供了可靠的參考

　　測試設備：熒光顯微鏡、信號發生器、微量注射泵、ATA-2021高壓放大器、數字攝像機、微流控芯片。

　　實驗過程：信號發生器施加不同頻率的正弦信號以后，通過功率放大器放大到10~60V,隨機排布的液滴首先發生旋轉，液滴兩內核的連心線與電場方向趨近平行。隨后液滴內核發生融合，但是外殼在合適的電壓下依然保持完好。電壓過大，液滴的外殼也會破裂，導致液滴可控融合失敗。然而，液滴外殼破裂為內核的可控釋放提供了方法。融合以后撤掉外加電信號，由于中間相相比內相黏度較大，內核在剛剛融合以后呈橢圓狀，隨后在表面張力的作用下恢復成球形。本實驗中使用內相和外相電導率均為8mS/m，電場頻率為10kHz~500kHz，幅值為40V。

　　實驗結果：實驗發現液滴在電信號頻率10kHz至400kHz范圍內可以發生融合，并且低壓閾值和高壓閾值的變化趨勢類似。在頻率小于140kHz時，低壓閾值和高壓閾值均隨著頻率的升高而升高，曲線斜率逐漸增大。當頻率大于140Khz時，高壓閾值達到平臺期，不再隨頻率增大而升高，而低壓閾值繼續隨頻率的增大而增大，最后低壓與高壓閾值在頻率約為400kHz處相交。對于特定的電場頻率，液滴內核融合存在一個特定的電壓范圍，。實驗結果顯示液滴融合的電壓范圍Uop先增大后減小，在頻率為100kHz時達到電壓范圍最大值22.5V。頻率100kHz是此實驗條件下液滴融合的最佳頻率。

　　這種電壓隨頻率升高的現象可以由兩種效應解釋。第一，液滴內核表面的流動由中間相的南北極向兩核之間流動，從而阻礙液滴之間的融合，這種流動隨著電信號頻率增大而增強，從而對融合起到抑制作用。第二，相同電壓下液滴內核的變形隨著頻率增大而減小，因此為了達到相同的變形量，頻率增大時電壓也需要相應的增大才能進一步驅動內核之間的薄膜變薄到一定的程度，使得液滴融合。

　　電壓放大器推薦：ATA-2021B高壓放大器

圖：ATA-2021B高壓放大器指標參數

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