1、微液滴实时测控系统的设计与实现Design and Implementation Microdroplet real-time Control and Detection System1目录课题研究背景和意义检测原理系统硬件和软件设计系统调试和应用测试总结和展望2该论文以液滴微流控技术为基础，在微流控芯片中进行微液滴（微生物、细菌等）培养及检测，对液滴的稳定性、生物活性等参数进行研究。课题研究背景和意义课题来源：国家重大科学仪器设备开发专项细胞培养微液滴快速检测系统的研制（项目编号2012YQ15008705）课题来源课题来源3背景和意义背景和意义课题研究背景和意义常规实验室 液滴型微流控医疗
2、检测生物分析DNA分析应用转化4国外研究现状国外研究现状 Quake 团队在 2001 年完成了微流控芯片了单个液滴的生成。2003 年 Ismagilov 等首次提出三入口 T 型微液滴芯片设计，利用此芯片来控制液滴的反应，并证明了液滴在芯片中能实现快速的混合且不会发生扩散。2005 年 Frederick K.Balagadde首次成功应用微流控技术以 6 个 16 纳升的反应器完成半连续微生物培养。课题研究背景和意义5国内研究现状国内研究现状 杭州霆科生物把微流控技术应用于食品安全检测及生物检测等。广州万孚生物公司在微流控技术也有很多专利，并且开发了以微流控技术为基础的血细胞分析等相关仪
3、器。部分高校研究团队及科研院所也在此技术进行了深入研究。课题研究背景和意义6吸收光谱检测原理检测原理7系统设计技术指标微液滴测控系统技术指标，其具体参数要求如表所示：系统总体设计8系统技术路线系统总体设计9系统总体电路设计图系统总体设计10吸光度检测器光路结构图系统光路设计系统总体设计11激光诱导荧光检测器光路结构图系统光路设计系统总体设计12微液滴计数光路设计系统光路设计系统总体设计13电路设计吸光度检测电路14系统总体设计吸光度检测电路15激光诱导荧光检测电路电路设计16软件设计17 上位机采用java语言开发，其主要功能是实现微液滴检测参数配置、流程控制，完成检测结果的显示及数据管理。软
4、件流程图PC端应用软件设计18PC端应用软件设计19PC端应用软件设计20实物样图21实物样图22液滴的生成、分割与融合测试系统调试和应用测试23光源稳定性测试 通过光功率计记录光源在光电探测器位置（距光源狭缝出口45mm）1000s内辐射光功率的变化。由实验结果可知，光源辐射光功率稳定，到达了指标要求。时间间隔（s）光功率（W）时间间隔（s）光功率（W）时间间隔（s）光功率（W）时间间隔（s）光功率（W）01080.5514015080.79 28029080.79 42043080.79 102080.6915016080.73 29030080.7243044080.73 203080.
5、5316017080.76 30031080.79 44045080.79 304080.6117018080.74 31032080.79 45046080.73 405080.6918019080.79 32033080.68 46047080.79 506080.6719020080.73 33034080.79 47048080.79 607080.6420021080.78 34035080.74 48049080.71 708080.6921022080.76 35036080.79 49050080.79 809080.6522023080.66 36037080.71 5005
6、1080.73 9010080.6523024080.74 37038080.79 51052080.79 10011080.6924025080.79 38039080.79 52053080.76 11012080.7625026080.73 39040080.75 53054080.74 12013080.7226027080.78 40041080.6654055080.79 13014080.7327028080.71 41042080.69 55056080.75 01020304050607072747678808284868890luminous power(W)Time(s)
7、luminous power系统调试和应用测试24孔雀石绿溶液检测实验试剂浓度(mg/mL)吸光度值（i=1,2,3,4,5,6）吸光度均值RSD%标准吸光度值 123456 0.0010.043 0.044 0.044 0.045 0.045 0.044 0.044 0.635 0.039 0.0020.123 0.123 0.124 0.123 0.123 0.123 0.123 0.675 0.121 0.0030.199 0.197 0.197 0.197 0.196 0.197 0.196 0.599 0.219 0.0040.300 0.298 0.295 0.298 0.299
8、0.297 0.298 0.510 0.321 0.0050.387 0.387 0.388 0.389 0.389 0.389 0.388 0.224 0.424 0.0060.503 0.502 0.503 0.503 0.502 0.502 0.503 0.110 0.536 0.0070.608 0.608 0.608 0.609 0.609 0.610 0.608 0.105 0.640 0.0080.715 0.714 0.714 0.714 0.714 0.715 0.714 0.041 0.746 0.0090.787 0.786 0.788 0.787 0.788 0.788
9、 0.787 0.091 0.829 0.010.904 0.904 0.904 0.904 0.904 0.905 0.904 0.052 0.962 0.021.665 1.664 1.666 1.666 1.665 1.666 1.665 0.043 1.748 0.032.426 2.423 2.423 2.422 2.423 2.425 2.423 0.061 2.544 0.043.026 3.028 3.023 3.023 3.026 3.024 3.025 0.059 3.155 0.053.190 3.197 3.190 3.189 3.194 3.190 3.192 0.0
10、92 3.298 0.063.227 3.224 3.213 3.212 3.226 3.231 3.220 0.254 3.332 0.073.252 3.249 3.246 3.245 3.251 3.251 3.248 0.087 3.370 0.083.262 3.259 3.251 3.250 3.261 3.267 3.257 0.199 3.360 0.093.279 3.275 3.272 3.271 3.277 3.277 3.275 0.093 3.386 0.13.290 3.286 3.282 3.282 3.288 3.288 3.286 0.095 3.431 系统
11、调试和应用测试25孔雀石绿溶液检测实验0.000.020.040.060.080.100.00.51.01.52.02.53.03.5ODconcentration OD St(mg/mL)系统调试和应用测试26 在OD值0-1.0的测量范围内线性拟合度较高，R2为0.996；在OD值1.0-4.0的测量范围内线R2为0.993。Cy3溶液荧光检测实验Cy3溶液浓度/pM01.5315301503006009001200测量示值123118 25687 27198 42157 63462 233903 599716 1155764 1597127 2194123 测量示值223421 2583
12、8 27500 42308 63613 233903 598507 1156217 1596674 2196843 测量示值323269 25687 27349 42157 63462 232845 598054 1153649 1592141 2188684 测量示值423269 25687 27349 42157 63311 232090 595787 1151986 1588363 2181431 测量示值523269 25687 27198 42006 63160 231334 595787 1145640 1581715 2175840 测量示值623269 25536 27198
13、42006 63009 230428 592463 1143827 1576275 2170249 测量示值723269 25536 27198 41855 62858 229672 590499 1139445 1573404 2160277 测量示值823269 25536 27198 41855 62858 229219 588988 1138085 1567965 2158615 测量示值923118 25536 27047 41855 62707 228463 587175 1132495 1563281 2150909 测量示值1023118 25536 27047 41704 6
14、2555 227708 586419 1130681 1563130 2148793 AVE23269 25687 27198 42006 63160 231032 593370 1144734 1580053 2172516 RSD0.411%0.412%0.51%0.449%0.567%0.958%0.824%0.827%0.833%0.810%系统调试和应用测试27 0100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100120013001400150005000001000000150000020000002500000photon numbercon
15、centration(pM)photon number Linear Fit of photon numberEquationy=a+b*Adj.R-Square0.99796ValueStandard Errorphoton number Intercept17662.8381914091.35621photon number Slope1789.778627.0009Cy3溶液荧光检测实验系统调试和应用测试28 总结总结 论文调研了微流控检测系统的国内外研究现状，并且对国内外的多家产品进行了简单说明，分析了其发展趋势。同时介绍了微液滴检测技术的基本原理，提出了基于光学检测的微液滴检测解决方案，并对其总体方案、电路设计和软件设计进行了详细的描述。展望展望整个检测系统仍有很多需要改进和值得深入的地方，主要包括：可以考虑增加图像传输模块，方便记录微生物的生长过程，通过图像分析结合检测数据使的系统的性能更加完善。在实验测试中，对好氧菌的培养与分析不是很完美，可以从微流控芯片上改善其透气特性，这可以增加微生物的检测与培养类型，使其具有更宽的筛选范围。总结和展望29
