一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法
阅读说明：本技术 一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法 (Experimental system and detection method for researching focused ultrasound excited liquid drop ejection characteristics ) 是由 于海霞 邵蒙川 郭庆 栗大超 于 2021-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法,使用自聚焦超声换能器,搭配源流体池阵列使用,利用超声移液过程中各种试剂在不同超声驱动参数下的液滴形成、脱离与飞行特性的观测实现液体特性的预测,并建立数据集,在激发未知试剂时可以根据液滴聚结时对液滴飞行速度的要求,直接给出激发功率的设计方案,不仅节约时间,还能实现高通量试剂分配,为小型化、微量试剂转移装置的构建提供关键技术方案。(The invention provides an experimental system and a detection method for researching the spray characteristics of focused ultrasound excited liquid drops, wherein a self-focusing ultrasonic transducer is used in combination with a source fluid pool array, the liquid drop formation, separation and flight characteristic observation of various reagents under different ultrasonic driving parameters in the ultrasonic liquid transfer process are utilized to predict the liquid characteristics, a data set is established, and a design scheme of excitation power can be directly given according to the requirement on the flight speed of liquid drops during the coalescence of the liquid drops when an unknown reagent is excited, so that the time is saved, high-flux reagent distribution can be realized, and a key technical scheme is provided for the construction of a miniaturized and micro reagent transfer device.)
技术领域
本发明涉及聚焦声能实现高通量试剂转移
技术领域
，尤其是一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法。背景技术
随着生物化学分析中反应体系的不断缩小，迫切需要一种纳升量级的微液滴转移技术，例如喷墨打印(基于热、压电和电动流体微滴产生机理)、压力驱动技术、激光辅助生物打印、立体光刻和声学液滴喷射(ADE)。其中喷墨打印和压力驱动技术需要喷嘴或孔口才能产生液滴，这样在液滴生成期间会给流体施加很大的剪切应力，若用来转移细胞的话，会导致较高的细胞死亡率，而且喷嘴或孔口也极易堵塞，影响整个系统的性能；激光辅助生物打印易受金属污染的影响；立体光刻因为影响DNA活性的光固化剂的残留难以在生物领域普及。ADE作为一种非接触式微液滴转移技术，可以避免交叉污染，能够实现高通量流体传输，并且流体传输的精准度高，不受喷嘴的限制。ADE系统作为一种功能强大的微液滴转移工具已经广泛应用于蛋白质、核酸和活细胞等物质的分配转移。
ADE系统基本上由三部分组成，包括超声换能器(例如，压电换能器)、源流体池和目标基板。该系统工作时，源流体池的位置固定，目标基板位于源流体池的正上方，并与源流体池下方的超声换能器同时移动。为了最大化液滴的喷射效率，根据源流体池中液体的深度调节超声换能器与源流体池之间的距离，使超声换能器聚焦点一直处于源流体池中的液体表面。当使用单个超声换能器时，定位器应允许超声换能器从一个源流体池快速移动到另一源流体池，从而实现不同试剂的液滴转移。因为不同试剂的流体特性不同，导致超声换能器激发液滴的功率需求不同，所以在采用单个超声换能器对不同试剂进行液滴激发时，需要对各个源流体池中试剂的激发功率进行评估，以保证试剂液滴的成功喷射。向上飞行的液滴在目标基板上的聚结情况受韦伯数We的影响(We＝ρU2D/σ，其中ρ为液体的密度，U为液滴的速度，D为液滴直径，σ为液体表面张力)，在液滴转移过程中存在一个液滴聚结的最佳韦伯数范围，例如当液滴的飞行速度过低时将无法在目标基板上有效聚结，而当速度过高时又会导致液滴飞溅。由韦伯数的计算公式可知，在喷射特定试剂时速度和体积的变化是影响液滴聚结的主要可控因素。液滴的体积取决于超声换能器的波长和焦距，对于基于单个聚焦超声换能器的ADE系统，其波长和焦距是固定的，且液滴体积的变化对于聚结的影响不如速度明显，因此通过控制超声功率调整液滴飞行速度是比较理想的方法。而流体复杂的物理特性，尤其是表面张力和粘度的差异，导致不同流体获得特定液滴飞行速度和聚结效果所需的超声驱动功率不同。
现有两种评估喷射液滴所需驱动功率的方法。第一种方法以0.1dB的增量增加传递到流体表面的声功率，直到声强足以产生所需速度的单个液滴为止。目前，大多数ADE系统都采用这种方法，这种方法很容易实施，但喷射每种试剂时都需要重复递进增加声功率的步骤，且无法确定具体的增加次数，当喷射样品数量较多时，程序极其繁琐。第二种方法为动态流体分析(DFA)，利用干涉式扰动测量来实时表征流体表面对声能的动态响应。通过该测量，可以快速确定液滴的喷射阈值，即“零速度”液滴的超声驱动功率。然而，文献中没有说明如何确定最佳声功率以获得期望的液滴速度。
目前，这两种功率控制方案已经应用于ADE的研究中。尤其是，动态流体分析与对每个源流体池的声阻抗的审核测量相结合，使得ADE可以扩展到各种流体。但是它们都面临相同的问题，当涉及数千个流体传输操作时，将在反复功率评估和确定过程中浪费大量时间。而传统的表面张力的测量方法如：悬滴法、最大气泡压力法、毛细管高度法和杜诺伊环法等，粘度的测量方法如：落球法、阻尼振动法、转桶法和毛细管法等都存在必须与测试样品接触的缺点，在样品较多时设备的清洗也极其麻烦，显然不适用于ADE系统中流体物理特性的测量。因此急需一种快速确定源流体池阵列中多种试剂的流体特性的装置和方法，为实现超声移液过程中激发功率的便捷、准确调控奠定基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，包括自聚焦超声换能器、信号发生器、示波器、脉冲收发器、源流体池阵列、液滴观测装置、功率放大器、介于自聚焦超声换能器和源流体池阵列之间的耦合介质以及控制自聚焦超声换能器和源流体池阵列的三维位移平台，所述液滴观测装置由高速相机和上位机线路连接组成，所述信号发生器分别与功率放大器、高速相机线路连接，所述脉冲收发器与示波器线路连接，所述功率放大器和脉冲收发器分别与自聚焦超声换能器线路连接，所述自聚焦超声换能器使用夹具固定在一个三维位移平台左侧，源流体池阵列固定在另一个三维位移平台上方，两个三维位移平台皆可在X、Y、Z三个方向上移动，X、Y方向的移动使超声换能器能够运动到源流体池阵列中的各个源流体池的正下方，Z方向的移动使超声换能器输出的声波能够聚焦到源流体池中试剂与空气的界面处，在自聚焦超声换能器的凹形掩膜和源流体池之间滴加填充耦合介质，使耦合介质与源流体池阵列接触连接。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，所述耦合介质是具有声阻抗的流体介质，该声阻抗与源流体池的声阻抗基本相同。
一种用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，步骤如下：
(1)脉冲收发器通过自聚焦超声换能器获得超声波经过不同声阻抗界面所产生的回波，并根据各回波信号接收时间的差值完成对不同试剂声速的测量及源流体池中试剂液面高度的测量；
(2)通过实时跟踪观测自聚焦超声换能器在各个源流体池单元中激发试剂产生液滴的动力学过程，记录阈值能量处毛细波高度和激发过程中液滴速度的特征参数，根据这些特征参数和对应的超声驱动功率实现试剂表面张力和粘度的测量。
上述检测方法中，超声经过不同声阻抗界面所产生的回波包括初始脉冲回波信号、耦合介质/源流体池下底界面回波信号、源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号。所述阈值能量指的是使液滴脱离试剂表面时速度为0所用的超声能量。所述毛细波指的是超声聚焦到试剂表面后引起的液面凸起。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，通过脉冲收发器和示波器接收到的初始脉冲回波信号和耦合介质/源流体池下底界面回波信号时间差值实现声速的测量；通过脉冲收发器和示波器接收到的源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号时间差值实现试剂液面高度的测量。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，对功率放大器与液滴观测装置进行同步实时控制，实现液滴的单次激发以及激发过程中单个液滴的毛细波高度和激发功率的记录，具体步骤如下：
(1)信号发生器输出两路信号，第一信号为正弦脉冲经过功率放大器后驱动自聚焦超声换能器，第二信号为TTL信号驱动高速相机；
(2)设置第一信号为外部触发模式，每点击一次信号发生器触发按键则整个系统进行一次液滴激发并记录相关数据。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，调节自聚焦超声换能器和源流体池阵列的位置，使调节自聚焦超声换能器焦点位于试剂表面处，通过逐渐减小超声能量直到阈值能量点出现，具体步骤如下：
(1)通过脉冲收发器和示波器实现液面高度的测量；
(2)在Z方向上微调自聚焦超声换能器位置，使试剂/空气界面的回波信号幅值达到最大，此时自聚焦超声换能器焦点即位于试剂表面；
(3)逐渐减小超声能量到阈值点出现，记录所用超声驱动功率P，并通过对阈值能量激发的毛细波进行图像处理得到毛细波高度h。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，液滴毛细波高度的测量使用图像边缘识别算法提取毛细波图像的边缘并截取所需的部分作为此毛细波的高度，计算竖直方向上像素点个数得到毛细波高度h。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，截取所需的部分的最低点为毛细波底部液面开始隆起处，最高点为毛细波与液滴交界形成颈部的最细处，即液滴脱离瞬间毛细波的顶点。
优选的，上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，根据阈值处毛细波高度和超声驱动功率实现用已知表面张力的试剂预测未知试剂的表面张力，具体步骤如下：利用超声驱动功率P以及测量得到的密度ρ、声速c和毛细波高度h，根据下式得到试剂的表面张力：
其中σ1、ρ1、c1、h1、P1为已知第一试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率，σ2、ρ2、c2、h2、P2为未知第二试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率。c、h值通过上述方法即可测量获得。
上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的检测方法，基于多种已知粘度试剂的脱离速度-超声驱动功率数据集和脱离速度-毛细波高度数据集，实现未知试剂的粘度预测。其中液滴脱离速度是液滴脱离瞬间向上飞行的初始速度，该速度与超声驱动功率成正比，而液滴脱离瞬间的毛细波高度与液滴脱离速度成正比，且在液滴脱离速度相同的情况下，随着试剂粘度的增大所需超声驱动功率将成比例增加，同时对应的毛细波高度也成比例增大，所以在建立多种试剂的相关特征参数的数据库之后，可以作为预测未知试剂粘度的标准。
所述多种已知粘度的试剂，其粘度值区间包含实际应用中的常用试剂粘度变化范围。
所述液滴速度的测量使用标准质心算法提取同一液滴飞行过程中不同时刻下质心的坐标，选取任意两个时刻点的液滴质心坐标以及液滴即将脱离的时刻点，在仅考虑重力加速度的情况下计算出液滴脱离时的速度。
有益效果：
上述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统和检测方法，使用自聚焦超声换能器，搭配源流体池阵列使用，利用超声移液过程中各种试剂在不同超声驱动参数下的液滴形成、脱离与飞行特性的观测实现液体特性的预测，并建立数据集，在激发未知试剂时可以根据液滴聚结时对液滴飞行速度的要求，直接给出激发功率的设计方案，不仅节约时间，还能实现高通量试剂分配，为小型化、微量试剂转移装置的构建提供关键技术方案。其中，
自聚焦超声换能器可以直接使能量打到所需的位置，通过位移平台可以在X、Y两个方向上移动，方便对源流体池阵列中的各个流体池单元进行操作。
基于源流体池阵列中各种试剂在不同超声驱动参数下的液滴形成、脱离与飞行特性的观测，实现各种试剂的表面张力与粘度的测量，该非接触式测量方法更加方便快捷，简化超声移液的步骤。
通过多次实验建立试剂性质和超声驱动能量的关系数据集，可以作为数据库一直使用，使按需喷射不同性质的试剂更加直接、精确。
附图说明
图1是研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统装置简图；
图2是通过自聚焦超声换能器激发液滴的示意图；
图3是超声经过不同声阻抗界面后产生的回波信号示意图；
图4是即将脱离的液滴及其毛细波的实验图；
图5是使用MATLAB计算毛细波高度的GUI界面；
图6是使用MATLAB计算液滴脱离速度的GUI界面；
图7是不同粘度下液滴脱离速度和超声驱动功率关系示意图；
图8是不同粘度下毛细波高度和液滴脱离速度关系示意图；
图中：
1：液滴，2：毛细波，3：第一源流体池，4：第二源流体池
5：第一试剂，6：第二试剂，7：耦合介质，8：自聚焦超声换能器
9：即将脱离的液滴，10：毛细波最高点，11：毛细波最低点
12：信号发生器，13：示波器，14：脉冲收发器，15：功率放大器
16：高速相机，17：上位机
具体实施方式
实施例1
下述实施例中各部件具体信息如下：自聚焦超声换能器购自日本OLYMPUS公司V309、信号发生器购自美国Tektronix公司AFG3000、示波器购自美国Tektronix公司TDS2024B、脉冲收发器购自日本OLYMPUS公司Model 5073PR、源流体池阵列采用美国LABCYTE公司384孔微孔板或其他具有相同功能的产品、高速相机购自日本Photron公司FASTCAM SA5、功率放大器购自美国Amplifier Research公司125A250、三维位移平台购自中国卓立汉光。
如图1-2所示，所述用于研究聚焦超声激发液滴喷射特性的实验系统，包括自聚焦超声换能器8、信号发生器12、示波器13、脉冲收发器14、源流体池阵列、液滴观测装置、功率放大器15、介于自聚焦超声换能器和源流体池阵列之间的耦合介质7以及控制自聚焦超声换能器和源流体池阵列的三维位移平台(图略)，所述耦合介质是具有声阻抗的流体介质，该声阻抗与源流体池的声阻抗基本相同，所述液滴观测装置由高速相机16和上位机17线路连接组成，所述信号发生器分别与功率放大器、高速相机线路连接，所述脉冲收发器与示波器线路连接，所述功率放大器和脉冲收发器分别与自聚焦超声换能器线路连接，所述自聚焦超声换能器使用夹具固定在一个三维位移平台左侧，源流体池阵列固定在另一个三维位移平台上方，两个三维位移平台皆可在X、Y、Z三个方向上移动，X、Y方向的移动使超声换能器能够运动到源流体池阵列中的各个源流体池的正下方，Z方向的移动使超声换能器输出的声波能够聚焦到源流体池中试剂与空气的界面处，在自聚焦超声换能器的凹形掩膜和源流体池之间滴加填充耦合介质，使耦合介质与源流体池阵列接触连接。所述源流体池阵列包括至少两个源流体池：第一源流体池3和第二源流体池4，其中，第一源流体池3内装有第一试剂5，第二源流体池4内装有第二试剂6。
上述源流体池结构可以是具有平面结构的材料，例如载玻片(玻璃或聚苯乙烯显微镜载玻片)等，也可以是分子生物学应用的单孔和多孔板，毛细管(如毛细管阵列)等。
耦合介质指的是具有声阻抗的流体介质，该声阻抗与源流体池的声阻抗基本相同，耦合介质分别与自聚焦超声换能器和源流体池接触使其连接，从而让能量从超声换能器有效地传递到源流体池。例如，当源流体池材质为聚苯乙烯时，其声阻抗约为2.3MRayl，水的声阻抗约为1.7MRayl，可以选择水充当耦合介质，也可以通过向水中添加其他流体实现更好的匹配，并使用在本发明的实践中。
如图2所示，自聚焦超声换能器8发射超声通过耦合介质7、源流体池到达试剂表面形成毛细波2以及激发出液滴1。超声通过各个不同声阻抗区域时会形成如图3所示的反射波，形成包括初始脉冲回波信号、耦合介质/源流体池下底界面回波信号、源流体池上底/试剂界面回波信号和试剂/空气界面回波信号。脉冲收发器可以得到这四个信号并在示波器上显示。
若使自聚焦超声换能器8的凹形掩膜最低点到源流体池下底距离固定为L，在自聚焦超声换能器和源流体池之间填充不同的试剂作为耦合介质，使用脉冲收发器获得初始脉冲信号和耦合介质/源流体池下底界面回波信号并显示在示波器上，得到两个回波信号之间的时间差值tc，可得到试剂中声速为：
通过示波器得到源流体池上底/试剂界面和试剂/空气界面的回波信号之间的时间差th，试剂中的声速为c，则源流体池中液面高度此时调节控制超声换能器的三维位移平台让其焦点位于试剂表面则可以进行液滴激发。
如图1所示功率放大器与液滴观测系统进行同步控制，实现液滴的单次激发以及激发过程中单个液滴的毛细波高度和激发功率的记录。信号发生器输出两路信号，第一信号为正弦脉冲经过功率放大器后驱动自聚焦超声换能器，第二信号为TTL信号驱动高速相机；设置第一信号为外部触发模式，每点击一次信号发生器触发按键则整个系统进行一次液滴激发并记录相关数据。
液滴激发后对高速相机拍摄的图像进行处理，把图像转换为二值图后对毛细波高度计算和速度计算分别编写MATLAB程序。毛细波轮廓的识别使用boundary函数，高度的截取通过选取毛细波固定特征实现，如图4所示，毛细波最低点11为毛细波底部液面开始隆起处，毛细波最高点10为毛细波与液滴交界形成颈部的最细处，程序处理之后形成如图5所示的毛细波高度图，通过计算图5最右图中竖直方向上像素点的个数即可得到毛细波高度；液滴脱离速度的计算，首先对二值图像利用孔洞填充函数imfill，使液滴图像只剩下一个圆形区域，然后根据距离质心算法原理编写程序识别出液滴的质心，如图6所示，任意选取两个时刻点的液滴质心坐标以及液滴即将脱离的时刻点，在仅考虑重力加速度的情况下计算出即将脱离的液滴9的速度，图6中z1为左右两个液滴图相差的帧率，z2为左侧较矮液滴图与脱离液滴图相差的帧率，高速相机所用帧率为20000fps，所拍图像中每个像素点大小为5μm*5μm，具体步骤如下：
1)取同一液滴飞行过程中任意两个时刻点t1、t2，所得到的质心坐标x1、x2以及液滴脱离时刻点t0；
2)液滴脱离时的速度为：
其中hx＝x2-x1，Δt1＝t2-t1，Δt2＝t1-t0，g为重力加速度取9.8m/s2。
液滴激发时逐渐减小激发功率并记录一系列功率值下的液滴脱离速度，直到阈值出现并记录此时毛细波高度。
根据阈值处毛细波高度和超声驱动功率实现用已知表面张力的试剂预测未知试剂的表面张力，具体如下：
利用超声驱动功率P以及测量得到的密度ρ、声速c和毛细波高度h，根据下式得到试剂的表面张力：
其中σ1、ρ1、c1、h1、P1为已知第一试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率，σ2、ρ2、c2、h2、P2为未知第二试剂的表面张力、密度、声速、毛细波高度和阈值处超声驱动功率。
对于未知试剂粘度的预测，通过建立多种已知粘度试剂的脱离速度-超声驱动功率数据集和脱离速度-毛细波高度数据集来实现。其中液滴脱离速度是液滴脱离瞬间向上飞行的初始速度，该速度与超声驱动功率成正比，而液滴脱离瞬间的毛细波高度与液滴脱离速度成正比，且在液滴脱离速度相同的情况下，随着试剂粘度的增大所需超声驱动功率将成比例增加，同时对应的毛细波高度也成比例增大，如图7、图8所示，所以在建立多种试剂的相关特征参数的数据库之后，可以作为预测未知试剂粘度的标准。进行预测时，得到任意一速度点处毛细波高度和超声驱动功率，对比已知数据库得到粘度信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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