1、 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 中文摘要基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究中文摘要基于介电湿润效应的数字微流控技术是近年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术，该技术可实现液滴的分配、液滴的分离与合并、液滴的输运四项基本操控，具有试剂消耗量少、试剂分析耗时短、设备体积小等特点，因此在生物、化学、光学透镜等领域得到了非常广泛的应用。本文针对目前微量液滴操作的迫切需求，从介电湿润驱动机理分析入手，开展微量液滴驱动理论研究，通过建立模型与数值仿真分析液滴受力、分析实现低电压驱动微流控芯片的实现方法，最后通过实验分别验证了低电压驱动芯片降低驱动电压的
2、效果及基于液滴位置检测系统保证液滴连续运动的效果。首先，介绍电毛细管现象、电湿润现象和介电湿润的原理；然后研究固液接触面表面束缚电荷作用机理。利用仿真软件 COMSOL Multiphysics 4.3对“介电湿润芯片液滴”系统 中的电场，压 力场和流场进行了数值仿真，数值仿真结果表明电场形成后在固液接触面上的正负离子、分子相互吸引产生静电力，使液滴表面张力发生改变，液滴左右两侧不对称的张力改变使液滴内部产生流体静力学压力，液滴在流体静力学压力的作用下产生运动。运用“三自由体表示” 法描述了液滴从静止到 实现运动的过程。其次，根据能量最小化原理针对液滴在一个运动周期中不同阶段的受力进行了推导，
3、通过数值仿真得到了一个运动周期中不同阶段的受力情况，仿真结果表明驱动电极在垂直于液滴运动方向上的长度越大液滴所受到的介电驱动力也就越大，该仿真结果有助于对介电湿润芯片进行优化。然后采用不同参数对液滴的受力进行仿真，并行了对比分析，发现提高驱动电压能获得较大的介电驱动力。并根据液滴所受驱动力与阻力建立了液滴的动能方程，数值仿真了液滴所受各个阻力，得到液滴所受介电驱动力相同情况下可以通过降低三相接触线摩擦力和极板剪切力的方法对介电湿润芯片进行优化设计。然后，以降低介电湿润芯片驱动电压为目的，对芯片进行了优化设计，设计了悬I空零电极结构的介电湿润芯片，数值仿真结果表明悬空零电极结构能降低液滴运动时受
4、到的三相接触线摩擦力和极板剪切力。对比传统的方形和叉齿形驱动电极，设计了半月形驱动电极，数值仿真结果表明三种驱动电极结构（四种布局）中半月形的驱动电极上液滴的受力达到最大值时所需时间最短，而且液滴在被成功驱动前，同一驱动电压下的液滴发生局部运动的部分较大，因此，半月形驱动电极的介电湿润芯片不但能以较低的驱动电压驱动液滴，而且同等大小的驱动电压下液滴的运动速度最大。然后根据液滴分离的原理分析了不同电极形状及布局对液滴分离的影响，得到相对布局的半月形驱动电极有利于液滴的分离。最后，悬空零电极结构的介电湿润芯片实验结果表明悬空零电极的结构设计能提高液滴运动速度，能相对降低芯片驱动电压。对比传统的方形
5、和叉齿形驱动电极实验结果表明本文设计的半月形驱动电极具有降低芯片驱动电压的效果，同时液滴运动的连续性得到了提高。相对于方形和叉齿形驱动电极，实验结果表明相对布局的半月形驱动电极分离液滴的效率最高，液滴分离时的驱动电压最低。根据检测“介电湿润芯片液滴”系 统等效电容的 办法对液滴的位置进行实时检测，实验结果表明当液滴运动发生中断时能够对液滴的位置进行实时反馈，保证了液滴的连续运动。本课题涉及多学科交叉研究与应用，文中所使用的理论、方法及得到的结论对进一步深入研究和设计基于介电湿润效应的数字微流控芯片具有一定的启发和指导意义。关键词：数字微流控芯片；介电湿润；微液滴；悬空零电极；半月形驱动电极作
6、者：许晓威指导教师：陈立国IIDriving Mechanism and Manipulation of Droplets based on Electrowetting on Dielectric AbstractDriving Mechanism and Manipulation of Droplets based onElectrowetting on DielectricAbstractElectrowetting-on-dielectric (EWOD) based digital microfluidics is a new technologythat permits manip
7、ulation of liquid droplets on an array of electrodes. Using thistechnology, nanoliter to microliter size droplets of different samples and reagents can bedispensed from reservoirs, moved, split, and merged together. This technology has a greatdeal of advantages, such as less regent consumption, less
8、 time consuming and device ofsmall size. Thereby, EWOD based digital microfluidics has a very wide range ofapplications in fields of biology, chemistry, optical lens and so on. This paper focuses onthe impending demand on micro-droplet manipulation. Firstly, we go about the mechanismof droplets moti
9、on from the condition of rest to moving. Whereafter, we study the dropletforce analysis and implementations to reduce the driving voltage by means of modelingand numerical simulation. Finally, experimental results validate the efficiency of reducingdriving voltage and the performance of droplet posi
10、tion detecting system for successivedroplet motion.Firstly, the principles of electrocapillary, the electrowetting and electrowetting on thedielectric are presented, then the mechanism of bound charge effect on the solid-liquidcontact surface is studied; and afterwards the electric field, the pressu
11、re field and the flowfield of EWOD devicedroplet are numerically simulated in software COMSOLMultiphysics 4.3, simulated results demonstrate that static force will arise when positiveand negative ionsmolecules attract each other in electric field, and the static force willmake the surface force of d
12、roplet change, then fluid statics pressure will arise due to theasymmetrical change of surface force, then droplet will move under the enough fluidstatics pressure; three free body diagrams is used to depict droplets motion from thecondition of rest to moving.Secondly, the dynamic equation is set up
13、 baesd on the forces exerted on the droplet；whereafter deducing the force equations exerted on the droplet during different timequantum in one period of motion based on energy minimization principle, and the forcesIIIAbstract Driving Mechanism and Manipulation of Droplets based on Electrowetting on
14、Dielectricare numerically simulated；the simulated results demonstrate that the longer width ofelectrode can be able to obtain greater driving force which will contribute to the optimalstructure design.Thirdly, optimization design is exerted on the factors reducing the driving voltage, asuspended gro
15、und electrode is designed, and the numerical simulated results demonstratethat the suspended ground electrode structure can be able to reduce the tree contact lineforce and plate shear force. Meanwhile, a crescent electrode was designed in comparisonwith conventional square and jagged driving electr
16、odes. The numerical simulated resultsdemonstrate that among three different electrodes (four different layouts), the dropletlocating on the crescent electrode can reach the maximum stress value occupyingminimum duration, with larger partial motion at the same voltage before it is successfullydriven.
17、 Therefore, the crescent electrode can not only drive droplet at low voltage, but alsomake the droplet obtain the maximum velocity at the same voltage. Afterwards we analyzethe influence of different electrode layouts to the droplet splitting on the basis of dropletsplitting principle, and the resul
18、ts demonstrate that the opposite crescent electrode ispropitious to droplet splitting.The experimental results demonstrate that the suspended ground electrode EWODdevice can obtain higher droplet velocity and reduce the driving voltage relatively.Experiments in comparison with conventional square an
19、d jagged driving electrodesdemonstrate that the crescent electrode EWOD device possess the ability that reducing thedriving voltage. At the same time, the opposite crescent electrode is the most efficient todroplet splitting at lowest driven voltage among different electrode layout. We sense thedrop
20、lets position through detecting the equivalent capacitance of EWOD device-dropletand prove that the location of the droplet can get feedback in real time to achievesuccessive droplet motion while the droplets movement is broken down.This paper involves multi-disciplinary intercross investigation and
21、 applications, thetheory, methods and conclusions in this paper can be useful andvaluable to a certain extent for further development of EWOD based DMF andresearch on manipulation of droplets.Keywords: digital microfluidics device, electrowetting-on-dielectric, micro-droplets,suspended ground electr
22、ode, crescent electrodeWriten by Xu XiaoweiSupervised by Chen LiguoIV目录第 1章绪论11.1课题研究背景和意义.11.2国内外基于介电湿润效应的数字微流控技术研究现状.21.2.1介电湿润芯片的优化设计31.2.2数值仿真研究41.2.3微液滴操控研究61.3基于介电湿润效应的数字微流控芯片的应用.81.3.1化学、生物领域的应用91.3.2基于介电湿润效应的数字微流控芯片在其他领域的应用131.4本文的研究内容.15参考文献16第 2章基于介电湿润效应的液滴驱动机理272.1引言.272.2电毛细管现象和电湿润现象.272
23、.3介电湿润的基本理论.302.3.1李普曼杨氏方程的推导302.3.2介电湿润技术的四项操控312.4固液接触面表面束缚电荷作用机理研究.352.4.1固液接触面的极化机理352.4.2电场对固液接触面电荷的影响372.5 介电湿润芯片液滴”系统电场数值仿真研究402.5.1 介电湿润芯片液滴”系统的控制方程及边界条件的设定.402.5.2数值仿真结果及讨论432.6流体静力学压力数值仿真研究.462.6.1流体体积法建模462.6.2压力场与流场数值仿真结果及讨论492.6.3液滴从静止到实现运动的过程表述502.7本章小结.53参考文献54第 3章“芯片 液滴” 系统力学建模与数 值仿真
24、研究 593.1引言.593.2液滴所受介电驱动力建模.593.2.1液滴在不同阶段受力建模593.2.2不同驱动电压对介电驱动力的影响673.2.3体积对介电驱动力的影响693.3液滴所受阻力建模与数值仿真研究.703.3.1液滴所受阻力建模703.3.2液滴所受阻力数值仿真结果与讨论723.4本章小结.73参考文献73第 4章低驱动电压介电湿润芯片的设计754.1引言.754.2降低介电湿润芯片驱动电压方法的研究.754.3悬空零电极介电湿润芯片的设计.774.3.1液滴受力分析774.3.2双极板与悬空零电极结构液滴受力数值仿真794.4半月形驱动电极介电湿润芯片的设计.814.4.1驱
25、动电极介绍814.4.2流体体积法数值仿真研究824.4.3不同形状驱动电极上液滴受力分析844.4.4不同形状驱动电极上液滴受力仿真结果及讨论874.5不同驱动电极形状与布局对液滴分离影响的研究.914.6本章小结.93参考文献94第 5章微液滴操控实验研究965.1引言.965.2实验系统建立.965.2.1介电湿润芯片制作965.2.2介电湿润芯片外围控制电路设计995.3悬空零电极介电湿润芯片微液滴操控实验及讨论.1025.3.1实验平台建立1025.3.2微液滴驱动实验及讨论1035.4半月形驱动电极介电湿润芯片液滴操控实验及讨论.1065.4.1实验平台建立1065.4.2不同形状
26、驱动电极介电湿润芯片驱动液滴实验及讨论1065.5不同电极形状介电湿润芯片分离微液滴实验及讨论.1115.5.1微液滴分离实验1115.5.2芯片不同参数对微液滴分离的影响1125.6微液滴运动位置检测的原理与实现.1155.6.1微液滴位置检测方法的选择1155.6.2基于系统等效电容的微液滴位置检测原理1165.6.3微液滴位置检测系统建立1195.6.4微液滴位置检测操控的实现1215.7本章小结.122参考文献123第 6章总结与展望1256.1总结与创新.1256.2展望.126攻读学位期间公开发表的论文及科研成果128致 谢129基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 第
27、1章 绪论第1 章绪论1.1课题研究背景和意义操控液滴的微流控技术作为输运液滴的载体已经在化学分析、生物医疗等领域获得了非常广泛的应用，该技术被称为“芯片上实验室” （Lab on a chip）或“微全分析系统”（Micro total analysis systems），该技术能够 减少实验试剂的消耗，缩减分析的步骤、能够减小分析设备的体积1-9，该技术在过去 20多年里获得了长足的发展。近10年来在连续流体微流控技术的基础上，以微升、纳升级别的单个液滴为操控对象的数字微流控技术获得了快速的发展10-15 。数字微流控技术所操控的是单个液滴，该技术不需要微管道、微阀和微泵，相对于连续流体微
28、流控技术，数字微流控技术所具有的独特优势就是有效的避免了液体之间的污染，大大减少了试剂消耗量和生物、化学反应的时间16-20 。因此，基于介电湿润效应的数字微流控技术一经提出就得到了广大科研学者的重视。图 1-1基于介电湿润效应的数字微流控技 术：（a）示意图；(b) 液滴四项基本操控到目前，热毛细管法21-23（Thermocapillary）、表面声波法 24-32（Surface acousticwave）、介电电泳法33-39（DielectrophoresisDEP ）、磁力法40-45（Magnetic force）、电湿润法46-54 （Electrowetting）、介电湿润法
29、55-60（Electrowetting-On-DieletricEWOD）1第 1 章绪论 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究和光驱动介电湿润法61-68（Optoelectrowetting）都可以用在数字微流控技术中去实现操控液滴的目的，但介电湿润法凭借其器件结构简单、易加工制作、外围控制电路简单，加工和使用成本低等独特的优势在以上这些方法中脱颖而出，获得了更多的应用。基于介电湿润（EWOD）的数字微流控技术包含有四项基本操控，如图 1-1所示，分别为液滴从储液池被分配出来、分配出的液滴被输运到目标位置、单个液滴被分离成两个液滴、两个液滴可以合并成一个液滴，这四项基本操控是相
30、互独立的。目前国外相关机构针对基于介电湿润效应的数字微流控技术的研究非常活跃，但对液滴从静止到实现运动的机理、液滴输运的控制及低驱动电压的芯片结构等研究还不够深入，许多问题还未得到解决。国内对数字微流控芯片的研究仍处于起步阶段，主要由高校和科研院所进行芯片研制及数值仿真研究。针对介电湿润的数值仿真研究有助于探索其内在机理，同时也使得产品设计周期极大缩短；此外， MEMS技术在保证数字微流控芯片高精度的同时使得其结构更细腻微小，是数字微流控芯片向微型化、集成化和自动化方向发展的重要保障。因此，开展针对基于介电润湿的数字微流控技术的数值仿真和芯片结构优化设计及液滴操控实验研究具有重要的理论意义和应
31、用价值。1.2国内外基于介电湿润效应的数字微流控技术研究现状目前国外相关机构对基于 EWOD的数字微流控技术展开了广泛的研究，具有代表性的机构分别是美国加州大学洛杉矶分校航天与机械系 69-71工程系72-73，美国 纽约罗切斯特大学电气工程与计算机系74-75机械工程学院76，美国普渡大学机械工程学院与 Brick纳米科技中心77多大学机械工业系78，加拿大不列颠哥伦比大学奥肯那校区工程技术学院 79首尔高丽大学电气工程系 80，韩国浦项科技大学机械工程系 81大学82。荷兰屯特大学复杂流体物理研究所83-84和美国杜克大学电子，美国南佛罗里达大学。加拿大多伦。韩国。比利时鲁汶天主教等。国内
32、针对 EWOD技术的研究基本处于起步和跟踪阶段，主要研究机构有清华大学微电子系，清华大学精密仪器研究所，吉林大学机械科学与工程学院，中国科学院大连物理化学研究所，哈尔滨工业大学机电工程学院，上海微系统与信息技术研究所85，上海复旦大学微电子学院周嘉团队 86，台湾国立清华大学机械动力工程系 87 ，台湾国立成功大学电气与微纳科学技术系88，台湾国立交通大学机械工程学院89 等，2基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 第 1章 绪论澳门大学模拟和混合信号国家重点实验室90 。总结以上相关科研机构的研究成果，相关研究主要集中在以下三方面：1.2.1介电湿润芯片的优化设计介电湿润效应中驱动
33、电压的选择是一个很重要的问题，如果驱动电压过大（超过100V）时会带来很多问题，例如：(1)很难和 CMOS工艺进行兼容；(2)会使微液滴发生电解，击穿介电层损坏芯片；(3)会对液滴中所携带的蛋白质、酶等活性物质造成损伤；(4)不利于芯片系统的便携，所以驱动电压越低越好。李普曼杨氏方程（Lippmann-Young）方程可用来描述液滴施加电压前后接触角，介电材料性质和所施加电压的关系，如式(1-1)：r02 LGcosV cos0 V 2t(1-1)式(1-1)中 V表示施加驱动电压后液滴的接触角， 0表示初始时刻液滴的接触角，由李普曼杨氏方程可知，要达到降低驱动电压的途径有两个：(1)选择高
34、介电常数的介电层材料；(2)降低芯片介电层的厚度。但当采用第二个途径时芯片工作电压的范围会大大降低，同时还会很容易使介电层发生击穿。为了减小驱动电压对液滴中活性物质（如酶、蛋白质等）的损坏，国内外学者通过添加表面活性剂或增加环境媒介（如硅油等）来降低工作电压91 ，但是表面活性剂和硅油的加入会污染液滴，而且增加了微流控芯片系统的复杂程度和制造难度，影响分析的准确性。因此，可以通过选用高介电常数的介质层材料 92达到降低驱动电压的目的。 Li等人93采用 Ti 2O5（介电常数 为 825 ）做为介电层，驱动电压降低到 14V ；Chang等人94采用 Al2O3（介电常数为 10）做为介电层材
35、料，使液滴能 够被驱动的电压降低到只有 3V。复旦大学硕士研究生赵平安采用了一种高介电常数的介电材料 P（VDF-TrFE），基于介电湿润设计了单平面电极阵列数字微流控芯片，不仅有效降低了器件的工作电压（30V），而且整个制作工艺流程与 IC完全兼容。 实现了在 20V 驱动电压下对 3微升 PBS 液滴的往返 输运95 。目前，数字微流控芯片结构主要有两种形式，一种是有上下极板的“三明治” 结3第 1 章绪论 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究构形式，另一种是单极板的平面电极阵列形式。图 1-2是 Chong等人96 设计的两种(a) (b)图 1-2 (a)单极板 结构芯片；
36、(b)双极板结构芯片结构数字微流控芯片，图（a）所示的单极板结构，该结构克服了图（b）所示的双极板“三明治”结构的缺点，更能通 过计算机编程实现 多液滴的并行操控。另外，韩国高丽大学的 Chang等人97研制出了一种双胞胎结构的介 电湿润芯片，如图 1-3所示。该数字微流控芯片上下极板相同，上下极板也可以单独做为微流控芯片，该结构的优点是克服了单、双极板各自的缺点，驱动力更大，其主要缺点是增加了上下极板的封装对准难度。图 1-3 双胞胎结构介电湿润芯片总结国内外针对 EWOD芯片的优化设计，我们发现采用高介电常数的介电材料能够降低驱动电压，但通常所采用的替代材料价格较昂贵，制作工艺较复杂；使用
37、硅油或其他活性剂代替空气介质的办法会带来污染，影响分析结果的精度。1.2.2数值仿真研究针对基于 EWOD的数字微流控技术的研究大部分都是采用实验的方法，数值仿真研究起步较晚，但也取得了一定的阶段性成果。现阶段国内外对数字微流控芯片的数值仿真研究主要集中在微液滴的生成机理和影响因素以及芯片结构优化方面。4基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 第 1章 绪论Erickson98在其综述性文献中总结了数字微流控芯片中的主要数值仿真方法和商业软件，数值仿真方法主要有有限元方法、有限容积法和有限差分法；商业仿真软件主要有 CFD-ACE+、Fluent 、FEMLAB、CoventorWar
38、e和 COMSOL Multiphysics等。Jang99等人利用 计算流体动力学软件 CFD-ACE+建立基于介电湿润效应的微液滴数值仿真模型，基于该模型仿真模拟了微液滴的生成、输运及分离等操控过程，并和实验结果做比较，仿真结果和实验结果吻合，如图 1-4所示是微液滴输运过程的仿真和实验结果。(a) (b)图 1-4（a）液滴输运仿真结 果；（b ）液滴输运实验结果图 1-5 基于格子波尔兹曼模型的液滴三维数值仿真模型上海交通大学的洪芳军等人100 对介电湿润单极板结构的数字微流控芯片中的液滴驱动过程进行了数值模拟研究。研究结果表明在液滴向驱动电极运动的过程中液滴形态呈现出摇摆特性，并最终
39、停留在零电极和驱动电极之间。 Clime等人101 建立了如图 1-5 所示的基于介电湿润效应的格子波尔兹曼液滴三维模型，模拟了液滴在交叉平板电极上的输运，并评估了该模型的效率。5第 1 章绪论 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究图 1-6“ 电流体动力学”数值仿真模型Ahmadi102-103把流体动力学和静电力学进行耦合，以“电流体动力学“ 为基础建立了液滴的动态响应模型，如图 1-6所示，通过该模型得到了液滴运动受到的驱动力与各个阻力、每个驱动电极导通的频率的关系模型。总结国内外针对基于介电湿润效应的数字微流控技术数值仿真研究，我们发现通过数值仿真研究能对介电湿润的机理有更清
40、楚的认识，同时对 EWOD芯片的优化设计、液滴实验操控具有指导意义。1.2.3微液滴操控研究Fair等人104于 2000年首次利用介 电湿润技术实现 了去离子水液滴的输运；在此基础上，2001年 Kim等人105 提出了基于介电湿润驱动的可编程数字微流控电路芯片的设想，并于 2003年利用介电湿润在空气中实现了对液滴的生成、输运、分离以及合并四种基本操控，提出了数字微流控电路的思路106。Kim等人接着又利用介电湿润进行了蛋白质分析、溶液中颗粒分离等方面的研究。Pollack等人107 采用“三明治 ”结构的数字微流体芯片，实现了葡萄糖溶液的操控和检测。为了提高液滴的输运速度，Schwart
41、z等人108 研究了没有上极板的开放式数字微流控器件芯片，如图 1-7是其电极阵列基片，单极板开放式结构有利于液滴的并行操控，具有非常好的发展潜力。单极板式电极阵列有利于实现微液滴的布尔逻辑数字控制，按时序控制电极阵列就可操控微液滴在电极单元之间的转移、储存等。2001年，Lee等人109 利用介电湿润按时序实现了液滴的驱动，并提出可寻址的液滴操控概念。此后，微液滴寻址算法研究和液滴调度问题成为该领域研究的热点和难点。Eric等人110 对单极板数字微流6基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 第 1章 绪论控芯片上多个微液滴之间的调度问题做了相关研究，通过较简单的算法能够为液滴的输运
42、、分离等操控选择合适的电极单元路径。图 1-7 单板式电极阵列基片Baird等人111 首次提出了分别作用在液滴前后面上的力分布模型，推导出了含有力分布、液滴几何形状积分布、液滴所处位置、芯片材料等参数的介电湿润力代数模型方程，这为以后介电湿润力的研究奠定了基础。Crane等人112研究水平和垂直方向上作用在微液滴上的力，如图 1-8所示。采用纳米压印的方法图 1-8 纳米压印法测介电湿润力示意图Song等人113 推导出了含有液滴接触角滞后、极板表面和液滴周围介质对运动微液滴的剪切力方程模型。液滴处于平衡状态时的受力方程表示为方程(1-2)：Fm Fdo Fdv (1-2)方程(1-2)中
43、Fm表示作用在液滴上的 驱动力，F do表示微液滴周围介质的对微液滴7第 1 章绪论 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究的剪切力， Fdv 表示上下极板对微液滴的剪切力。在微流控领域，不同液滴之间的合并效率和单个液滴在电场、温度场等场作用下所呈现的特性是很重要的研究课题，因为当把液滴应用在生化分析领域时，液滴要携带蛋白质、酶、细胞等，这就需要对液滴内部的机理进行研究。针对交流电压驱动时液滴内部机理的问题，荷兰屯特大学的 Muggle58 等人做了大量的研究。他们综合研究了在电场、温度场、流场作用下微液滴内部的物理特性。如图 1-9所示为施加不同频率交流电时液滴的内部特性，图（a）中
44、当频率和液滴的流体动力学频率相似时液滴开始共振；图（b）中当交流电频率提高到 18KHz时液滴震动的振幅降低了；图（c ）是当频率加大到 128KHz 时 ，由于焦耳热效应使导电 液滴内部呈现出一定的流场分布规律，电场会渗透液滴，由焦耳热效应产生的欧姆电流会反过来使液滴的导电性提高。图 1-9 不同频率驱动电压时液滴的内部特性实验综上所述，基于介电湿润效应的数字微流控技术的研究已经得到了世界各国学者的广泛关注，其应用领域涉及生物、化学、光学透镜、粒子筛选等，并不断拓展，成为近年来微流控领域的研究热点。在机理研究、芯片设计、实验分析及应用等方面取得了许多突破性的研究成果。但从目前的研究成果来看，
45、大部分学者均采用以实验为主的方法，注重芯片设计、应用研究，而对介电湿润液滴驱动机理以及低电压驱动芯片优化设计的研究较少，而要实现基于介电湿润效应的数字微流控芯片真正的走向市场，关于其驱动机理、操作方法、芯片设计优化等成为亟待解决的关键问题。1.3基于介电湿润效应的数字微流控芯片的应用由于基于介电湿润效应的数字微流控技术拥有许多独特的优势，目前该技术已在众多领域得到了应用，概括起来分为两大部分：第一，生物、化学领域的应用 114；第二，除去生物、化学领域其他的领域，例如，微电子器件的降温、粒子的筛选，光学可变透镜和微型运输器件等。8基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究 第 1章 绪论1
46、.3.1化学、生物领域的应用1.3.1.1化学和酶的反应基于介电湿润效应的数字微流控芯片的一项基本应用就是为化学与酶的反应提供一个良好的平台，具体包括 EWOD芯片储液池中分配出反应试剂液滴、体积的精确测量、以及这些液滴之间的合并和混合。图 1-10碱性磷酸酶（AP）与二磷酸荧光素(FDP) 反应动力学实验利用数字微流控芯片研究酶反应动力学具有独特的优势，例如，Miller和 Wheer发明了第一片在空气介质中操控的用于酶反应的数字微流控芯片115，图 1-10为其研究成果，他们研究了碱性磷酸酶动力学和活动，并对二磷酸荧光素的产物进行了量化处理。操控相关液滴时不使用硅油作为介质使数字微流控芯片
47、能够操作更多种类的试剂，从而避免了疏水性物质与硅油之间的反应，提高了分析的精度。1.3.1.2免疫分析免疫分析法是一种利用抗原抗体特异性结合反应检测各种物质（如药物、激素、蛋白质等）的分析方法。在实际的免疫分析过程中首要任务是把抗体与目标分析物进行结合，Sista等人利用数字微流控芯片中携带了一定数量的顺磁粒子检测胰岛素与白细胞间介素-6的含量，顺磁粒子的磁性由液滴内的抗体进行调节 116，如图 1-11所示。Rastogi等人117利用数字微流控芯片进行免疫分析，如图 1-12所示，相比于传统方法，使用基于介电湿润技术进行免疫分析耗时更短，同等实验条件下实验结果与理论值更接近。9第 1 章绪
48、论 基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法研究图 1-11顺磁粒子检测胰岛素与白 细胞间介素-6 的含量实验图 1-12 免疫分析实验(a) (b)（b）图 1-13 DNA连接反应：（a）示意图；（b ）实验过程1.3.1.3基于 DNA的应用DNA样本的操作和特征表示是许多相关领域的关键一步，例如药物研究和筛选、医疗诊断、基因修复等领域都涉及到 DNA的操作和特征表示，关于 DNA 的操作对相应的平台提出了新的要求，即平台的体积小、试剂的体积小、试剂的消耗量小、很明显，EWOD芯片能够满足这些新的要求，因此越来越多的研究者开始利用 EWOD10基于介电湿润效应的微液滴驱动机理与操作方法
49、研究 第 1章 绪论芯片进行 DNA操作，能够利用 EWOD芯片所进行的 DNA 操作有 DNA样本的提取和精制、通过连接反应对 DNA进行重组、DNA杂交分析、聚合酶链反应（PCR）和焦磷酸测序等。Liu等人发明了一种能够加速 DNA连接反应速度的 EWOD芯片118，如图 1-13所示，通过合并含有 DNA载体的液滴，然后把液滴中的 DNA 输运到含有 DNA连接酶的储液池中，该种方法总的试剂消耗量是 2.1L，而使用传统的带有微管道的连续流体操控方法完成相同操控时的最少试剂消耗量是 15L。1.3.1.4临床诊断临床诊断分为四个过程：样本的收集、处理、分析和检测。许多研究者已经利用EWOD芯片进行样本的处理和样本的分析。Jebrail等人119 利用数字微流控技术检测新生患病婴儿干血样本中的胺酸，以用来诊断相关的遗传疾病，利用该技术能够准确的诊断
