基于微流体脉冲驱动控制技术的微量试剂分配方法及应用研究

章维一等

摘要：随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学领域的试剂用量已减小至纳升乃至皮升水平，为实现高精度的微量试剂分配，研制了基于微流体脉冲驱动控制技术的双通道微量试剂分配系统，以甘油溶液为分配试剂，研究了试剂粘度、微喷嘴出口内径、驱动频率和电压幅值对分配量的影响，在系统参量驱动电压为70 V、驱动频率为4 Hz、微喷嘴出口内径为100 μm的条件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，进行混合反应实验，制备具有pH值梯度的3×3磷酸盐缓冲液微阵列，并加入pH值指示剂，检测混合后溶液的酸碱性。结果表明，所制备的pH梯度微阵列样点直径相对标准偏差（n=9）为0.8%，样点反应充分、颜色均匀且梯度变化明显。基于微流体脉冲驱动控制技术的微量试剂分配方法分配精度较高、重复性好，能够实现对不同粘度试剂的自动化、并行及微量（pL级）分配，无需独立的“反应池”即可实现多种试剂的微量配比及反应。

关键词：微量试剂分配；双通道；微流体脉冲驱动控制技术

1引言

在蛋白质结晶、药物筛选和基因测序等生命科学研究领域，微量生物试剂快速和精确的分配操作已成为不可或缺的实验手段[1～5]。实验中常需将一种或多种生化试剂按不同体积转移到同一微孔内进行反应分析。随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学实验通量化要求的不断提高，单次实验中试剂用量不断减少，对试剂分配的速度、精度等提出了更高的要求。开展分配试剂体积小（纳升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自动化微量分配技术研究，对提高试剂分配精度及分析效率，降低昂贵试剂的消耗使成本降低，缩短试剂间的反应时间，从而促进生物工程领域实验技术水平的提高，具有重要意义[6～9]。

目前，自动化微量试剂操作方法主要有接触式和非接触式两种分配方式。接触式分配方法是将喷嘴与微孔板接触，依靠界面力作用将试剂转移到微孔板内，该方法简单灵活，但是分配时针尖与基板接触可能会带来污染，并且当分配体积小至纳升级别时，难以实现精确分配[10]。

非接触式试剂分配方法中喷嘴无需与基板接触，而是依靠外力提供足够的能量使液滴克服表面张力、粘度等的影响从喷嘴中喷出。相比接触式分配方法，分配速度快，不易污染，分配试剂体积更小，得到广泛应用，成为微量生物试剂分配的主要方式。目前的非接触式微量分配技术根据驱动原理的不同主要可分为容积式压电驱动、热泡式驱动、气体压力直接驱动式等驱动类型：容积式压电驱动是利用压电陶瓷的在电压脉冲下变形使腔体体积变化挤压试剂从喷嘴喷出，响应速度快、频响范围宽，分配体积可达皮升级，但压电式喷头结构复杂，造价较高，不易拆卸与维修，一旦喷嘴被堵，会造成较大经济损失[11]。热气泡式喷射技术驱动原理简单易行、可实现喷嘴阵列的高密度集成，然而喷射时需要加热，会影响生物样品活性[12]。气体压力直接驱动结构简单， 适用性广， 可在较高温工作； 然而，随着液体腔液面逐渐下降会出现喷射不稳定现象， 液滴可控性较差[13]。

微流体脉冲驱动控制技术也可称为微流体数字化技术，通过简洁的无热源、无阀的微分配系统满足试剂的微量（皮升级）分配[14]。为了解决现有的微量试剂分配技术中存在的问题，本实验研制基于微流体脉冲驱动控制技术的精确分配系统，实现微量试剂的双通道并行和自动化分配，研究多种参数对分配量的影响，对磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）进行了不同比例混合及反应，以制备pH梯度溶液微阵列。

2基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法

微流体脉冲驱动控制技术以脉冲惯性力作为液体喷射的主动力，其中脉冲惯性力可以通过各种撞击、振动等方式产生[14]。由于压电器件产生脉冲惯性力的方式具有响应频率高、电压位移动态响应好等特点，因此本研究采用压电致动器作为动力源，产生微流体脉冲惯性力；微流体脉冲驱动控制系统参量包括：驱动电压波形（驱动波形）、驱动频率f、电压幅值U、微喷嘴出口内径d； 通过给压电致动器加载驱动波形，驱动压电致动器来产生脉冲惯性力，波形为“陡升缓降”波形[15]，如图1所示，在电压从0 V瞬间上升至电压幅值时， 压电致动器产生先正后负的加速度，产生惯性力并传递至微喷嘴，可通过改变电压幅值来改变压电致动器加速度的大小，以控制脉冲惯性力的大小，从而精准地控制单次喷射液体的体积；装置上既无微可动件， 又无嵌入式微电路，可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断，工作条件利于保持生物活性，结构简单、成本低[16]。

系统示意图如图1所示，微喷嘴通过连接块与压电致动器可动端固连在一起，压电致动器在驱动波形的作用下带动微喷嘴一起振动，从而产生微液滴。微喷嘴尾部连有压力调节装置，产生正压或负压，以实现微喷嘴的供液、排液及清洗；数码显微镜用于实时监测分配状态。

系统的控制电路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）内置的32位软核作处理器，可以产生两路驱动波形。上位机发送控制字与数据，通过RS232接口与下位机通信，驱动波形的电压幅值及频率可调，电压幅值可调范围：0～80 V， 驱动频率可调范围：1～256 Hz，波形经过功率放大器放大后驱动压电致动器。二维工作台与驱动波形联动，其联动方式为：二维工作台运动至某一位置点后，单通道/双通道产生单个/多个驱动波形驱动压电致动器，生成的液滴由放在二维运动工作台上的基板接收，然后电机运行至下一位置，如此反复，完成试剂在每一位置的精确分配。

微喷嘴为分配系统的重要器件，采用硼硅酸盐玻璃毛细管作为材料，具有良好的耐腐蚀性。制作过程为：激光光束照射到玻璃毛细管中间位置，对玻璃毛细管加热，当温度达到预定温度时，在玻璃毛细管两端的拉力作用下，玻璃毛细管被拉长。为了拉制出所需形貌的微喷嘴，可以通过调节加热温度、加热时间和加热区域长度等参数，在锻制仪上截断拉制的微喷嘴，最终得到任意出口内径的微喷嘴。图2所示为锻制好的微喷嘴实物的显微照片，微喷嘴出口内径d=100 μm，本研究中统一使用前收缩角θ1=35°，后收缩角θ2=3.9°的微喷嘴。

3结果与讨论

基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法中，影响单次分配体积的因素有：微流体脉冲驱动控制系统参量、分配试剂粘度和倾斜角度（微喷嘴与竖直方向夹角）等，其中分配试剂粘度、驱动频率、电压幅值与微喷嘴出口内径对单次喷射量影响显著[15]。因此， 统一采用倾斜角度为15°，针对不同粘度试剂，选用不同出口内径的微喷嘴，在不同驱动频率及电压幅值下进行基础实验。在此实验的基础上使用磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）制备具有pH梯度的微阵列。

需对玻璃或陶瓷基板（白色）进行疏水化处理，以获得更好的液滴圆整度和更大的液滴接触角，且使系统对两种溶液进行分配时两种溶液能够更充分地混合及反应。目前构造具有疏水化性能的表面主要通过两种途径：一种是在构造出的粗糙表面上修饰低表面能物质；另一种是在具有低表面能物质的表面上构造出粗糙表面。本研究采用溶胶凝胶法制备疏水化薄膜，以氨基丙烯酸树脂为成膜树脂，二甲苯为溶剂，与SiO2纳米粒子高速剪切搅拌混合，静置、沉化后， 即制得溶胶悬浮液。采用喷涂的方法，将制成的悬浮液均匀涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，静置一段时间后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂层的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴体积测量方法

在现有的分辨率可达皮升级的微量生物试剂分配系统中，实际分配操作时都未在靠近出液口附近检测实际的液体转移量，本系统亦为开环控制。

为了精确控制分配液体的体积，需要对单次分配的微液滴体积进行测量，由于液滴体积较小，直接进行质量测量或传统的体积测量方式难以精确测量出分配的液体体积，采用的测量方法为：将液滴喷入香柏油中，由于液滴与香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈现为清楚的可分辨的球体，如图3所示。利用显微图像处理系统，经过图像采集卡，将采集到的数据传送至计算机进行图像处理，对多个液滴进行数据采样，计算出喷射液滴的平均直径，得出分配体积的大小。

摘要：随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学领域的试剂用量已减小至纳升乃至皮升水平，为实现高精度的微量试剂分配，研制了基于微流体脉冲驱动控制技术的双通道微量试剂分配系统，以甘油溶液为分配试剂，研究了试剂粘度、微喷嘴出口内径、驱动频率和电压幅值对分配量的影响，在系统参量驱动电压为70 V、驱动频率为4 Hz、微喷嘴出口内径为100 μm的条件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，进行混合反应实验，制备具有pH值梯度的3×3磷酸盐缓冲液微阵列，并加入pH值指示剂，检测混合后溶液的酸碱性。结果表明，所制备的pH梯度微阵列样点直径相对标准偏差（n=9）为0.8%，样点反应充分、颜色均匀且梯度变化明显。基于微流体脉冲驱动控制技术的微量试剂分配方法分配精度较高、重复性好，能够实现对不同粘度试剂的自动化、并行及微量（pL级）分配，无需独立的“反应池”即可实现多种试剂的微量配比及反应。

关键词：微量试剂分配；双通道；微流体脉冲驱动控制技术

1引言

在蛋白质结晶、药物筛选和基因测序等生命科学研究领域，微量生物试剂快速和精确的分配操作已成为不可或缺的实验手段[1～5]。实验中常需将一种或多种生化试剂按不同体积转移到同一微孔内进行反应分析。随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学实验通量化要求的不断提高，单次实验中试剂用量不断减少，对试剂分配的速度、精度等提出了更高的要求。开展分配试剂体积小（纳升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自动化微量分配技术研究，对提高试剂分配精度及分析效率，降低昂贵试剂的消耗使成本降低，缩短试剂间的反应时间，从而促进生物工程领域实验技术水平的提高，具有重要意义[6～9]。

目前，自动化微量试剂操作方法主要有接触式和非接触式两种分配方式。接触式分配方法是将喷嘴与微孔板接触，依靠界面力作用将试剂转移到微孔板内，该方法简单灵活，但是分配时针尖与基板接触可能会带来污染，并且当分配体积小至纳升级别时，难以实现精确分配[10]。

非接触式试剂分配方法中喷嘴无需与基板接触，而是依靠外力提供足够的能量使液滴克服表面张力、粘度等的影响从喷嘴中喷出。相比接触式分配方法，分配速度快，不易污染，分配试剂体积更小，得到广泛应用，成为微量生物试剂分配的主要方式。目前的非接触式微量分配技术根据驱动原理的不同主要可分为容积式压电驱动、热泡式驱动、气体压力直接驱动式等驱动类型：容积式压电驱动是利用压电陶瓷的在电压脉冲下变形使腔体体积变化挤压试剂从喷嘴喷出，响应速度快、频响范围宽，分配体积可达皮升级，但压电式喷头结构复杂，造价较高，不易拆卸与维修，一旦喷嘴被堵，会造成较大经济损失[11]。热气泡式喷射技术驱动原理简单易行、可实现喷嘴阵列的高密度集成，然而喷射时需要加热，会影响生物样品活性[12]。气体压力直接驱动结构简单， 适用性广， 可在较高温工作； 然而，随着液体腔液面逐渐下降会出现喷射不稳定现象， 液滴可控性较差[13]。

微流体脉冲驱动控制技术也可称为微流体数字化技术，通过简洁的无热源、无阀的微分配系统满足试剂的微量（皮升级）分配[14]。为了解决现有的微量试剂分配技术中存在的问题，本实验研制基于微流体脉冲驱动控制技术的精确分配系统，实现微量试剂的双通道并行和自动化分配，研究多种参数对分配量的影响，对磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）进行了不同比例混合及反应，以制备pH梯度溶液微阵列。

2基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法

微流体脉冲驱动控制技术以脉冲惯性力作为液体喷射的主动力，其中脉冲惯性力可以通过各种撞击、振动等方式产生[14]。由于压电器件产生脉冲惯性力的方式具有响应频率高、电压位移动态响应好等特点，因此本研究采用压电致动器作为动力源，产生微流体脉冲惯性力；微流体脉冲驱动控制系统参量包括：驱动电压波形（驱动波形）、驱动频率f、电压幅值U、微喷嘴出口内径d； 通过给压电致动器加载驱动波形，驱动压电致动器来产生脉冲惯性力，波形为“陡升缓降”波形[15]，如图1所示，在电压从0 V瞬间上升至电压幅值时， 压电致动器产生先正后负的加速度，产生惯性力并传递至微喷嘴，可通过改变电压幅值来改变压电致动器加速度的大小，以控制脉冲惯性力的大小，从而精准地控制单次喷射液体的体积；装置上既无微可动件， 又无嵌入式微电路，可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断，工作条件利于保持生物活性，结构简单、成本低[16]。

系统示意图如图1所示，微喷嘴通过连接块与压电致动器可动端固连在一起，压电致动器在驱动波形的作用下带动微喷嘴一起振动，从而产生微液滴。微喷嘴尾部连有压力调节装置，产生正压或负压，以实现微喷嘴的供液、排液及清洗；数码显微镜用于实时监测分配状态。

系统的控制电路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）内置的32位软核作处理器，可以产生两路驱动波形。上位机发送控制字与数据，通过RS232接口与下位机通信，驱动波形的电压幅值及频率可调，电压幅值可调范围：0～80 V， 驱动频率可调范围：1～256 Hz，波形经过功率放大器放大后驱动压电致动器。二维工作台与驱动波形联动，其联动方式为：二维工作台运动至某一位置点后，单通道/双通道产生单个/多个驱动波形驱动压电致动器，生成的液滴由放在二维运动工作台上的基板接收，然后电机运行至下一位置，如此反复，完成试剂在每一位置的精确分配。

微喷嘴为分配系统的重要器件，采用硼硅酸盐玻璃毛细管作为材料，具有良好的耐腐蚀性。制作过程为：激光光束照射到玻璃毛细管中间位置，对玻璃毛细管加热，当温度达到预定温度时，在玻璃毛细管两端的拉力作用下，玻璃毛细管被拉长。为了拉制出所需形貌的微喷嘴，可以通过调节加热温度、加热时间和加热区域长度等参数，在锻制仪上截断拉制的微喷嘴，最终得到任意出口内径的微喷嘴。图2所示为锻制好的微喷嘴实物的显微照片，微喷嘴出口内径d=100 μm，本研究中统一使用前收缩角θ1=35°，后收缩角θ2=3.9°的微喷嘴。

3结果与讨论

基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法中，影响单次分配体积的因素有：微流体脉冲驱动控制系统参量、分配试剂粘度和倾斜角度（微喷嘴与竖直方向夹角）等，其中分配试剂粘度、驱动频率、电压幅值与微喷嘴出口内径对单次喷射量影响显著[15]。因此， 统一采用倾斜角度为15°，针对不同粘度试剂，选用不同出口内径的微喷嘴，在不同驱动频率及电压幅值下进行基础实验。在此实验的基础上使用磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）制备具有pH梯度的微阵列。

需对玻璃或陶瓷基板（白色）进行疏水化处理，以获得更好的液滴圆整度和更大的液滴接触角，且使系统对两种溶液进行分配时两种溶液能够更充分地混合及反应。目前构造具有疏水化性能的表面主要通过两种途径：一种是在构造出的粗糙表面上修饰低表面能物质；另一种是在具有低表面能物质的表面上构造出粗糙表面。本研究采用溶胶凝胶法制备疏水化薄膜，以氨基丙烯酸树脂为成膜树脂，二甲苯为溶剂，与SiO2纳米粒子高速剪切搅拌混合，静置、沉化后， 即制得溶胶悬浮液。采用喷涂的方法，将制成的悬浮液均匀涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，静置一段时间后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂层的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴体积测量方法

在现有的分辨率可达皮升级的微量生物试剂分配系统中，实际分配操作时都未在靠近出液口附近检测实际的液体转移量，本系统亦为开环控制。

为了精确控制分配液体的体积，需要对单次分配的微液滴体积进行测量，由于液滴体积较小，直接进行质量测量或传统的体积测量方式难以精确测量出分配的液体体积，采用的测量方法为：将液滴喷入香柏油中，由于液滴与香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈现为清楚的可分辨的球体，如图3所示。利用显微图像处理系统，经过图像采集卡，将采集到的数据传送至计算机进行图像处理，对多个液滴进行数据采样，计算出喷射液滴的平均直径，得出分配体积的大小。

摘要：随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学领域的试剂用量已减小至纳升乃至皮升水平，为实现高精度的微量试剂分配，研制了基于微流体脉冲驱动控制技术的双通道微量试剂分配系统，以甘油溶液为分配试剂，研究了试剂粘度、微喷嘴出口内径、驱动频率和电压幅值对分配量的影响，在系统参量驱动电压为70 V、驱动频率为4 Hz、微喷嘴出口内径为100 μm的条件下，按照不同比例分配Na2HPO4KH2PO4溶液，进行混合反应实验，制备具有pH值梯度的3×3磷酸盐缓冲液微阵列，并加入pH值指示剂，检测混合后溶液的酸碱性。结果表明，所制备的pH梯度微阵列样点直径相对标准偏差（n=9）为0.8%，样点反应充分、颜色均匀且梯度变化明显。基于微流体脉冲驱动控制技术的微量试剂分配方法分配精度较高、重复性好，能够实现对不同粘度试剂的自动化、并行及微量（pL级）分配，无需独立的“反应池”即可实现多种试剂的微量配比及反应。

关键词：微量试剂分配；双通道；微流体脉冲驱动控制技术

1引言

在蛋白质结晶、药物筛选和基因测序等生命科学研究领域，微量生物试剂快速和精确的分配操作已成为不可或缺的实验手段[1～5]。实验中常需将一种或多种生化试剂按不同体积转移到同一微孔内进行反应分析。随着生物分析技术和高通量筛选技术的发展，生命科学实验通量化要求的不断提高，单次实验中试剂用量不断减少，对试剂分配的速度、精度等提出了更高的要求。开展分配试剂体积小（纳升乃至皮升水平）、操作速度快及分配精度高的自动化微量分配技术研究，对提高试剂分配精度及分析效率，降低昂贵试剂的消耗使成本降低，缩短试剂间的反应时间，从而促进生物工程领域实验技术水平的提高，具有重要意义[6～9]。

目前，自动化微量试剂操作方法主要有接触式和非接触式两种分配方式。接触式分配方法是将喷嘴与微孔板接触，依靠界面力作用将试剂转移到微孔板内，该方法简单灵活，但是分配时针尖与基板接触可能会带来污染，并且当分配体积小至纳升级别时，难以实现精确分配[10]。

非接触式试剂分配方法中喷嘴无需与基板接触，而是依靠外力提供足够的能量使液滴克服表面张力、粘度等的影响从喷嘴中喷出。相比接触式分配方法，分配速度快，不易污染，分配试剂体积更小，得到广泛应用，成为微量生物试剂分配的主要方式。目前的非接触式微量分配技术根据驱动原理的不同主要可分为容积式压电驱动、热泡式驱动、气体压力直接驱动式等驱动类型：容积式压电驱动是利用压电陶瓷的在电压脉冲下变形使腔体体积变化挤压试剂从喷嘴喷出，响应速度快、频响范围宽，分配体积可达皮升级，但压电式喷头结构复杂，造价较高，不易拆卸与维修，一旦喷嘴被堵，会造成较大经济损失[11]。热气泡式喷射技术驱动原理简单易行、可实现喷嘴阵列的高密度集成，然而喷射时需要加热，会影响生物样品活性[12]。气体压力直接驱动结构简单， 适用性广， 可在较高温工作； 然而，随着液体腔液面逐渐下降会出现喷射不稳定现象， 液滴可控性较差[13]。

微流体脉冲驱动控制技术也可称为微流体数字化技术，通过简洁的无热源、无阀的微分配系统满足试剂的微量（皮升级）分配[14]。为了解决现有的微量试剂分配技术中存在的问题，本实验研制基于微流体脉冲驱动控制技术的精确分配系统，实现微量试剂的双通道并行和自动化分配，研究多种参数对分配量的影响，对磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）进行了不同比例混合及反应，以制备pH梯度溶液微阵列。

2基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法

微流体脉冲驱动控制技术以脉冲惯性力作为液体喷射的主动力，其中脉冲惯性力可以通过各种撞击、振动等方式产生[14]。由于压电器件产生脉冲惯性力的方式具有响应频率高、电压位移动态响应好等特点，因此本研究采用压电致动器作为动力源，产生微流体脉冲惯性力；微流体脉冲驱动控制系统参量包括：驱动电压波形（驱动波形）、驱动频率f、电压幅值U、微喷嘴出口内径d； 通过给压电致动器加载驱动波形，驱动压电致动器来产生脉冲惯性力，波形为“陡升缓降”波形[15]，如图1所示，在电压从0 V瞬间上升至电压幅值时， 压电致动器产生先正后负的加速度，产生惯性力并传递至微喷嘴，可通过改变电压幅值来改变压电致动器加速度的大小，以控制脉冲惯性力的大小，从而精准地控制单次喷射液体的体积；装置上既无微可动件， 又无嵌入式微电路，可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断，工作条件利于保持生物活性，结构简单、成本低[16]。

系统示意图如图1所示，微喷嘴通过连接块与压电致动器可动端固连在一起，压电致动器在驱动波形的作用下带动微喷嘴一起振动，从而产生微液滴。微喷嘴尾部连有压力调节装置，产生正压或负压，以实现微喷嘴的供液、排液及清洗；数码显微镜用于实时监测分配状态。

系统的控制电路采用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）内置的32位软核作处理器，可以产生两路驱动波形。上位机发送控制字与数据，通过RS232接口与下位机通信，驱动波形的电压幅值及频率可调，电压幅值可调范围：0～80 V， 驱动频率可调范围：1～256 Hz，波形经过功率放大器放大后驱动压电致动器。二维工作台与驱动波形联动，其联动方式为：二维工作台运动至某一位置点后，单通道/双通道产生单个/多个驱动波形驱动压电致动器，生成的液滴由放在二维运动工作台上的基板接收，然后电机运行至下一位置，如此反复，完成试剂在每一位置的精确分配。

微喷嘴为分配系统的重要器件，采用硼硅酸盐玻璃毛细管作为材料，具有良好的耐腐蚀性。制作过程为：激光光束照射到玻璃毛细管中间位置，对玻璃毛细管加热，当温度达到预定温度时，在玻璃毛细管两端的拉力作用下，玻璃毛细管被拉长。为了拉制出所需形貌的微喷嘴，可以通过调节加热温度、加热时间和加热区域长度等参数，在锻制仪上截断拉制的微喷嘴，最终得到任意出口内径的微喷嘴。图2所示为锻制好的微喷嘴实物的显微照片，微喷嘴出口内径d=100 μm，本研究中统一使用前收缩角θ1=35°，后收缩角θ2=3.9°的微喷嘴。

3结果与讨论

基于微流体脉冲驱动控制技术的微量分配方法中，影响单次分配体积的因素有：微流体脉冲驱动控制系统参量、分配试剂粘度和倾斜角度（微喷嘴与竖直方向夹角）等，其中分配试剂粘度、驱动频率、电压幅值与微喷嘴出口内径对单次喷射量影响显著[15]。因此， 统一采用倾斜角度为15°，针对不同粘度试剂，选用不同出口内径的微喷嘴，在不同驱动频率及电压幅值下进行基础实验。在此实验的基础上使用磷酸盐缓冲液（Na2HPO4KH2PO4）制备具有pH梯度的微阵列。

需对玻璃或陶瓷基板（白色）进行疏水化处理，以获得更好的液滴圆整度和更大的液滴接触角，且使系统对两种溶液进行分配时两种溶液能够更充分地混合及反应。目前构造具有疏水化性能的表面主要通过两种途径：一种是在构造出的粗糙表面上修饰低表面能物质；另一种是在具有低表面能物质的表面上构造出粗糙表面。本研究采用溶胶凝胶法制备疏水化薄膜，以氨基丙烯酸树脂为成膜树脂，二甲苯为溶剂，与SiO2纳米粒子高速剪切搅拌混合，静置、沉化后， 即制得溶胶悬浮液。采用喷涂的方法，将制成的悬浮液均匀涂覆在除水、除油的玻璃或陶瓷基板上，静置一段时间后放入烘箱，在150 ℃固化20 min， 即制得具有疏水化涂层的玻璃或陶瓷基板[17]。

3.1微液滴体积测量方法

在现有的分辨率可达皮升级的微量生物试剂分配系统中，实际分配操作时都未在靠近出液口附近检测实际的液体转移量，本系统亦为开环控制。

为了精确控制分配液体的体积，需要对单次分配的微液滴体积进行测量，由于液滴体积较小，直接进行质量测量或传统的体积测量方式难以精确测量出分配的液体体积，采用的测量方法为：将液滴喷入香柏油中，由于液滴与香柏油不互溶，液滴在香柏油中呈现为清楚的可分辨的球体，如图3所示。利用显微图像处理系统，经过图像采集卡，将采集到的数据传送至计算机进行图像处理，对多个液滴进行数据采样，计算出喷射液滴的平均直径，得出分配体积的大小。