[发明专利]一种光致电润湿芯片中液滴的自动化控制方法

说明书

本发明公开了一种光致电润湿芯片中液滴的自动化控制方法，包括以下步骤：首先布置光控电润湿平台；训练深度学习系统中的神经网络模块；使用设备实时拍摄图片，传入深度学习系统做出相应的路径规划并生成对应的光虚拟电极，即光图；将光图投影至所述光控电润湿平台的芯片上，在设定的起始点生成待操作液滴，连续变化光图以驱动液滴。本发明的一种光致电润湿芯片中液滴的自动化检测和反馈控制方法，该方法也适用于各种类型尤其是无电极阵列的数字微流控芯片，具有检测精度高、控制灵活、可以自动进行路径规划躲避障碍物，对人工操作的依赖度低的优势。

技术领域

本发明涉及计算机科学及微流控芯片技术，尤其是涉及一种光致电润湿芯片中液滴的自动化控制方法。

背景技术

随着微生物科学研究在微尺度上的重要性日益提高，基于液滴的微流控技术已被证明是用于各种生物医学研究应用程序的强大平台，例如PCR、酶分析、血液分析等。这些应用通常需要使用离散液滴形式的少量水性试剂充当芯片实验室(LOC)中反应物传输的载体，并以运动方式处理这些液滴，例如液滴的运输，分裂，合并和混合。基于液滴的微流控技术的新兴领域导致需要对微液滴中的单个液滴进行有效处理。大多数LOC使用基于微通道的一维(1-D)连续流平台，可以通过压差、热毛细作用力等实现对微液滴的主动控制。与1-D微流体设备相比，基于液滴的二维(2-D)微流体设备可以更灵活地单独处理液滴。2-D设备可以通过化学或热梯度，表面声波，电场和磁场等来实现驱动，其中介电润湿(EWOD)机制因其快速的开关响应和低功耗而受到较多的关注，并实现了可以在pL–μL的体积范围内处理液滴的数字微流控(Digital microfluidics DMF)系统，每个液滴都可以被运输，混合，反应和分析。但EWOD芯片控制液滴的灵活程度与芯片电极阵列的规模正相关，要实现更加精密的操作就伴随着更加复杂的电极制备和布线工作。近期，基于光的驱动方式，如光致电润湿(Optoelectrowetting)得到了广泛研究，其工作原理是在芯片上制备一层光敏材料，在整个芯片接通电压的前提下，通过改变芯片表面的光照状态来改变光敏材料的电阻，以导致指定位置产生电压降而改变液滴接触角，从而驱动液滴。光驱动使得能够在单个芯片上执行复杂的微流体功能，而不会遇到电润湿电极的二维阵列的布线瓶颈。

由于各种生物医学分析过程复杂，精确性要求高，并且在微流控芯片中，当液滴遇到障碍物(如其他试剂的残留)，很容易影响芯片使用或造成交叉污染，因此实现微流控系统的自动化和智能化成为微流控技术的重要发展方向之一。目前自动化的微流控设备，大多依然对操作者有较高的依赖性，如需要操作者确认障碍物属性及液滴操纵轨迹等，且功能较少，没有实现真正意义上的自动化。

精准、高效的液滴自动化检测和反馈系统以及信息处理和控制系统是微流控智能操控平台的关键。现有技术中，在DMF设备上检测液滴的常用方案是使用电容式检测和阻抗检测，如环形振荡器电路利用所施加信号的频率变化来监控液滴的分配；电阻器和电容器电路输出电压值用于监视液滴运动；以及计算优化的电极充电时间并实时监测设备上的液滴的模糊控制算法。这些监测方法都依赖于外加电压和电极阵列，不适用于基于光致电润湿的微流控系统。除此之外，基于图像边缘检测的反馈和分析系统，能够检测单个液滴的分配和移动故障并实现反馈，并且可以与设备上的其他液滴的操作同时进行，这一系统也可用于光、磁等驱动的微流控设备，但对于光致电润湿设备，光照的干扰将对边缘检测的准确度造成较大影响。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在数字微流控芯片中，由于障碍物或者其他试剂的残留的存在难以避免，容易影响芯片使用或造成交叉污染；现常用的自动化检测方法不适用于光、磁等驱动的无电极阵列的微流控设备且精度较低；现有检测方法很难同时实现对液滴位置、尺寸、颜色以及芯片本身缺陷等的多维度检测；单平面光致电润湿芯片难以实现对液滴的二维操控等。本发明提供了一种光致电润湿芯片中液滴的自动化检测和控制方法，该方法也适用于各种类型尤其是无电极阵列的数字微流控芯片，具有检测精度高、控制灵活、可以自动进行路径规划躲避障碍物，对人工操作的依赖度低的优势。