-微流控系统温度测量与控制技术

大连理工大学研究生试卷

系别：机械工程学院

课程名称：微制造与微机械电子系统

学号：31604078

姓名：张良

考试时间：2017年1月13 日

微流控系统温度测量与控制技术

摘要：本文主要研究一种简单且可行的用于微流控芯片系统温度测量和控制技术的装置。该装置以CCD摄像机和显微镜作为基本的实验装置，并加入图像采集卡，组合成非接触的荧光指示测温装置，可以得出微流体的温度场数据以及其随着时间的变化趋势。提出了用透明氧化铟锡薄膜玻璃作为加热元件，并且采用PID进行控制算法，组成一个可靠的温度控制系统，稳态时精度可达±0.1℃。采用该测温装置可以测得玻璃微流控芯片的通道内液体温度场在时间和空间上的变化情况。实验结果表明，该方法可靠有效，可以达到μm级的空间分辨率和ms级的时间分辨率。

关键词：微流控芯片；温度测量；氧化铟锡薄膜玻璃；CCD摄像机

中图分类号：TH811

Temperature Measurement and Control Technology of

Microfluidic System

Abstract：In this paper, a simple structure, low cost, easy operation, can be used in microfluidic chip system temperature measurement and temperature control device is studied. This system uses CCD camera and microscope as the basic experimental device, and adds the image acquisition card to construct the non-contact fluorescent indicator temperature measurement device, and realizes the measurement of the micro-fluid space temperature field and the change tendency with time. The transparent indium tin oxide thin film glass is used as the heating element, and the PID control algorithm is adopted to form a complete temperature control platform. The steady state accuracy can reach ±0.1 ℃. The experimental results show that this method is effective and can achieve the spatial resolution of m level and the time resolution of ms level. The experimental results show that this method is effective and can be used to measure the spatial resolution of the microchannel.

Key words：microfluidic chip temperature measurement indium tin oxide thin film glass CCD camera

1前言

温度是生物化学研究中的重要参数，目前微流控芯片系统在生物化学分析领域中的应用日益扩展，微流控系统中温度的精确测量和控制也变得愈加重要。理想的微流体温度测量技术应该具备以下几项性能：（1）对微流体不产生干扰，即不影响微流体自身温度；（2）达到微米级的空间分辨率；（3）温度测量范围要广，至少在0℃~100℃之间；（4）测量方法相对简单，容易操作；（5）费用低。由于微流控体系中微流体的体积在μL或nL数量级，若采用传统的传感器探头方式同液体进行接触测量，会因为探头的热容太大而使其周围液体实际温度发生改变，并引起测量误差和测量精度的降低。为了降低测温元件对温度测量的影响，有报道将温度敏感元件采用微加工手段集成在芯片上，由此提高测量精度。但是这种方式仍然为接触测温，所测得温度与实际温度仍然有一定的误差，并且对加工工艺要求较高，在非专业的微加工实验室中加工仍然有一定的难度。

由上可以看出，同微流体接触的测温方式总会与微流体的真实温度存在一定的偏差，因此一些非接触的温度测量方式被应用到微流控芯片系统中。其中基于荧光指示剂的微流体温度测量技术是根据染料的荧光强度变化来测温的，不存在染料堵塞通道问题。本章内容以

CCD摄像机和显微镜作为基本实验装置，对应用于微流控芯片系统中的荧光指示剂测温技术进行研究。目标是通过非接触的测量方式实现对微流控芯片上一个较大区域的温度监视，同时对控温技术也进行一定的研究。

2基于荧光指示剂的微流体温度测量原理

2.1系统构成

温度测量与控制系统装置如图1所示，测量部分装置为CCD摄像机，经过接口转换器同荧光显微镜相连，将激光器固定在荧光显微镜的镜臂上，使得激发光同发射光之间为共聚焦方式。激光器光斑为300μm；图像采集卡插在PCI插槽上，将CCD摄像机所采集的图像数据保存在硬盘中并同时在屏幕上显示出来。温度控制部分包括ITO玻璃加热器、粘贴在ITO 玻璃上的贴片式电阻温度传感器，加热采用可调恒流电源，用于温度采集和控制信号的多功能数据采集卡，并用Labvierw编写PID控制模块编写的温度控制程序。控制系统框图如图2所示。

图1 温度测量与控制系统示意图

图2 温度控制系统框图

2.2 实验操作

在做实验前，将ITO玻璃加热片固定在二维操作平台上，接通恒流电源，电源配置图如图3，运行采集程序，将系统中的温度状态设置为室温状态，确保加热器在非加热，将图像采集程序设置为设置为实时采集，以便实时观测数据，CCD采用手动控制，保证在所有温度的情况下都能对采集的图像有相同的处理；之后，打开激光器，对整个实验装置进行预热，并且对室内的光线进行一定的遮挡。然后在微流控芯片的通道中充满荧光染色剂溶液，将芯片放置于氧化铟锡玻璃加热片上，手动调整操作平台，同时观察显示器屏幕，使被测区域处于可见范围内，并且通过调整显微镜焦距，使的通道边缘能够被清晰的观察。将位置和焦距调整好后，固定住微流控芯片，防止其位置发生移动。

实验开始时，首先采集荧光染色溶液室温状态时的染色强度图像，然后控制加热器，使温度发生改变，采集不同温度下的罗丹明B溶液荧光强度图像，为了防止荧光染料发生淬灭，在不采集图像的时候，用适当的遮光装置对实验系统进行遮光。

图3 恒流电源配置图

2.3温度标定

实验想要用染料的染色强度作为温度指示剂用以测试温度，首先，需要确定温度值和染色剂染色强度值之间的关系。温度标定装置如图4所示，将一根长约15cm的毛细管紧贴在ITO加热片上，并将中部的表皮剥离，作为检测窗口以便检测，在检测窗口的外围用筑起一圈起遮挡光作用的围挡，要求高过毛细管高度的两倍，所围面积约为1cm2左右，将前聚物及的交联剂混合均匀，去气后的浇注在围挡内部。PDMS膜的做固化的作用是将毛细管固定在氧化铟锡玻璃片上，并且可以用以传导毛细管的热量，保证毛细管内的液体温度稳定。将温度传感器紧贴PDMS膜，然后固定在ITO加热片上。