基于閉環(huán)光纖微流操控的流速傳感特性研究.pdf

1、微流芯片廣泛應(yīng)用于藥物篩選、化學(xué)合成與分析以及生物細(xì)胞/大分子等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中，因其具有高通量的檢測(cè)能力而顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。其中，在這些微流芯片的應(yīng)用中，對(duì)微流流速的控制起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)然，對(duì)于一些需要流速控制的微流芯片應(yīng)用，通過(guò)高精度注射泵的直接控制可以滿(mǎn)足需求。然而，考慮到直接使用注射泵的時(shí)間延遲和流速偏差問(wèn)題以及微流通道高度集成的特點(diǎn)，在其它需要更加精確且實(shí)時(shí)的流速控制應(yīng)用場(chǎng)合中，一個(gè)具有高精度、實(shí)時(shí)以及便于集成的

2、流速監(jiān)測(cè)裝置是急需的。
　　為此，本課題使用了光纖微流操控技術(shù)，利用平端面單模光纖在微流環(huán)境中對(duì)聚苯乙烯微球進(jìn)行操控，通過(guò)分別在開(kāi)環(huán)操控模式下監(jiān)測(cè)微球的操控距離以及閉環(huán)模式下監(jiān)測(cè)激光器的輸出功率來(lái)檢測(cè)微流的流速。在開(kāi)環(huán)操控模式下，激光器的輸出功率不變，微球的操控距離隨微流流速的變化而變化；而在閉環(huán)操控模式下，通過(guò)反饋控制穩(wěn)定微球的操控距離，即激光器輸出功率隨微流流速的變化而變化。
　　此外，為了實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足開(kāi)環(huán)和閉環(huán)操控模式的工

3、作環(huán)境。在本課題中設(shè)計(jì)閉環(huán)光微流操控平臺(tái)，其中包含軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)。硬件部分的實(shí)現(xiàn)主要是搭建滿(mǎn)足閉環(huán)光纖微流操控的閉環(huán)回路。軟件部分實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)操控的整個(gè)控制流程，包括顯微鏡圖像的獲取，對(duì)圖像進(jìn)行處理并識(shí)別出微球的位置以及反饋控制、界面交互和信息顯示等功能。
　　為了理解光纖微流操控原理以及流速傳感原理，本文對(duì)光力的作用機(jī)理以及在微流流速傳感中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)要的理論分析，證明了基于閉環(huán)光纖微流操控的流速傳感的可行性。在流速傳感實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4、部分，分別在開(kāi)環(huán)模式下和閉環(huán)模式下對(duì)該流速傳感方案的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、穩(wěn)定性和測(cè)量的可重復(fù)性等特性參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)。在開(kāi)環(huán)測(cè)量模式下，在操控距離為550 um時(shí)獲得了最低10 nl/min的流速測(cè)量下限；閉環(huán)操控模式中，在使用最大輸出功率為300 mW的980 nm泵浦激光器的條件下，閉環(huán)操控距離為15 um時(shí)獲得了最高100000 nl/min的流速測(cè)量上限。結(jié)合開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的操控模式，最終實(shí)現(xiàn)了近4個(gè)數(shù)量級(jí)的流速測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，即測(cè)量