实验平台之生命科学论文提纲

2022-11-15

论文题目：气压阀控式微喷方法与控制技术研究

摘要：在生命科学领域中,涉及蛋白质结晶、DNA分析、PCR等各种类型的试验活动,经常需要对各种生物试剂进行分析。相关研究活动主要对1000 mPa.s范围内的液体进行操作,需要分配的液体体积已经达到nL甚至pL级别,这些都要求非接触式液体分配技术向高速、微量、精度高的方向发展。在目前的微量液体分配方法中,气压阀控式微喷方法利用气压驱动液体从喷嘴内迅速流出,具有体积小、准确度高、分配速度快的特点。但是,该方法控制困难,系统复杂,并且系统参数对微量液体的分配过程存在较大的影响。当系统参数设置不当时,可能会造成喷射失败的现象产生,进而会影响微量液体的分配精度。因此在气压阀控式微量液体分配过程中,如何控制微量液体的分配体积和重复精度就显得非常有意义。针对以上问题,本文建立了一种气压阀控式的微量液体分配系统,构建了微量液体分配过程的CFD仿真模型和微喷系统的键合图模型,利用Fluent仿真结合实验研究了无量纲参数对微量液体形成和脱离过程的影响,然后通过搭建的微喷体积视觉监测平台提取出分配过程中的液滴的大小信息,得到了理论计算的液滴体积,从而为系统参数的设置和试剂特性的选择提供了理论指导,其研究结果保证了微量液体分配系统在生命科学领域能够分配速度更快、体积更小和精度更高的液滴。为了保证微量液滴能够正常喷射,本文对微量液滴的形成和脱离过程进行了研究。首先利用CFD仿真软件Fluent创建了气动微喷阀的仿真模型,然后分别改变微喷过程中的驱动气压、粘度、表面张力、喷嘴直径等系统参数,并将这些系统参数转化为无量纲参数来研究微量液体形成和脱离过程,最后给出实现液滴正常喷射的系统参数范围,从而为后续的实验研究提供指导作用。然后根据气压阀控式微量液体分配系统的结构和工作原理,利用集总参数法建立微喷系统的键合图模型,并推导出系统的状态方程,再通过Matlab软件Simulink模块来进行模拟仿真,在此基础上得到了系统参数对微量液滴喷射速度和分配体积的影响规律。然后通过实验验证了微喷系统键合图模型的有效性,其研究结果为微量液体分配系统的设计提供了理论指导。其次在微量液体分配过程中,本文搭建了微喷体积视觉监测平台。利用工业相机配合频闪灯,通过图像采集软件Vimba Viewer采集一系列液滴图片。然后基于LabVIEW程序对采集到的液滴图像进行粒子分析获得液滴的大小。并且探究了改变系统参数对液滴飞行速度的影响。最后进行液滴喷射实验验证了理论计算液滴体积的有效性。最后基于上述研究,本文设计了气压阀控式微喷系统,搭建了包括微喷阀、微喷阀驱动模块、及气路驱动模块和体积监测反馈模块的系统平台。在搭建实验平台后,针对不同的实验液体,进行了微量液体重复精度和分配准确度实验。通过实验得到了微喷系统分配的液体体积能够达到几十nL,能够分配1000mPa.s粘度范围内的液体,并且重复精度高于8%（CV）和分配准确度在±5%范围以内。实验结果与仿真结果基本相符,以此验证该系统在生命科学领域的可行性。

关键词：气压阀控式;微量液体分配;CFD;键合图;视觉监测

学科专业：机械制造及其自动化

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 微量液体分配方法研究现状

1.2.2 微量液体分配过程研究现状

1.2.3 微量液体分配过程研究现状总结

1.3 课题主要研究内容

第2章微量液滴形成和脱离过程研究