基于智能手機壓電基片上微液滴位置分析

章 安 良(武夷學院 微電子系，福建 武夷山 354300)

0 引言

微流系統因其具有生化試劑消耗量小，分析時間短及人為引入誤差小等優點而得到研究，并被廣泛應用到很多領域[1-2]。與連續微流體相比，數字微流體(微液滴)[3-4]具有更小的試劑消耗量，操作便捷、簡單等優點[5]。確定微液滴位置是微流分析的重要前提，是完成其混合、反應等微流操作的必要條件[6-7]。

已有專家開展了微液滴位置分析研究，并報道了多種檢測微液滴位置的方法。如Miguel Angel Murran等[8]提出通過獲取相鄰兩電極電容比率來動態確定基片上微液滴位置。Yiyan Li等[9]提出并設計了電容敏感電路進行基片上微液滴位置檢測，并采用200 V、 500 Hz的調制脈沖電壓進行3 μL微液滴在基片上輸運和定位實驗。Shiraz Sohail等[10]在傳統的基于介電電潤濕(EWOD)原理基礎上設計器件結構，通過電極輸出電壓檢測微液滴位置。上述微液滴操作及定位方法可有效實現微液滴位置分析，但需外加控制和檢測電路，增加了微流分析成本。

壓電微流系統是建立在壓電基片上的數字微流系統[11-12]，它充分應用聲表面波(SAW)的微流驅動能力，快速發展并成為微流分析領域的一個重要分支[13]。微液滴可在壓電基片上實現輸運、混合、萃取、分離及分裂等微流操作[14-15]，主要通過檢測叉指換能器(IDT)對上振蕩頻率的變化來確定微液滴在壓電基片上的位置[16-17]。該方法需要外加放大電路，以便與IDT對構成振蕩電路，通過振蕩頻率變化量檢測微液滴位置。隨著IDT對增加，外電路復雜度及分析成本也增加，但有進一步改進的空間。本文提出了在壓電基片上基于智能手機的微液滴位置檢測方法，它不需外電路，降低了分析成本。

1 實驗

1.1 SAW驅動微液滴原理

SAW是壓電基片上傳播的彈性波，它由施加了合適頻率電信號的IDT激發。IDT激發SAW強度由施加于其上的電信號功率決定。當壓電基片上SAW遇到微液滴時，在IDT上產生聲輻射力，驅動微液滴沿SAW傳播方向運動。SAW驅動微液滴示意圖如圖1所示。

圖1 聲表面波驅動微液滴示意圖

圖1中，SAW遇到壓電基片上微液滴，以瑞利角θR向微液滴輻射聲流力，驅動微液滴在基片表面運動，為壓電微流操作及微流分析提供基礎。

1.2 壓電基片上微液滴識別及定位算法

為了確定微液滴在壓電基片上的位置，首先需要識別壓電基片上微液滴，為此，提出了壓電基片上微液滴的識別方法。選定區域內的所有像素R、G、B(其中，R表示紅色，G表示綠色，B表示藍色)值，并計算其平均值為

(1)

對于滿足像素平均值小于一定閾值(目標微液滴像素均值)的像素點，結合坐標，將數據元素(xi,yj, avgRGB(i,j))存儲于對象集合Apiexl{}中。對集合Apiexl{}中所有對象元素，計算其坐標距離：

d(k,t)={[Apiexl(k)·x-Apiexl(t)·x]2+

[Apiexl(k)·y-Apiexl(t)·y]2}1/2

(2)

根據距離d(k,t)和集合元素個數可識別壓電基片上目標微液滴。

微液滴位置(Lx,Ly)可根據下式確定：

(3)

(4)

式中：Apiexl(m)·x,Apiexl(n)·x分別為微液滴在x方向最小值和最大值；Apiexl(p)·y,Apiexl(q)·y分別為微液滴在y方向最小值和最大值。

結合式(2)、(3)及微液滴輸運時間，即可確定壓電基片上微液滴輸運速度：

(5)

式中：Lx1,Lx2為兩個不同時刻微液滴在x方向位置；t為微液滴在兩時刻的輸運時間。

1.3 app開發

根據所提出微液滴識別和定位算法，采用1 300萬高清攝像頭，8核CPU的OPPO PBAM00智能手機進行壓電基片上微液滴識別、定位的app開發，其測試運行的界面如圖2所示。

圖2 app進行壓電基片上微液滴識別及定位的運行界面

圖2(a)為app運行后的界面，點擊“START”按鈕，記錄微液滴運行視頻，時間長度在Text_1文本框中顯示。點擊“PLAY”按鈕，對記錄的視頻數據進行播放，播放的當前時間在Text_2文本框中顯示。點擊“ANAL”按鈕，實現各時刻圖像數據捕獲，為后續分析提供基礎。圖2(b)界面可進行人為選擇不同分析時刻，以便獲取不同時刻壓電基片上微液滴位置及輸運速度。其中，“inti”和“termin”分別為輸入開始和結束的分析時間點，點擊按鈕“FROM”和按鈕“To”分別進行開始時刻和結束時刻的液滴識別和位置確定。為了加快分析速度，采用按鈕“Sel”選擇分析區域。

2 實驗結果與討論

為驗證所提出微液滴識別和位置確定方法的正確性，以5 μL黑色墨水溶液微液滴為實驗對象，在壓電基片的IDT上施加功率為27.5 dBm電信號，驅動黑色墨水溶液微液滴在基片上輸運，分析不同時刻微液滴坐標位置和輸運速度。圖3為輸入的開始時刻和結束時刻應用開發的app分析得到的微液滴坐標及此時間段內平均輸運速度。圖3(a)是單擊“Sel”按鈕后，選擇待分析區域，以提高分析速度。圖3(b)是輸入的初始時刻(2 s)app完成的微液滴識別及其位置坐標。圖3(c)是輸入的結束時刻(10 s)app完成的微液滴識別、位置坐標及期間的平均輸運速度(約為0.416 mm/s)。

圖3 壓電基片上微液滴在開始時刻和結束時刻微液滴識別及坐標

由圖3可知，識別的微液滴輪廓(紅色邊界)與微液滴基本重合，驗證了所提算法的正確性。為進一步驗證所測定位置的正確性，采用圖像分析軟件對初始時刻和結束時刻的液滴坐標分別進行測量，結果如圖4所示。由圖可見，圖像分析測試結果與自行開發的app分析定位結果一致，驗證了所提出微液滴位置測定方法的正確性。

圖4 圖像分析軟件對開始時刻和結束時刻微液滴坐標測量結果

為進一步分析微液滴在分析時間段內輸運軌跡，采用開發的app分析了不同時刻微液滴坐標位置，如圖5所示。

圖5 采用自行開發app測量的微液滴各時刻坐標值

由圖5可知，在開始時刻，如2～6 s微液滴x坐標值變化較大，6 s后變化較小，主要原因是SAW幅度隨傳播距離而發生衰減，同時，信號發生器輸出功率略有波動，導致8～9 s間還有一定的輸運距離。此外，微液滴在壓電基片上縱向方向略有變化，說明壓電基片表面疏水層不均勻，使微液滴在縱向方向上發生偏移。

為進一步分析微液滴輸運速度，采用開發的app進行不同時間點和不同時間片段的輸運速度測量，結果如圖6所示。

圖6 采用app測量的微液滴各時刻速度值

由圖6可知，第2 s作為初始時間，各時刻作為結束時間，其平均速度逐漸減少；而各時刻前1 s作為初始時間，各時刻作為結束時間，則各時刻速度值發生跳變，與圖5的微液滴坐標相符。

由圖5、6可詳細掌握微液滴具體運動軌跡和輸運速度，為SAW驅動微液滴的特性分析提供了技術支撐，并為后續壓電基片上微流分析提供基礎。

3 結束語

本文開發了基于智能手機的壓電基片上微液滴識別及位置測定的應用軟件，提出了基于顏色信息和微液滴幾何信息識別微液滴方法，并進一步確定微液滴動態位置及輸運速度。采用黑色墨水溶液微液滴為研究對象，應用自行開發的app進行壓電基片上微液滴識別和定位實驗，驗證了所提出方法和所開發app的正確性。