背景概述

微流控（Microfluidics）是一種使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操控微小流體（體積為納升到阿升）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)。它是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。微流控裝置具有微型化、集成化等特征，因此通常被稱為微流控芯片，也被稱為實(shí)驗(yàn)室芯片（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System）。

微流控技術(shù)通過在微米尺度的芯片上集成樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室的多種功能。這種技術(shù)在很小的體積內(nèi)快速完成多種工作任務(wù)，與相應(yīng)的宏觀分析方法相比，微流控芯片在樣品和試劑消耗、反應(yīng)速度、高通量處理等方面具有顯著優(yōu)勢。

微流控芯片是微流控的主要工具，它是將微管道、閥門、泵、傳感器等組件集成在一個(gè)微米尺度的平臺(tái)上，可以完成各種液體操作和功能。

微流控技術(shù)與電學(xué)密切相關(guān)，可以利用電信號進(jìn)行微流體的檢測、驅(qū)動(dòng)和操控，也可以利用電場進(jìn)行分子的分離和純化。

微流控技術(shù)在電學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下多個(gè)方面或場景：

微流控傳感器和生物芯片——微流控傳感器是一種利用電信號檢測或控制微流體的裝置，可以實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、pH、電導(dǎo)率、離子濃度等參數(shù)的測量和調(diào)節(jié)。生物芯片是一種利用微流動(dòng)系統(tǒng)將生物分子固定在芯片上，然后通過電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等手段進(jìn)行檢測或操作的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)、蛋白質(zhì)相互作用、藥物篩選、細(xì)胞分選等功能。

微流控電泳和毛細(xì)管電泳。電泳是一種利用電場使帶電的分子在液體中遷移的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分子的分離和純化。微流控電泳是一種將電泳裝置集成在微流控芯片上的技術(shù)，可以大大提高電泳效率、靈敏度和重復(fù)性，同時(shí)減少樣品和試劑的消耗，實(shí)現(xiàn)多種分析功能的一體化，例如 DNA 指紋圖譜、單核苷酸多態(tài)性（SNP）分析、限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）分析、核酸擴(kuò)增（PCR）分析等。毛細(xì)管電泳是一種利用毛細(xì)管作為電泳通道的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和高速度的分離。

微流控電化學(xué)和微流控電致化學(xué)。微流控電化學(xué)是一種利用微流控芯片上的電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)或測量的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)合成、電化學(xué)分析、電化學(xué)傳感等功能。微流控電致化學(xué)是一種利用電場對微流體進(jìn)行誘導(dǎo)或控制的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微流體的混合、分離、聚集、分散、對齊等功能。

微流控電磁場和微流控電光學(xué)。微流控電磁場是一種利用微流控芯片上的電磁線圈產(chǎn)生電磁場的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)磁性分子或顆粒的操縱、分離、濃縮、測量等功能。微流控電光學(xué)是一種利用微流控芯片上的電極產(chǎn)生電場來調(diào)節(jié)光信號的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光的偏振、折射、衍射、反射、傳輸?shù)裙δ堋?/p>

在微流控的研究中，除了需要對微流控的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)分析使用到一些諸如放大鏡，流量計(jì)，納米泵一類的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，泰克的高精度電學(xué)測試設(shè)備也會(huì)進(jìn)一步幫助我們實(shí)現(xiàn)微流控方向的研究。

微流控技術(shù)涉及在微米尺度的通道中控制體積為皮升至阿升的流體進(jìn)行流動(dòng)并傳質(zhì)、傳熱，這種技術(shù)因其高通量、微型化、自動(dòng)化、集成化以及便攜化的特點(diǎn)，在化學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物研究中有著廣泛的應(yīng)用。在微流控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中，樣品的消耗量很少，這不僅節(jié)約了能源，還提高了反應(yīng)速度。然而，這種技術(shù)的實(shí)施需要精確的電壓和電流測量與控制，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

而源表因其能夠提供精確的電壓和電流測量與控制功能，非常適合用于微流控技術(shù)的相關(guān)測試中，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而推動(dòng)微流控技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用和發(fā)展。

場景一

集成光電二極管的微流控生物傳感器陣列用于病原體的快速多路檢測

這里我們使用Keithley的26XXB系列源表進(jìn)行OPD像素性能的表征

1. 用于分析 PCDTBT:PC70BM 像素的電流-電壓(J-V)特性,并測量其響應(yīng)度。

2. 與兩個(gè)嵌入式測試腳本處理器(TSP)連接,以確保對四個(gè)有機(jī)光電探測器的并行測量。

3. 通過 GPIB 接口將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端。

Keithley 的源表為該集成光生物傳感器平臺(tái)提供了靈敏的電學(xué)測量能力，對化學(xué)發(fā)光信號的并行檢測。

場景二

新型的混合微流控電子傳感平臺(tái)，將開放柵結(jié)型場效應(yīng)晶體管(OG-JFET)傳感器與微流控結(jié)構(gòu)集成，用于生命科學(xué)應(yīng)用。

使用吉時(shí)利4200A-SCS參數(shù)分析儀對OG-JFET傳感器進(jìn)行了特性測試。具體包括：

1. 在反向偏置模式下,對背柵施加從0到1V的正電壓,同時(shí)對漏-源電壓進(jìn)行從0到5V的掃描,以測試傳感器的特性。

2. 使用注射器將不同濃度的溶液(如去離子水和0.9% 氯化鈉溶液)注入到集成的微流控芯片中,觀察傳感器對溶液離子濃度變化的響應(yīng)。

3. 使用不同pH值的溶液,通過背柵電壓的調(diào)節(jié)來控制傳感器的靈敏度,驗(yàn)證傳感器對表面電荷變化的響應(yīng)能力。

利用吉時(shí)利的測試設(shè)備對集成了OG-JFET傳感器和微流控結(jié)構(gòu)的混合傳感平臺(tái)進(jìn)行了全面的特性測試和功能驗(yàn)證。

場景三

高度靈活的彈性體微流控芯片的開發(fā)，通過在微流控芯片上對單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行捕獲和釋放,可以更好地觀察和分析單個(gè)細(xì)胞的生理化學(xué)特性,如細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞活性、細(xì)胞響應(yīng)等。

使用Keithley 2410設(shè)備測量了微流道中電解質(zhì)溶液的電流-電壓(I-V)曲線,從而計(jì)算出微流道高度的變化。具體步驟如下：

1. 將微流道填充有0.1M KCl電解質(zhì)溶液,并連接兩個(gè)AgCl電極。

2. 使用Keithley 2410儀器測量微流道中電解質(zhì)溶液的I-V曲線。

3.根據(jù)公式

計(jì)算出微流道高度h的變化，其中R為電阻，l為長度，w為寬度，κ為溶液導(dǎo)電率。

通過這種方法,研究人員發(fā)現(xiàn)在拉伸芯片時(shí)，微流道高度基本保持不變，這有利于單細(xì)胞操作而不會(huì)擠壓或粘附細(xì)胞。

小結(jié)——Keithley 設(shè)備測試優(yōu)勢

Keithley源表具有高精度、高分辨率和高速度的特點(diǎn)，可以對微流控芯片進(jìn)行全面的電學(xué)測試，包括電阻、電容、電流、壓力等參數(shù)。與傳統(tǒng)的多儀器方案相比，Keithley 源表不僅節(jié)省了空間和成本，而且提高了測試效率和可靠性。此外，Keithley源表還支持多種軟件平臺(tái)，可以方便地搭建自動(dòng)化測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和處理。