CN101497006B - 一种数字微流体微混合器及混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字微流体微混合器及混合方法，包括载物台、压电基片、玻璃载片和活动支架，载物台上设置有空腔，压电基片设置在空腔中，压电基片的下表面为工作表面，工作表面上设置有第一和第二反射栅、叉指换能器和用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层，第一、第二反射栅分别设置在工作表面的两端，叉指换能器靠近第一反射栅，第一疏水层位于叉指换能器和第二反射栅之间，玻璃载片的上表面上设置有用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层，第二疏水层的厚度大于第一疏水层的厚度，优点在于通过将置放于储放区上的两个数字微流体附到混合工作区上，实现两个微流体在压电基片的工作表面上混合，提高了对数字微流体的空间操纵灵活性。

Description

一种数字微流体微混合器及混合方法

技术领域

本发明涉及一种片上实验室中的微流体混合器，尤其是涉及一种数字微流体微混合器及混合方法。

背景技术

一般的生物医学分析包括样品预处理、混合、反应、分离和检测等基本过程，将这些基本过程集成在一个几平方厘米的芯片中，以代替传统的实验室工作，称它为片上实验室(Lab-on-a-chip)或者微全分析系统(Micro Total Analytical System)。片上实验室由于具有样品用量少、操作简单，并能在较短时间内精确完成从样品制备到结果显示的全过程，能有效地克服传统的实验室工作中手工操作带来的实验误差，在化学分析、DNA测序、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、疾病诊断、药物筛选、环境监测及国家安全等领域中得到越来越多的应用。

微流体混合器是片上实验室的重要操作部件，并很大程度上决定了后续分析工作的可靠性和可信性。微流体混合器不仅是片上实验室不可或缺的功能部件，而且在化学合成、乳状液制备、高通量筛选以及其他生化领域中都有重要的应用前景。近年来，很多学者对微流体混合器进行了广泛的研究，并提出了许多不同形式、基于不同原理的微流体混合器。这些微流体混合器根据有无外加驱动器可以大致分为主动式和被动式两类。主动式微流体混合器主要是通过外加力场来实现对样品的混合操作。近几年来已经提出了采用外加磁、电、声等激励以产生周期性干扰流场加速微流体运动，提高微流体的混合效率。被动式微流体混合器应用微流体自由扩散机理，采用特殊形状的微通道或微通道中的特殊结构，以产生横向的质量输运或使流场处于无序状态以加速微流体的混合。这两类微流体混合器在一定程度上提高了微流体的混合效果，但同时存在混合时间较长、工艺较复杂、需要一定量的样品用量及占用芯片面积较大等缺点。

为解决上述两类微流体混合器存在的缺点，相关研究人员提出了数字微流体混合器，数字微流体混合器在混合微流体的过程中可以实现快速生化反应，使得数字微流体混合器更适于集成化，具有更大的发展前景，将是片上实验室未来重要的发展方向，已经受到国内外专家的高度重视。期刊《片上实验室》2003年第3卷第1期28-33页(Labon a chip Vol.3(1)，2003：28-33)公开了《用于微流系统中基于电润湿微液滴微混合器》(《Electrowetting-based droplet mixers for microfluidic systems》)，这种基于电润湿微液滴微混合器是一种数字微流体微混合器，它采用三层结构，包括上极板和下极板，上极板和下极板之间用小垫块支起，微液滴被紧夹在上极板和下极板之间，上极板主要由透明玻璃组成，在透明玻璃上淀积有透明电极层如ITO(Indium Tin Oxides，纳米铟锡金属氧化物)，在透明电极层上涂覆一层疏水材料形成疏水薄膜，将透明电极层作为地电极，下极板主要由基底组成，基底上淀积并光刻出微电极阵列，并在微电极阵列上涂覆一层疏水材料形成疏水薄膜，通过改变微电极阵列与透明电极层之间的电压，实现待混合的数字微流体在上极板和下极板之间的两维平面内运动并混合。这种数字微流体微混合器混合时间较短，但由于集成微电极阵列，需要配置可编程微电极开关控制系统，实现微流体操纵要求较高；另外，该微混合器中的上极板和下极板是一个不可分割的整体，数字微流体只能在上极板和下极板的两维平面内混合，限制了它在片上实验室中的集成度和对数字微流体操纵的空间灵活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效提高对数字微流体操纵的空间灵活性，且可有效提高片上实验室集成度的数字微流体微混合器及混合方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字微流体微混合器，包括载物台、压电基片、玻璃载片和用于置放所述的玻璃载片的活动支架，所述的载物台上设置有空腔，所述的压电基片设置在所述的空腔中，所述的压电基片的下表面为工作表面，所述的工作表面上设置有第一反射栅、第二反射栅、叉指换能器和用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层，所述的第一反射栅和所述的第二反射栅分别设置在所述的工作表面的两端，所述的叉指换能器的位置靠近所述的第一反射栅的位置，所述的叉指换能器与外部信号发生装置连接，所述的第一疏水层位于所述的叉指换能器和所述的第二反射栅之间，所述的玻璃载片的上表面上设置有用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层，所述的第二疏水层的厚度大于所述的第一疏水层的厚度。

所述的压电基片为光学级LiNbO₃压电基片。

所述的压电基片的周边通过现有的粘合剂与所述的空腔的内壁粘合连接。

所述的第一反射栅、所述的第二反射栅和所述的叉指换能器均采用现有的微电子工艺制作在所述的工作表面上。

所述的信号发生装置包括用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器，所述的功率放大器与所述的叉指换能器连接。

所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的载物台上设置有引线脚，所述的汇流条与所述的引线脚之间通过第一导线连接，所述的引线脚与所述的功率放大器之间通过第二导线连接。

所述的第一导线为金丝或银丝，所述的金丝或所述的银丝的一端通过现有的压焊工艺连接在所述的汇流条上，所述的第二导线为通用导线，所述的通用导线的一端焊接在所述的引线脚上。

所述的第一导线为金丝或银丝，所述的金丝或所述的银丝的一端通过现有的导电银胶连接在所述的汇流条上，所述的第二导线为通用导线，所述的通用导线的一端焊接在所述的引线脚上。

所述的活动支架为在水平和垂直方向均可调节的支架。

一种数字微流体混合方法，包括以下步骤：

①由用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层构成数字微流体储放区，将待混合的两个数字微流体移液到数字微流体储放区中，且保持待混合的两个数字微流体的连线与叉指换能器工作时产生的声表面波的传播路径平行；

②将整个玻璃载片置放到活动支架上，然后将活动支架置放于载物台下方；

③在水平方向上调节活动支架，使数字微流体储放区的位置与由用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层构成的混合工作区的位置相对应；

④在垂直方向上向上调节活动支架，使待混合的两个数字微流体与混合工作区的表面相接触；

⑤当待混合的两个数字微流体附着于混合工作区的表面上后，在垂直方向上逐渐向下调节活动支架，使待混合的两个数字微流体脱离储放区；

⑥开启信号发生器和功率放大器，使叉指换能器接入RF电信号，并产生声表面波；

⑦叉指换能器产生的声表面波驱动靠近叉指换能器一侧的待混合的数字微流体向远离叉指换能器一侧的待混合的数字微流体运动，并使待混合的两个数字微流体合并且快速混合。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将置放于玻璃载片的储放区上的两个数字微流体附到压电基片工作表面的混合工作区上，实现两个数字微流体在悬空的压电基片的工作表面上快速混合，提高了对数字微流体的空间操纵灵活性；同时由于用于储放数字微流体的玻璃载片可以是任何片上实验室中经疏水处理后的任意区域，因此，为尽可能多地集成各操作单元于一个片上实验室中成为可能，极大地提高了片上实验室的集成度；本发明的微混合器可集成于疾病诊断、药物筛选、环境监测及国家安全等片上实验室中。

附图说明

图1为本发明的数字微流体微混合器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种数字微流体微混合器，包括由PCB(Printed Circuie Board，印刷线路板)板制作成的载物台1、压电基片2、玻璃载片4和用于置放玻璃载片4的活动支架9，载物台1上设置有空腔11，压电基片2设置在空腔11中，压电基片2的下表面为工作表面21，在实际应用过程中，可直接将压电基片2的周边通过现有的任意粘合剂与空腔11的内壁粘合连接，也可采用其他方式将压电基片2设置在空腔11中。工作表面21上设置有第一反射栅51、第二反射栅52、叉指换能器6和用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层3，第一疏水层3为在工作表面21上涂覆一层TeflonAF 1600疏水材料形成的，第一反射栅51和第二反射栅52分别设置在工作表面21的两端，叉指换能器6的位置靠近第一反射栅51的位置，这样叉指换能器6与第二反射栅52之间的位置形成一个声传播路径，在工作状态下，叉指换能器6产生的声表面波通过声传播路径进行传播，叉指换能器6与外部信号发生装置10连接。第一疏水层3位于叉指换能器6和第二反射栅52之间，即第一疏水层3位于声传播路径上，第一疏水层3构成用于混合待混合的两个数字微流体7的混合工作区。玻璃载片4的上表面上设置有第二疏水层8，第二疏水层8为在玻璃载片4的上表面上涂覆一层Teflon AF 1600疏水材料形成的，第二疏水层8构成用于放置待混合的两个数字微流体7的数字微流体储放区，玻璃载片4的下表面与活动支架9接触，在工作状态下调节活动支架9保证数字微流体储放区的位置与混合工作区的位置相对应。在此，需调节涂覆的疏水材料的厚度，第二疏水层8的厚度得大于第一疏水层3的厚度，这样可使第二疏水层8的疏水性比第一疏水层3的疏水性好，由于疏水性能越好，表面张力就越小，因此可知第一疏水层3的表面张力大于第二疏水层8的表面张力，可将置放在储放区上的待混合的两个数字微流体附着于混合工作区上。

在此具体实施例中，载物台1也可由其他材料制成；压电基片2采用光学级LiNbO₃压电基片；第一反射栅51、第二反射栅52和叉指换能器6均采用现有的微电子工艺制作在工作表面21上；信号发生装置10包括用于产生RF电信号的信号发生器101和与信号发生器101连接的功率放大器102，功率放大器102与叉指换能器6连接；叉指换能器6包括两个汇流条61，载物台1上设置有引线脚12，汇流条61与引线脚12之间通过第一导线62连接，引线脚12与功率放大器102之间通过第二导线63连接，第一导线62可以为金丝或银丝，金丝或银丝的一端通过压焊工艺连接在汇流条61上，金丝或者银丝的一端也可以通过现有的导电银胶连接在汇流条61上；第一导线62也可以为通用细导线，与金丝或银丝不同的是，通用细导线的一端是通过现有的导电银胶粘在汇流条61上的，第二导线63采用通用导线即普通的连接导线，第二导线63的一端焊接在引线脚12上。

在此具体实施例中，活动支架可采用任意现有的成熟的具有在水平和垂直方向均可调节的支架。

利用上述微混合器实现数字微流体混合的方法包括以下步骤：

①由用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层构成数字微流体储放区，由用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层构成的混合工作区，采用现有的微量进样器将待混合的两个数字微流体移液到数字微流体储放区中，且保持待混合的两个数字微流体的连线与叉指换能器工作时产生的声表面波的传播路径大致平行，以便于后续的微流体混合操作；

②将整个玻璃载片置放到活动支架上，然后将活动支架置放于载物台下方；

③在水平方向上调节活动支架，使数字微流体储放区的位置与用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层构成的混合工作区的位置相对应；

④在垂直方向上向上调节活动支架，使待混合的两个数字微流体与混合工作区的表面相接触；

⑤由于玻璃载片上的储放区的表面与压电基片上的混合工作区的表面的张力不同，因此待混合的两个数字微流体会附着于混合工作区的表面上，当待混合的两个数字微流体附着于混合工作区的表面上后，在垂直方向上逐渐向下调节活动支架，使待混合的两个数字微流体脱离储放区，然后移开活动支架；

⑥此时，开启信号发生器和功率放大器，信号发生器产生RF电信号，并将RF电信号传输给功率放大器，功率放大器对RF电信号进行放大处理得到放大的RF电信号，叉指换能器通过第二导线和第一导线接入放大的RF电信号，接入RF电信号后叉指换能器产生声表面波；该RF电信号的频率为叉指换能器的声同步频率，该RF电信号的强度可以根据实际情况选择合适的强度；

⑦声表面波驱动靠近叉指换能器一侧的待混合的数字微流体向远离叉指换能器一侧的待混合的数字微流体运动，并使待混合的两个数字微流体合并且快速混合。

由于靠近叉指换能器一侧的待混合的数字微流体能量吸收，且声表面波在传播过程中被损耗及第二反射栅反射到达第二反射栅的声表面波，所以当接入的RF电信号不太大时，远离叉指换能器一侧的待混合的数字微流体基本保持不运动。

Claims (10)

1.一种数字微流体微混合器，其特征在于包括载物台、压电基片、玻璃载片和用于置放所述的玻璃载片的活动支架，所述的载物台上设置有空腔，所述的压电基片设置在所述的空腔中，所述的压电基片的下表面为工作表面，所述的工作表面上设置有第一反射栅、第二反射栅、叉指换能器和用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层，所述的第一反射栅和所述的第二反射栅分别设置在所述的工作表面的两端，所述的叉指换能器的位置靠近所述的第一反射栅的位置，所述的叉指换能器与外部信号发生装置连接，所述的第一疏水层位于所述的叉指换能器和所述的第二反射栅之间，所述的玻璃载片的上表面上设置有用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层，所述的第二疏水层的厚度大于所述的第一疏水层的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的压电基片为光学级LiNbO₃压电基片。

3.根据权利要求1所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的压电基片的周边通过现有的粘合剂与所述的空腔的内壁粘合连接。

4.根据权利要求1所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的第一反射栅、所述的第二反射栅和所述的叉指换能器均采用现有的微电子工艺制作在所述的工作表面上。

5.根据权利要求1所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的信号发生装置包括用于产生RF电信号的信号发生器和与所述的信号发生器连接的功率放大器，所述的功率放大器与所述的叉指换能器连接。

6.根据权利要求5所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的叉指换能器包括两个汇流条，所述的载物台上设置有引线脚，所述的汇流条与所述的引线脚之间通过第一导线连接，所述的引线脚与所述的功率放大器之间通过第二导线连接。

7.根据权利要求6所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的第一导线为金丝或银丝，所述的金丝或所述的银丝的一端通过现有的压焊工艺连接在所述的汇流条上，所述的第二导线为通用导线，所述的通用导线的一端焊接在所述的引线脚上。

8.根据权利要求6所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的第一导线为金丝或银丝，所述的金丝或所述的银丝的一端通过现有的导电银胶连接在所述的汇流条上，所述的第二导线为通用导线，所述的通用导线的一端焊接在所述的引线脚上。

9.根据权利要求1所述的一种数字微流体微混合器，其特征在于所述的活动支架为在水平和垂直方向均可调节的支架。

10.一种数字微流体混合方法，其特征在于包括以下步骤：

①由用于放置待混合的两个数字微流体的第二疏水层构成数字微流体储放区，将待混合的两个数字微流体移液到数字微流体储放区中，且保持待混合的两个数字微流体的连线与叉指换能器工作时产生的声表面波的传播路径平行；

②将整个玻璃载片置放到活动支架上，然后将活动支架置放于载物台下方；

③在水平方向上调节活动支架，使数字微流体储放区的位置与由用于两个数字微流体混合工作的第一疏水层构成的混合工作区的位置相对应；

④在垂直方向上向上调节活动支架，使待混合的两个数字微流体与混合工作区的表面相接触；

⑤当待混合的两个数字微流体附着于混合工作区的表面上后，在垂直方向上逐渐向下调节活动支架，使待混合的两个数字微流体脱离储放区；

⑥开启信号发生器和功率放大器，使叉指换能器接入RF电信号，并产生声表面波；

⑦叉指换能器产生的声表面波驱动靠近叉指换能器一侧的待混合的数字微流体向远离叉指换能器一侧的待混合的数字微流体运动，并使待混合的两个数字微流体合并且快速混合。

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