CN101663089A - 微机械加工的电润湿微流体阀 - Google Patents

微机械加工的电润湿微流体阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在毛细通道或微流体通道中控制流体流动的系统和方法。第一对电极可以在通道中的相对疏水表面处影响流体前端的湿化。第二对电极可以电解产生气泡，所述气泡接触疏水表面时可以截止流体流动。通道中流体的流动在接触疏水表面时可以被截止，当静电场减小了疏水表面处的流体的接触角时，流体流动可以被重新启动。可以去除静电场，并且当电解产生的气泡接触到疏水表面重新形成流体、气体和表面的阻碍接触角时，流体再次被截止。

Description

微机械加工的电润湿微流体阀
相关申请的交叉引用
本发明涉及Wang等人于2007年4月4日提交的在先专利申请11/696401，其题目为微机械加工的电润湿微流体阀。该申请已转为临时申请60/966533。本发明要求该申请的优先权，并以引用的方式将该申请并入本文。
技术领域
本发明涉及控制液流的方法和设备。特别地，本发明包括能够通过控制与流体/表面接触面的接触角来截止和启动液流的微流体阀。通过引入气泡产生一个新的液体/气体/固体接触面，该微流体阀可以重置为截止态配置。
背景技术
微流体设备和“微”流体处理系统在许多重要领域逐渐变得必不可少。这些设备响应时间短、组装简单、可大批量生产，因此对于护理现场的实时血液分析、使用现场的化工和流体生产、分析和检测来说是非常理想的。与传统的设备和技术相比，这类设备具有小许多的尺寸(footprint)，并且只需要最少数量的资源来得到相同数量的信息。由于塑料和硅微机械加工的进步，可以利用此类材料及技术，用更低的价格得到大量的微流体设备。然而，许多大型阀门配置与这类小型设备不兼容，因此需要一种可以精确控制打开和关闭的微型流体控制阀。
许多典型的微流体设备包括与塑料底部平行配置的顶盖，该塑料底部具有亚毫米尺寸的微通道。顶盖通常焊接或连接在底部，以形成一个密封的基于微通道的流体处理系统(请见U.S.PatNos.6750053及6905882)。微流体设备控制的一个重要方面在于，能够如预期地截止和重启液流。这类设备通常依靠微通道中的毛细管作用力来驱使流体在微通道中流动。在一些设备中，表面性能，例如疏水性和亲水性，被用来影响流速。由于在微通道中，表面张力通常是对液体起支配作用的力，因此液体的表面张力(或表面能)的改变可以是控制液流的有效措施。例如，美国专利6143248公开了一种毛细管截止阀，该截止阀利用由毛细管直径的突然增大引起的表面张力的变化来控制微流体的流动。
也有其他控制液流的方法，例如美国专利6561224、6958132及7117807公开了利用化学能、热能、机械能、光能或静电能。在这些技术中，由于能效更高，例如高于热技术，静电能成为一种优选的方案。利用电能改变表面张力的原理被称为电子毛细作用或电润湿(EW)。相对于依赖于通道表面化学性能的技术而言，通过调节表面静电荷的电润湿能够提供更精确的控制，也更加可靠，操作也更简便。电子毛细作用是现代EW的基础，在一个多世纪以前由Gabriel Lippmann发现，他发现通过在汞-电解质接触面施加电压可以使与不能混合的电解质溶液接触的液体汞在毛细管中流动。这个想法被成功地应用到汞-电解质系统中，但是存在一个主要的缺陷，即，即使施加低电压，电解质水溶液也会电解分解或焦耳加热。为了避免这种情况，并仍然保持电场效果，可以在流体和电解质/电极间引入一个介质层。这种电润湿技术的变型被称为介质上的电润湿(EWOD)。
为达到精确汲取、混合、阀调节、转换以及注射操作而处理微小液滴的系统中通常用到EW。美国专利6911132描述了一种操作液滴的装置。该装置是单侧电极设计的，该装置中的所有导电元件包含在同一表面上，在该表面上操作液滴。可以提供一个平行于第一表面的第二表面，用于容纳被操作的液滴。采用电润湿技术操作液滴，在该电润湿技术中，包含在第一表面上或嵌入第一表面的电极以受控的方式相继被施予电压及撤去电压。该装置能够处理多个液体处理过程，包括合并和混合两个液滴、将一个液滴分为两个或两个以上液滴、通过从液流中分离可单独控制的液滴从而对连续的液流取样、以及迭代二元或数字混合液滴得到预期的混合比。
类似的，美国专利7016560描述了一种设备，通过利用微通道中的流体所携带的元素来转换、减弱、遮敝、过滤或相移光信号。在一些实施例中，微通道携带气体或液体段，该气体或液体段与通过波导的光信号的至少一部分光能相互作用。该微通道可以成为波导覆层的一部分、核心及覆层的一部分、或只是核心的一部分。微通道也可以具有末端或被配置为环形通道或连续通道。该流体设备可以是自锁存的或半锁存的。通过使用例如电子毛细作用、差压电子毛细作用、电润湿、连续电润湿、电泳、电渗、介电电泳、电子水动力汲取、磁力-水动力汲取、热毛细作用、热膨胀、电介质汲取、和/或改进的电介质汲取，使在微通道中的流体流动。
在美国专利6130098中，描述了微液滴在微通道中的流动和混合使用了微型设备，该微型设备包括微液滴传输通道、反应区、电泳组件及辐射探测仪。分离的液滴被不同地加热并被驱使通过刻蚀的通道。电子元件装配在相同的基质材料上，使得传感器和控制电路合并在同一设备中。公开的装置包括了液滴传输通道，该通道具有疏水和亲水区域，这些区域被选择性地设置于或图案化处理(patterned)于通道壁和表面、反应室、气体引入通道和通风口、以及检测器中。所述装置还包括一个气体室，该气体室与传输通道相连，在液柱中形成气泡以分离和产生液滴。该传输微通道由分开一段距离的微加工的硅基质和玻璃基质制成。在液滴传输通道中提供了一个或多个疏水片、疏水区域或疏水带，用以从样品中分离不连续量的液体，使之被进一步传输以排出液滴。该专利还公开了一种从微通道中的液流产生和排出液滴的方法，通过使用在侧通道中的疏水片和气泡压力从液流中产生液滴。用于产生液滴的传输微通道和侧部微通道通过批量微加工在硅基质中制得，以在硅中形成液流通道。
EW(例如EWOD)的优势还被扩展到连续液流系统中，其中，沿着微流通道设置EW电极，并照预期方案致动以控制液流。这类基于EW的系统可以被设置为包括在微通道中的阀门和液流屏障从而如预期地截止或重新启动液流。常闭式的阀门可以是在微通道交叉处突然膨胀的形式，或者也可以由疏水材料制成，该疏水材料选择性地沉积于沿着微通道长度方向的狭窄区域中。这样的疏水片可以作为流入液流的屏障，该液流在疏水片上具有大的接触角和表面张力能。
在以上的技术中，由于电润湿力常常不够大到能隔断一个连续流，例如，在没有机械阀的参与下，因此，受控的流体通常被一段气体分隔开。也就是说，一旦在电润湿阀处流过流体，其接触角为0，并且电润湿阀不再具有流体接触面和接触角以影响液流的控制。这一缺点导致，在许多应用中，需要机械微型阀来截止和启动在微流体通道中的一段连续流体的流动。
虽然电润湿阀技术在控制被动微流体流动方面提供了一些优势，但是一旦被连续流段横穿，这些技术通常无法再次控制流体。而选择性的并入微机械阀由于其复杂性和昂贵的价格而无法实现。在生化及其他相关领域，需要一种能循环控制液流、样本尺寸和培养时间的方法。
如前所述，需要一种便宜的且响应快的阀门以启动和截止微流体的流动。理想地，希望能够在连续液柱流过阀门的情况下重新建立对电润湿阀的控制。需要一种针对微型阀的毛细管，该微型阀在体积上是离散的，并可重新设置。本发明提供了这些和其他的技术特征，通过阅读以下内容，它们将显而易见。
发明内容
当水流流过表面时，其流速和流向可以受到表面的相对疏水/亲水特征的影响。例如，流体流动可以被水流和表面之间的接触角影响。本发明的方法和设备采用了各种表面的组合，例如，具有不同的和可改变的疏水/亲水特征的表面，以控制流体的流动。在一个特定的实施例中，在毛细通道中的液流可以被疏水表面截止，可以通过静电将表面变为更亲水来启动液流，并且，可以通过将表面变回为更疏水并引入气泡以在疏水表面重新建立流体/气体接触面来选择性地重新截止液流。
在具有毛细管或微毛细管尺寸的液流的设备中，液流可以被流体和表面的低亲和力阻止(证明是由于大的接触角)。流体的表面张力能够达到使流体在现有条件下无法流过表面。为了启动液流，必须施加外力，例如，空气作用、离心力或静电力(例如由电润湿产生)，以克服表面张力能。在此，为了制造简便和可靠性，优选的液流控制设计方案可以包括受电润湿(EW)致动影响的疏水截止阀。设备操作可以基于电润湿的原理，即在固体-液体接触面施加电场以改变接触表面能从而提高或阻碍液流。这类设备可以采用微机械加工的电润湿微流体微型阀(例如，在微通道的底盘上)，该微型阀具有图案化处理在介质层上的一个或多个疏水片，该介质层覆盖在基体的一个或多个导电区域上。导电区域可以电致动以改变疏水片表面的润湿性。
本发明的一个目的是提供一种微机械加工的电润湿微流体微型阀。本发明的另一个目的是提供一种微机械加工的电润湿微流体微型阀，该微型阀控制连续液柱的流动。本发明进一步的目的是提供一种微机械加工的电润湿微流体微型阀，该微型阀控制连续液柱的流动以达到预期的用于流体内反应的培养时间。本发明的另一个目的是提供一种微机械加工的电润湿微流体微型阀，该微型阀嵌入微通道中以控制在这些微通道中的连续液柱的流动。本发明进一步的目的是提供一种微机械加工的电润湿微流体微型阀，该微型阀嵌入微通道中作为用于连续液柱的启动/截止阀。本发明的另一个目的是提供一种生物兼容的微机械加工的电润湿微流体微型阀。
在许多实施例中，本发明可以是用于医学或相关诊断工业领域的组件，在这些领域中，少量无机或生物液体在护理现场或使用现场被实时分析，这是基于无需传统的大批量及昂贵器材而使用微流体和微机械加工的芯片实验室(Lab-on-Chip)概念来获得相同的信息。
典型地，本发明是一种在微流体设备中的微型阀组件，例如诊断模块，其能够控制少量流体的流动。本发明可以通过在微通道表面的疏水片上截止液流来工作。根据电润湿原理的电致动可以被使用，以通过降低在疏水片上的流体接触面来重新启动液流。另一方面，本发明进一步涉及一种在微流体设备中的微型阀组件的制造方法，在该微流设备中，液柱的流动可以通过产生一个在疏水片处停止的逆流气泡并且将疏水片改变回成为更疏水性的方式而被截止。为了接触角控制的电致动和/或电化产气，通过，例如，平版印刷技术，将导电金属区域沉积在微通道的底盘上。这些导电区域位于疏水片以下，二者之间具有或不具有介质层。
本发明还公开了操作该微机械加工的电润湿阀的方法，包括施加穿过导电区域的电压以调节疏水片对流体的亲和力。例如，可以在允许液体流过的条件下在微通道中引入液柱，直到其被由通道中疏水片表面的大接触角引起的表面压力截止为止。通过施加穿过相邻于疏水区域的导电区域的电压以及静电地降低接触角并允许液流通过，液流可以被重新启动。
本发明的方法包括，例如，操作微机械加工的电润湿阀，即施加穿过导电区域的电压以通过电解产生截止气泡。例如，在通道中控制液流的方法，包括提供具有内表面和设置于表面上的疏水片的通道，提供暴露在内表面上的第一导电区域，液体从第一导电区域沿着通道流向疏水片，以及将电解电压施加到第一导电区域以电解地产生气泡。因此，气泡会被液流推动到疏水片上以形成接触面，该接触面具有足够的表面张力以截止液流。通过提供一个与位于导电区域和通道内部之间的疏水片相邻的第二导电区域，可以重新启动液流。当控制电压施加到第二导电区域时，所施加的电场能够降低在疏水气泡处的流体的接触角，因而降低对液流的阻力，并允许流体流过疏水片。
本发明可以包括在截止阀中电解地产生的气泡。例如，微流体阀可以包括具有导电区域和在微通道内与导电区域接触的流体的微通道。可以配置所述阀门，以使在导电区域中施加电压从而在通道中电解地产生气泡，因而截止在微通道中的液流。通过在微通道中产生导电区域的气泡的下游设置疏水片来精确控制气泡的位置。
本发明包括微流体截止阀，可以通过控制电润湿力来启动该阀，并可通过在液流中引入气泡将该阀重置为截止态。例如，可重置的微流体截止阀可以包括具有内表面的微流体通道；设置于表面的疏水片，该疏水片覆在第一导电区域表面，该第一导电区域与通道电绝缘；与通道电接触的第二导电区域；以及与通道电接触的第三导电区域。在操作中，当第一与第二导电区域之间存在低电势时，由于流体与疏水片之间的阻碍性的大接触角，水流体不会流过疏水片。若需要液流流过截止阀，可以在第一和第二导电区域之间引入一个更高的电势从而降低接触角，以允许水流体流过疏水片。为了重新建立截止状态，流过第三导电层的电流在流体中产生气泡，从而在通道中的疏水片处重新建立接触角(例如，采用在第一和第二导电区域之间重新建立低电势)。
在可重置截止阀的一个优选实施例中，电流流过第二导电区域、流体和第三导电区域，从而电解地产生气泡。在许多实施例中，第三导电区域位于通道中疏水片的上游，从而，例如，产生的气泡可以流向下游以在疏水片处重新建立大的接触角。在一个优选的实施例中，第二和第三导电区域位于疏水片的上游，并当电流流过它们中间时二者都产生气体(例如，氢气和氧气)。
在一个实施例中，微流体阀包括具有内表面的微流体通道；沿着微流体通道设置的两个或两个以上疏水片；位于疏水片之下的第一导电区域，该疏水片位于第一导电区域和通道内部之间；沿着微流体通道设置的第二导电区域，该导电区域位于所述两个或两个以上疏水片之间。在这一结构中，通道中的水流体在第一和第二导电区域之间存在第一电势的条件下不会流过疏水片，而在第一和第二导电区域之间存在更高的第二电势的条件下会流过疏水片。
在所述可重置截止阀的优选实施例中，第二导电区域位于疏水片的上游。在许多实施例中，微通道包括小于1mm的横截面尺寸。在一些实施例中，截止阀包括位于通道表面并覆在第一导电区域或第四导电区域上的第二疏水片。在一些实施例中，一个或多个附加的疏水片被设置在通道表面上，并覆在第一导电区域或一个附加的静电导电区域之上。在一些实施例中，电流流过一个电路，该电路包括了第二导电区域、流体以及第三导电区域，以产生气泡。在优选的实施例中，第三(电解)导电区域位于通道中疏水片的上游。在一个实施例中，第二和第三导电区域均位于疏水片的上游，并且当电流流过它们中间时均产生气体。
电润湿阀的另一个方面是，该阀可以包括多个疏水片。例如，微流体阀可以包括微流体通道，该微流体通道包括内表面；两个或两个以上沿着微流体通道的疏水片；位于所述两个或两个以上疏水片之下的第一导电区域，所述疏水片位于第一导电区域和通道内部之间；以及沿着微流体通道的第二导电区域，该第二导电区域位于所述两个或两个以上疏水片之间。使用时，在第一和第二导电区域间存在第一低电势的条件下，通道中的水流体不会流过疏水片，而当第一和第二导电区域间存在更高的第二电势时，水流体会流过疏水片。所述第二导电区域可以与通道内部电接触，或者，可选地，第一或第二导电区域均不与通道内部电接触。
定义
除了此处或说明书其他部分定义的内容外，所用的所有技术和科学术语的含义与本发明相关技术领域人员所知的相同。
在详述本发明之前，应理解，本发明并不局限于特定的设备或生物体系，这些设备或生物体系当然可以改变。还应理解，此处所用的术语只是为了描述特定的实施例，而非限制本发明。除非内容明确说明，说明书和权利要求中使用的“一”和“该”包括了复数形式。因而，例如“一个元件”可以包括两个或多个元件的组合；流体可以包括流体混合物，等等。
虽然许多方法和材料相似、改变或等同于所记载的内容无需额外的试验即可用在本发明的实施中，优选的材料和方法在此做了记载。在对本发明做描述和权利要求中，下述术语的用法与所列定义一致。
在此，术语“微流体”指具备液流通道的系统或设备，该液流通道具有至少一个小于1000μm的横截面尺寸。例如，液流通道的横截面尺寸可以为500μm或更小，300μm或更小，100μm或更小，50μm或更小，或者10μm或更小。在许多实施例中，通道尺寸约为50μm，然而通常为不小于1μm。本发明的阀门还可以用于更大尺寸的通道中，例如毛细通道，在该通道中液流通过毛细作用流动。
“疏水性”和“亲水性”是相对术语。若第一表面对脂类的亲和力高于第二表面，或者相对于第二表面与水更不相溶，则第一表面比第二表面更疏水。表面的相对疏水性可以客观地判定，例如，通过比较水溶液在这些表面的接触角。例如，如果水在第一表面的接触角比在第二表面的大，则第一表面被认为比第二表面更疏水。
“导电区域”用在这里是指一个由导电材料构成的区域。导电区域可以通过电流使电路闭合，并且/或者，可以提供局部电势以产生静电场，例如，实际上并不闭合电路。
附图说明
通过以下本说明书的剩余部分并结合附图，将会更清楚地了解本发明上述的和其他的目的。
图1是一个微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的横截面图，该横截面图示出了该电湿润微流体阀的布局图；
图2是根据电极和疏水表面布局图的一个优选实施例中微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的俯视图；
图3是一个结合了微机械加工的电润湿微流体阀的微流体通道的横截面图，该横截面图示出了流体前部被通道中的疏水表面截止的示意图；
图4是一个微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的俯视图，该俯视图示出了图解EW阀的电极和疏水表面配置；
图5是根据本发明一个更优选的实施例中微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的俯视图；
图6是根据本发明另一个优选的实施例中微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的俯视图；
图7是一个微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的俯视图，该俯视图示出了能够产生可重置气泡的EW阀的示意图；
图8是根据本发明另一个优选的实施例中微机械加工的电润湿微流体阀的底盘的横截面图，在该实施例中，设置电极以产生气泡；
图9是一个微流体通道的横截面示意图，该微流体通道结合了微机械加工的电润湿微流体阀，在所述阀内电流在疏水闸门上游产生了一个气泡；
图10是根据本发明另一个优选的实施例中结合了微机械加工的电润湿微流体阀的微流体通道的横截面图，其中，一个产生的气泡在液流前部又产生了一个液体/气体接触面。
发明详述
通过电能改变表面张力的原理被称为电毛细作用或电润湿(EW)。早期的EW应用与电解质溶液接触的液体汞以及施加在细的毛细管中的汞和电解质之间的电压。电压改变汞与毛细管间的接触角，从而使液体汞根据施加的电压在毛细管中上升或下降。这一技术的应用拓展到各种液体和电解质中。为了避免电流引起的液体升温，可以在电极和电解质(液体)间设置介质层。这一技术称为介质上的电润湿(EWOD)，是对EW技术的重要修正。在需要连续的“截止和重启”的液流操作情况下，现有技术公开的基于EW的系统可以沿着通道在选定位置并入疏水片或疏水带形式的液流屏障以截止液流。或者，与EW系统联合的液流屏障可以通过微流通道横截面的突然增大来有效增大接触角以阻止液流。为了克服液流屏障处大接触角的表面张力，施加外力，例如，空气动力、离心力、热力或静电力，以重启液流。
施加电压在系统中加入了电能，并根据下式改变接触角θ：
cosθ＝cosθo+1/σLG·[(εoε)/(2dV2)]        (1)
其中，θo是无电压时的接触角，θ是加了电压之后的接触角，σLG是在液体-气体接触面上的表面张力，εo和ε分别是自由空间和介质层的介电常数，V是施加的电压，d是介质层的厚度。因此，施加电压可以降低液体的接触角从而使液体流动。疏水片和EW致动的结合可以提供本发明优选实施例中的截止阀。
基于EW的设备可以宽泛的分为基于液滴的系统和连续液流系统。基于液滴的系统采用小的离散液滴完成运输、混合或分离操作。连续液流系统依赖于运输和对整体液体量(如在通道中)的控制，并可以以理想方式产生液滴。基于液滴的系统通常使用弹性平台，在该弹性平台内液滴的运输并不像连续液流设计那样被严格限制在封闭的微通道中。基于液滴的系统由于液体量和流体分离性通常不适用于许多应用。可以优选毛细管和微流体系统，特别是当液流表面必须包括用于分析反应的化学试剂时，所述化学反应由于暴露在大气中的空气和水分可能会被破坏或污染。
在连续液流系统中，液体流可以由微流管道中作为液流屏障的疏水片或疏水带截止。例如，水性液流可以在疏水片边缘处被截止。在无外电场的情况下，微流体通道中的流体-电极接触面面的特性由表面张力(或表面能)和毛细作用力决定。当施加外电场形式的外力时，固体-液体接触面的电荷可以改变液体表面的亲和力，从而调节接触角。疏水片处的表面张力背压可以降低到一个程度，使得液流可以流过疏水片。
采用有EW控制的疏水片的截止阀可以用任何合适的方法制造。基本的阀结构包括，例如，底基体；粘合或连接的用于密封在基体中的防水腔的顶盖；图案化处理在腔表面上的导电电极。通常，至少一个电极被疏水电介质覆盖。塑料是一种用于制造底部和顶部基体的便宜的材料，但是在塑料基体上难以覆盖金属。我们发现，硅是做底部基体的优选方案，因为可以采用常用的半导体处理技术将金属电极图案化处理在其上。优选地，顶盖是透明材料，例如，塑料或玻璃，从而适应于对流体成分的光检测。使用塑料基体时，可以用例如注射成型或激光切削技术在基体中产生微通道。另一个选择是，可以在顶部和底部基体中间夹一个已知性能的双面粘合间隔胶带，从而补足防水空腔。
这类设备可以完成许多操作，例如，(1)作为微型阀，该阀的疏水片是截止元件，该截止元件在施加某种外部能量时被克服；(2)完成化学反应，其中，液体被引入反应室和做定量检测的诊断带；以及(3)从微通道的液体段产生液滴，例如，为了可控地射出精确的液滴体积。
截止阀
本发明包括用于例如毛细管和微流体系统中的可重置的截止阀。典型的可重置的微流体截止阀包括电润湿表面和产生表面的气泡的组合。当水流引入干燥的具有相对亲水性的毛细通道时，流体将由于毛细作用而流动以充满毛细管。可以在通道的一个截面引入一个疏水表面以截止水流体的毛细流动。可以设置一对电极从而可以穿过疏水表面施加电势，因此可控地使该疏水表面更亲水。在疏水表面的上游，至少一个电极可以与通道内部导电接触，从而施加的电压可以电解地产生气泡。
在操作中，引入的水流体在接触疏水表面时可以在通道中被截止。穿过疏水表面的电势使其更亲水时，液流可以被重新启动。然而，该电润湿阀不能简单地通过除去电势而重置，因为不再存在气体以提供在疏水表面处的液体/气体/固体接触面。本发明通过在流体中提供气泡来解决这一问题，例如，通过电解流体产生气泡，该气泡可以流到疏水表面在不存在EW电势的条件下重新建立液流的截止液体/气体/固体接触面。
本发明的可重置的截止阀优选地在毛细管或微流体系统中控制液流。毛细通道的横截面尺寸通常为5mm或更小，更典型地，为1mm或更小。微流体系统包括一个或多个具有微米尺寸横截面的通道，该横截面尺寸为，例如，小于1毫米，500微米(μm)或更小，250μm或更小，100μm或更小，50μm或更小，10μm或更小，或者1μm或更小。
可重置的阀可以是微流体系统的一部分，该微流体系统包括两个或两个以上与微流体通道流体连接的室。例如，所述系统可以是化学检测或生物检测芯片，在该芯片中，例如，样品流体流入接触试剂以生成可检测的反应产物。所述系统的室可以保存样品、试剂、缓冲溶液、清洗溶液等等。所述室的功能可以配置为贮液室室、体积测量室、培养室(incubation chamber)、反应室、分析物或反应产物采集室、检测室、废料室等等。本发明的截止阀可以位于这些系统的通道中，以在体积和时间上精确地控制流体在室和通道之间的体积和流动。
在通道中截止水流体流动的疏水表面通常比相邻的通道表面更疏水。例如，通道中的疏水片可以是通道的表面，相较于相邻于疏水片的通道表面(典型的为上游表面)，该表面在流体前部具有更大的接触角。疏水片可以通过用相对(例如，相对于相邻表面)疏水的材料(例如，硅酸盐、脂类、碳水化合物等)来处理通道表面的方式形成。该疏水片可以由应用于导体的疏水介质材料形成，该介质材料由相对疏水的材料制成，例如塑料或聚碳氟化合物。可以通过处理相邻通道使其更亲水从而间接地形成疏水片。例如，疏水片可以是塑料基体的表面，而相邻通道可以用表面活性剂来处理。
值得注意的是，虽然水流体流动是更常见的应用，相关的系统可以控制更疏水性的流体的流动，例如基于有机溶剂的溶液。例如，通道可以制造成具有疏水片以截止疏水流体的流动，并且可以被静电场调节。可以通过电解产生气体的组分(或者注射气体、加热以产生气体等)在疏水流体中产生气泡，从而在疏水片处重新建立截止态。
本发明的可重置的截止阀可以包括两个或两个以上与通道内部导电接触和/或固定的导电区域，从而在通道表面有效地提供静电影响力。
电润湿导体通常包括嵌在通道表面中的第一电极，该电极由电介质与通道内部分隔；与通道内部导电接触的第二电极。在许多实施例中，第一电极嵌入在介电层和/或疏水层之后的通道壁上。第二电极在第一电极上游与通道内部导电接触。当流体流动，例如，以接触第二电极以及在第一电极之前的疏水表面，可以通过在两个电极间施加电压来产生静电场。该静电场可以调节输水表面的疏水性，影响表面处的流体接触角，以及确定流体是否流过疏水表面。
可重置阀中的两个或两个以上电解质导体通常与通道内部导电接触。其中一个电解质导体也可以作为电润湿导体的其中之一，例如，接地电极或普通电极。为了电解水流体以产生气泡，至少施加1.2伏穿过流体的电压以在阴极产生氢气(H2)并在阳极产生氧气(O2)。为了不在疏水(通常为EW)表面上游产生两个不同的气泡，阴极和阳极可以共同位于上游，或者一个电极可以位于疏水表面的下游。在一个实施例中，在通道中分开一段距离的阳极和阴极分别产生两个气泡，两气泡间可以精确的截取一段流体。
控制液流的方法
在毛细管或微通道中的流体流动可以通过提供液体/气体/固体表面接触面并影响液体和固体接触面处的接触角来完成。在疏水片处稳定截止的水流体前端可以通过静电电润湿疏水表面来允许其通过疏水片。在液流中插入气泡，从而在主要的驱动压力下新产生的液体前端处的接触角过大而无法克服，由此来截止流过疏水片的液流。
控制液流的方法可以包括，例如，提供本发明的可重置的阀；使液体流动并截止在通道的疏水EW表面处；施加EW电压以在EW表面产生静电场，从而允许流体继续流动；停止EW电压；施加电解电压以产生在EW表面上游的气泡；允许气泡流动以与EW表面接触，在该EW表面，表面的新的疏水性可以截止由气泡产生的流体前端。
本发明控制液流的方法的第一步是提供例如上述截止阀部分描述的系统。例如，在基体中可以提供微通道(例如，通过掩模沉积材料，化学刻蚀，激光刻蚀，塑料基体压模等)。通道表面可以被制成具有不同的疏水性，例如，应用如表面活性剂的亲水材料，应用疏水材料，用具有理想疏水性的材料制造，用能量束离子化表面等。导体可以是，例如，固定在表面上，嵌入在基体中，蒸气沉积金属或半导体等等。可以通过连接在电源上的导线将电压施加到导体，所述电源可以例如是电池、整流器等。电压可以是可控的，例如通过开关、可变电阻、电脑界面等控制。
可以通过任何合适的力或力的组合使流体流动。例如，本发明的方法中，流体可以在微通道中通过重力、气动压力、液压、毛细管作用、电渗等作用流动。在许多实施例中，在样品室中应用水样本，以通过重力作用流入微流体通道，在该微流体通道中，液流可以基本上依靠重力和毛细作用力的组合来驱动。这样的液流可以通过疏水片来截止，该疏水片提供足够大的与流体的接触角以使流体表面张力对抗液流的驱动压力。
穿过疏水片施加电压可以使流体响应上述作用力而流动，这些作用力例如重力和毛细作用力。在一个实施例中，可以穿过疏水表面施加电压，即通过在表面下的导体上以及在与流体接触的第二导体电极上施加电压。这种情况下，可以穿过非导电的疏水表面在导电流体和位于疏水表面以下的导体之间建立电容静电场。在另一些实施例中，两个电极均与流体绝缘，但是仍然提供能够影响流体在疏水片处的接触角的静电场。进一步，在另一些实施例中，两个导体均与流体导电接触，其中流体自身可以是也可以不是导体，从而影响流体在疏水片处的接触角。
可以根据特定的应用选择电解产生气泡的方式。在大多数实施例中，电压是直流电，为大于0.5伏、大于1伏、1.2伏或更高、2伏或更高、5伏或更高、12伏或更高。在优选的实施例中，流体包括了促进电流在流体中流动的一种或多种电解质。在优选的实施例中，流体的组分不会电镀电极或产生不需要的气体，例如氯气。在另一些实施例中，流体中包含了可以电解产生所需气体的电解质、可还原的组分或可氧化的组分。
具体实施方式
以下的讨论仅描述了示例性实施例，而不限制所要求保护的本发明。
实施例1-电润湿阀
提供一种电润湿阀，该阀带有位于疏水片以下的导电电极。图1示出了根据本发明一个优选的实施例中的微机械加工的微流体阀底盘1的横截面图。底盘包括了沉积在硅基体11之上的第一介质层12。典型地，第一介质层12由沉积在硅基体11上的作为硅隔离层的氮化硅制成。在第一介质层12上设置含有第一导电区域14和第二导电区域15的薄金属导电层。典型地，导电区域14和15由Au、Pt或ITO制成，采用半导体工业中常用的物理气相沉积法(PVD)沉积在第一介质层12上。采用影印技术将导电区域14和15图案化处理(patterned)成100μm至2mm宽的小电极区域，如图2所示。电极由在薄电极和厚接触板13之间相互连接的薄的Au、Pt或ITO层制成。接触板13在存在或不存在线焊的情况下与外部电路电连接。第一导电区域14可以作为参考电极或地电极，第二导电区域15可以作为工作或驱动电极，或者二者调换。传统地，若导电区域14或15未图案化处理而是作为覆盖在所述硅基体11整个区域上的覆盖层，则该导电层(区域14或15)成为参考电极，而另一电极作为驱动电极。
为了避免电极与液体的直接接触，可以采用第二介质层17。可以在导电区域14或15之上沉积介质材料，例如，基本上纯净的SiO2或其他聚合物层(如聚对二甲苯Parylene)。优选为SiO2，因为其对硅微加工技术具有更好的兼容性，且在半导体工业中广泛应用为绝缘层。可以使用化学气相沉积(CVD)仪器将第二介质层17的薄层沉积在导电区域14和15上，所述导电区域14和15在硅基体11上已完成图案化处理。可以采用影印技术对位于导电区域14和15之上的第二介质层17进行图案化处理。
微通道中的液流截止元件可以是已知长度的疏水片16，其长度优选为微通道总长的一部分。可以在已图案化处理的导电层14之上对疏水片16进行图案化处理，第二介质层17位于二者之间。疏水片16的微加工包括了在第二介质层17上旋转涂覆一种疏水材料，例如一层TEFLON AF无定形氟聚合物树脂。典型地，疏水片的材料相对于通道表面的介质层更疏水。疏水片16还可以被进一步涂覆光致抗蚀剂涂层，之后在紫外光下曝光，例如采用具有氧等离子体的刻蚀光致抗蚀剂以使疏水片16暴露，从而在第二绝缘层17的理想位置提供疏水片16。这些位置可以是，例如，影印地(photo-lithographically)对齐于微加工的电极以及还对齐于具有微通道的粘合间隔装置的位置。
图2是根据本发明一个优选的实施例中的微机械加工的电润湿微流体阀底盘的俯视图。图中，电EW导电区域14位于绝缘的介质盖之后。导体15与流过所示表面(通常由左至右流过)的流体电接触。在本发明一些优选的实施例中，导电区域14上覆盖第二介质层17，从而在无电流的情况下静电地影响区域内的流体接触角。在许多情况下，导电区域15与表面上的流体导电接触，作为相对于施加在EW导电区域14的任意电压的参考(例如，接地电极)。如图所示，设置在全部或部分EW导电区域14之上的有三个平行的且平均间隔的疏水片16a、16b和16c。疏水片16a、16b、16c的宽度和之间的间隔是可调的和预定的(例如通过计算或凭经验的)，以为截止或启动液柱20的连续流动提供最好的结果，例如图3所示。类似地，导电区域15的尺寸以及导电区域15与疏水片16c之间的间隔也是可调的，以对特定通道中的特定流体的接触角提供期望的影响。
图3示出了根据本发明一个优选的实施例中的微机械加工的电润湿微流体阀。一段流体柱20被限制在微流体通道中，该通道包括了底盘1基体和顶盘2。顶盘2可以具有一个涂覆了介质层19的玻璃或塑料基体18。当流体柱20在通道中流动时，流体前端22可以在底盘1上与疏水片16在接触面21上接触。流体前端22还可以与顶盘2在接触面23上接触。在接触面21上，流体柱20、疏水片16和空气24可以形成三相(液体、固体和气体)接触点。微流体通道的高度可以与流体柱20的高度相同或不同。流体柱20可以在毛细作用下在通道中流动。当流体柱20的前端22达到疏水片16时，在疏水接触面21上的流体接触角可以非常大，从而，例如，在不施加额外流体压力或静电力以降低接触角的情况下，流体不会流过疏水片16。相应地，流体柱20可以在疏水片16处截止。当在导电区域14和15间施加电压时，疏水片16的表面能可以改变，例如，降低在接触面21上的流体接触角，以及允许流体柱20流过通道。
为了控制液流或调节流速，施加于导电区域14和15之间的电压可以被调节。当施加的电压超过了上限时，电润湿效应可以产生控制作用。例如，流体柱20流过EW区域的疏水片时会遇到较大阻力。在本发明的一个方面中，当穿过导电区域14和15施加更高电压差时，流体柱20通过疏水片16的流量会增加。因此，通过调节施加在导电区域14和15上的电压，可以调节流体柱20通过疏水片的流速。这可以用于，例如，控制在所述EW阀上游的反应室中发生的反应的培养时间(incubation time)。可选地，可以使用一个闸门以控制该闸门下游流入反应室或检测室的液流。
实施例2-优选的EW表面设计
导电区域14和15的布局和设置可以有不同的配置。例如，图4和5示出了根据本发明一个优选的实施例的可选的设计图。电极32和31(分别与导体14和15连接)的尺寸、间隔及数量可以根据特定的应用而改变。疏水片16可选地可以覆盖电极31、32的全部或者一部分。
根据本发明另一个优选的实施例，导电区域14和15可以如图6所示设置。在该图中，导电区域14未被第二介质层17覆盖，因此暴露在流过该微通道的流体中。该设计的应用中，当电压E施加在导电区域14和15之间时，导电区域14可以作为接地电极。图7示出了该优选实施例的横截面图。
实施例3-重置阀门
根据本发明另一个优选的实施例，电润湿阀还可用于截止微通道中的液流。图8至10示出了在疏水截止闸门处重新建立液流截止态的情况。这一情况下，可以采用第三导电区域26，如图8所示，以在微流体通道的表面提供第二导电电极。在图8所示的实施例中，可以通过穿过导电区域14和26施加电压，当导电流体流过横穿过位于所述导电区域之间的毛细通道时闭合电路，从而电流电解产生气体(例如，从水中获得氢气和/或氧气)。当穿过导电区域14和26施加电压时，电压E的阳极导线连接在导电区域14上，如图8所示，例如，可以在流体与导电区域14的接触面上产生气泡25。气泡25产生的速率可以是所施加的电压E的函数。提高施加的电压E可以加快气泡25的产生。在许多优选的实施例中，在电解生成气体的过程中，在穿过导电区域15的疏水闸门上未施加偏置电压。
只要施加电压E且其阳极线连接在导电区域14上，就会产生气泡25。小气泡会随着时间逐渐变成大气泡25，如图9所示。当该气泡25达到疏水片16(例如，由于其体积和/或由于其被液流推向下游，如图10所示)时，流体前端接触到疏水片在21处形成接触面，三相(气相、液相和固相)接触重新建立。在此时或在此之前，可以从导电区域14和15中去除电压E。结果是疏水片16回复到其疏水状态并重新建立截止闸门，相关的高毛细截止阻力阻止流体柱20流过通道。
应该理解，这里描述的实施例仅仅是举例。在不偏离本发明的精神以及所附权利要求的范围的情况下，本领域的技术人员可以实施本发明的这些或其他的改进和变化。
虽然为了清楚和易于理解的目的，上述内容做了详细的介绍，但是对本领域的技术人员而言，应清楚理解在不偏离本发明范围的情况下可以在形式上和细节上作出各种变化。例如，上述许多技术和仪器可以以各种组合方式使用。
本申请引用的所有公开文件、专利、专利申请和/或其他文件在这里作为参考，对于所有目的均以其各自全文引用的方式并入本文中。

Claims (16)

1.一种可重置的微流体截止阀，包括：
具有内表面的微流体通道；
置于所述表面上的疏水片，所述疏水片覆盖在第一导电区域上，所述第一导电区域与所述通道无电接触；
与所述通道电接触的第二导电区域，其中，在所述第一和第二导电区域之间存在第一电势的条件下，由于所述流体和所述疏水片之间阻碍性的大接触角，水流体不会流过所述疏水片，并且，其中，在所述第一和第二导电区域之间存在第二电势的条件下，减小了所述接触角，因而允许所述水流体流过所述疏水片；以及，
与所述通道电接触的第三导电区域，流过所述第三导电层和所述流体的电流在所述通道中产生气泡。
2.如权利要求1所述的阀，其中，所述微通道的横截面尺寸小于1mm。
3.如权利要求1所述的阀，其中，所述第二导电区域位于所述疏水片的上游。
4.如权利要求1所述的阀，进一步包括位于所述通道表面上的第二疏水片，所述第二疏水片覆盖在所述第一导电区域上或覆盖在第四导电区域上。
5.如权利要求1所述的阀，其中，所述电流流过电路，所述电路包括所述第二导电区域、所述流体以及所述第三导电区域，以产生气泡。
6.如权利要求1所述的阀，其中，所述第三导电区域位于所述通道中所述疏水片的上游。
7.如权利要求1所述的阀，其中，所述第二和第三导电区域均位于所述疏水片的上游，并且其中，当电流流过它们中间时它们都产生气体。
8.如权利要求1所述的阀，其中，在所述通道中存在所述气泡的情况下在所述第一和第二导电区域之间建立所述第一电势。
9.一种微流体阀，包括：
具有导电区域的微流体通道；和
所述微流体通道中与所述导电区域接触的流体；
其中，在所述导电区域上施加电压，以在所述通道中电解地产生气泡，因而截止所述微流体通道中的所述流体的流动。
10.如权利要求9所述的阀，进一步包括了所述微流体通道中所述导电区域下游的疏水片。
11.一种微流体阀，包括：
具有内表面的微流体通道；
沿所述微流体通道设置的两个或两个以上疏水片；
位于所述疏水片之下的第一导电区域，所述疏水片位于所述第一导电区域和所述通道内部之间；以及，
沿所述微流体通道在所述两个或两个以上疏水片之间设置的第二导电区域；
其中，在所述第一和第二导电区域之间存在第一电势的情况下，所述通道中的水流体不会流过所述疏水片，并且其中，在所述第一和第二导电区域之间存在第二电势的情况下，所述流体会流过所述疏水片，所述第二电势高于所述第一电势。
12.如权利要求11所述的阀，其中，所述第二导电区域与所述通道内部电接触。
13.如权利要求11所述的阀，其中，所述第一导电区域和所述第二导电区域均不与所述通道内部电接触。
14.一种控制通道中流体流动的方法，包括：
提供通道，所述通道包括内表面和设置在所述表面上的疏水片；
提供暴露在所述内表面上的第一导电区域；
使流体沿所述通道从所述第一导电区域流向所述疏水片；以及，
对所述第一导电区域施加第一电压，从而电解地产生气泡；
因此，所述气泡被所述流体流动推至所述疏水片上，形成接触面，所述接触面具有足够的表面张力以截止所述流体流动。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括提供相邻于所述疏水片的第二导电区域，所述疏水片位于所述导电区域和通道内部之间；并且，
对所述第二导电区域施加第二电压；
其中，所述施加的第二电压产生电场，所述电场减小了在所述疏水片气泡处的流体的接触角，从而降低对所述液流的阻力，并允许所述流体流过所述疏水片。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括调节所述第二电压，从而调节所述流体的流速。
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