CN101670998A - 点面电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法 - Google Patents

Abstract

点面电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法，它涉及一种电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法。针对交流电渗微流体驱动只能依赖于双电层理论而存在，而交流电动力学不能解释全频段内微流体流动现象问题。系统是：金属棒设有顶尖，螺旋进给装置与微位移平台相接触，聚二甲基硅氧烷板的左右两侧设有载玻片，聚二甲基硅氧烷板与面电极固接，金属棒与微位移平台固接，螺旋测微器调整至零点位置时，顶尖与面电极接触；方法是：配置中性微球溶液并注入到微通道内，在顶尖与面电极上施加交流电信号，计算流体驱动速度、效率及流量。本发明的系统和方法能进行较大频段内的微流体实验，并提供典型非均匀电场，可以解释全频段内的微流体流动现象。

Description

点面电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法

技术领域

本发明涉及一种电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法，属于微流控芯片技术领域。

背景技术

芯片实验室(Lab-On-a-Chip，LOC)是基于MEMS技术迅速发展而崛起的一种新型实验研究模式，具有广阔的发展前景。微流体的操控技术是芯片实验室系统的关键技术之一，以分析化学和分析生物化学为基础，同时依托于微机电加工技术，并且以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的一个重点课题。基于微流控芯片进行的检测系统与传统的生化检测手段相比，具有高效、快速、试剂微耗量以及可以实现自动化等优点。

基于交流电渗的研究，是微流体驱动技术的一项核心课题。交流电渗微流体驱动具有无运动部件、操作简便、价格低廉并且易于与其它流体器件集成等优点，被科研工作者所青睐。然而，交流电渗理论也有其自身难以克服的缺点，即其只能依赖于双电层理论而存在。在交流电渗微流体驱动过程中，当输入电信号频率低于电荷的弛豫频率时，可以用电极极化导致的双电层理论进行解释，并且可知当频率高于电荷弛豫频率时，将不会产生流体的流动现象。然而，实验过程中，高于弛豫频率范围内的流体流动现象是很明显的，这一现象是双电层理论所不能解释的，亦即交流电动力学不能解释全频段内的微流体流动现象。

为此利用典型非均匀电场，对较广频段内的微流体驱动进行详细研究，对于弥补交流电动力学在高频范围内解释流体流动现象具有特别重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种点面电极系统及利用该系统进行微流体驱动的方法，以解决交流电渗微流体驱动只能依赖于双电层理论而存在，而交流电动力学不能解释全频段内的微流体流动现象的问题。

本发明的点面电极系统由螺旋测微器、面包板、圆柱形金属棒、聚二甲基硅氧烷板、面电极和两片载玻片组成；所述螺旋测微器由螺旋进给装置和微位移平台组成，所述圆柱形金属棒的一端加工有顶尖，所述微位移平台的底座与面包板的上端面固接，所述螺旋进给装置的丝杠与微位移平台的一侧端面相接触，所述聚二甲基硅氧烷板固定在面包板上且位于微位移平台的正前方，聚二甲基硅氧烷板的左侧和右侧各设置有一片载玻片，且两片载玻片与聚二甲基硅氧烷板相贴靠并均与面包板的上端面固接，聚二甲基硅氧烷板的上端面的中部沿微位移平台的移动方向加工有凹槽，聚二甲基硅氧烷板的上端面上的左侧和右侧各加工有一个注入孔，聚二甲基硅氧烷板的上端面的左前端和右前端各加工有一个微通道，两个微通道、两个注入孔和凹槽三者相通，聚二甲基硅氧烷板的前侧端面与面电极固接，圆柱形金属棒加工有顶尖的一端设置在聚二甲基硅氧烷板的凹槽内，圆柱形金属棒的另一端与微位移平台的另一侧端面固接，螺旋测微器调整至零点位置时，圆柱形金属棒的顶尖与面电极接触。

本发明的利用点面电极系统进行微流体驱动的方法由以下步骤实现：一、将实验用点面电极系统置于操作台上，螺旋测微器调整到零点位置，使圆柱形金属棒的顶尖与面电极接触，之后，调整螺旋测微器，使圆柱形金属棒的顶尖至面电极之间的间距保持在0-5000μm范围内；二、以直径为100-1000nm的中性微球作为示踪粒子，采用浓度低于1.5％的KCl溶液对示踪粒子进行稀释，配置电导率为1.5mS/m-17mS/m的中性微球溶液备用；三、用移液器将中性微球溶液由聚二甲基硅氧烷板上的注入孔注入到聚二甲基硅氧烷板上的微通道内，待液面与所述微通道的上表面平齐时，盖上盖玻片；四、调节信号发生器，在圆柱形金属棒的顶尖与面电极上施加交流电信号，电压幅值为1-5V、频率范围为10Hz-5MHz，并利用CCD摄像头记录实验现象；五、利用粒子图像测速法对实验录像进行分析，计算点面电极系统中的流体驱动速度、流量以及驱动效率。

本发明的有益效果是：本发明的系统以简便、灵活为出发点，整体结构简单、造价低。以能够全面进行较大频段内的微流体实验为目的，进行结构设计。以面包板为载体，利用微位移平台、载玻片、圆柱形金属棒的顶尖、面电极(金属箔)以及聚二甲基硅氧烷板等搭建出点面电极系统。其中圆柱形金属棒的顶尖作为点电极，载玻片作为连接承载体，利用微位移平台，精确调整点面电极之间的距离，有效提供不同位置条件下微流体驱动速度特点。利用聚二甲基硅氧烷作为构建微通道的材料，能够避免操作过程中待操作液的外漏。本发明的方法能够简便地提供典型非均匀电场，精确控制点面电极之间的距离，流体驱动速度明显，呈双侧漩涡状。利用本发明的系统和方法完全可以解释全频段内的微流体流动现象。

附图说明

图1是本发明的点面电极系统的轴测图，图2是本发明的点面电极系统的俯视图，图3是点面电极系统的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的点面电极系统由螺旋测微器、面包板2、圆柱形金属棒3、聚二甲基硅氧烷板5、面电极7和两片载玻片6组成；所述螺旋测微器由螺旋进给装置1和微位移平台10组成，所述圆柱形金属棒3的一端加工有顶尖11，所述微位移平台10的底座12与面包板2的上端面固接，所述螺旋进给装置1的丝杠13与微位移平台10的一侧端面相接触，所述聚二甲基硅氧烷板5固定在面包板2上且位于微位移平台10的正前方，聚二甲基硅氧烷板5的左侧和右侧各设置有一片载玻片6，且两片载玻片6与聚二甲基硅氧烷板5相贴靠并均与面包板2的上端面固接，聚二甲基硅氧烷板5的上端面的中部沿微位移平台10的移动方向加工有凹槽15，聚二甲基硅氧烷板5的上端面上的左侧和右侧各加工有一个注入孔4，聚二甲基硅氧烷板5的上端面的左前端和右前端各加工有一个微通道14，两个微通道14、两个注入孔4和凹槽15三者相通，聚二甲基硅氧烷板5的前侧端面与面电极7固接，圆柱形金属棒3加工有顶尖11的一端设置在聚二甲基硅氧烷板5的凹槽15内，圆柱形金属棒3的另一端与微位移平台10的另一侧端面固接，螺旋测微器调整至零点位置时，圆柱形金属棒3的顶尖11与面电极7接触。

本实施方式中的螺旋测微器的型号为LX50-CR；载玻片由秦宁玻璃有限公司制造，规格：1-1.2×76×26mm±0.5。螺旋测微器、载玻片和面包板均为外购件。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的两个注入孔4相对于所述凹槽15的中心轴线对称设置，两个微通道14相对于所述凹槽15的中心轴线对称设置。具有微流体流动效果好，便于测试。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆柱形金属棒3的顶尖11与面电极7之间的调整距离为0-5000μm。依据实验条件调整不同距离。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的微位移平台10的行程为5mm。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆柱形金属棒3的顶尖11的直径≤10μm，在此范围内的顶尖可认为点电极。其它与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个注入孔4的直径≤100μm。在此范围内的流体注入量以及注入速度均较为迅速和平缓。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式七：本实施方式的面电极7的厚度≤100μm。此范围内的面电极7的厚度对于微流体驱动的影响较小，可忽略不计。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的利用具体实施方式一的点面电极系统进行微流体驱动的方法由以下步骤实现：一、将实验用点面电极系统置于操作台上，螺旋测微器调整到零点位置，使圆柱形金属棒3的顶尖11与面电极7接触，之后，调整螺旋测微器，使圆柱形金属棒3的顶尖11至面电极7之间的间距保持在0-5000μm范围内；二、以直径为100-1000nm的中性微球作为示踪粒子，采用浓度低于1.5％的KCl溶液对示踪粒子进行稀释，配置电导率为1.5mS/m-17mS/m的中性微球溶液备用；三、用移液器将中性微球溶液由聚二甲基硅氧烷板5上的注入孔4注入到聚二甲基硅氧烷板5上的微通道14内，待液面与所述微通道14的上表面平齐时，盖上盖玻片；四、调节信号发生器，在圆柱形金属棒3的顶尖11与面电极7上施加交流电信号，电压幅值为1-5V、频率范围为10Hz-5MHz，并利用CCD摄像头记录实验现象；五、利用粒子图像测速法对实验录像进行分析，计算点面电极系统中的流体驱动速度、流量以及驱动效率。粒子图像测速法为现有测速法。

本实施方式结束后关闭信号发生器，用酒精溶液清洗实验用圆柱形金属棒3的顶尖11和面电极7，然后用蒸馏水冲洗圆柱形金属棒3的顶尖11和面电极7，并用吹风机吹干，置于真空箱中保存。

具体实施方式九：本实施方式的步骤一中的面电极7由金属箔制成；步骤二中的中性微球由聚苯乙烯材料制成。中性微球受到其他作用力的影响较小，可准确示踪流体的流动特点。其它方法步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式的步骤二中，以直径为537nm的聚苯乙烯微球作为示踪粒子，采用浓度为1.3％的KCl溶液对示踪粒子进行稀释，配置电导率为10mS/m的中性微球溶液备用。在此范围内的中性微球对于实验的干扰较小。其它方法步骤与具体实施方式八相同。

Claims (10)

1、一种点面电极系统，其特征在于：所述点面电极系统由螺旋测微器、面包板(2)、圆柱形金属棒(3)、聚二甲基硅氧烷板(5)、面电极(7)和两片载玻片(6)组成；所述螺旋测微器由螺旋进给装置(1)和微位移平台(10)组成，所述圆柱形金属棒(3)的一端加工有顶尖(11)，所述微位移平台(10)的底座(12)与面包板(2)的上端面固接，所述螺旋进给装置(1)的丝杠(13)与微位移平台(10)的一侧端面相接触，所述聚二甲基硅氧烷板(5)固定在面包板(2)上且位于微位移平台(10)的正前方，聚二甲基硅氧烷板(5)的左侧和右侧各设置有一片载玻片(6)，且两片载玻片(6)与聚二甲基硅氧烷板(5)相贴靠并均与面包板(2)的上端面固接，聚二甲基硅氧烷板(5)的上端面的中部沿微位移平台(10)的移动方向加工有凹槽(15)，聚二甲基硅氧烷板(5)的上端面上的左侧和右侧各加工有一个注入孔(4)，聚二甲基硅氧烷板(5)的上端面的左前端和右前端各加工有一个微通道(14)，两个微通道(14)、两个注入孔(4)和凹槽(15)三者相通，聚二甲基硅氧烷板(5)的前侧端面与面电极(7)固接，圆柱形金属棒(3)加工有顶尖(11)的一端设置在聚二甲基硅氧烷板(5)的凹槽(15)内，圆柱形金属棒(3)的另一端与微位移平台(10)的另一侧端面固接，螺旋测微器调整至零点位置时，圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)与面电极(7)接触。

2、根据权利要求1所述的点面电极系统，其特征在于：所述两个注入孔(4)相对于所述凹槽(15)的中心轴线对称设置，两个微通道(14)相对于所述凹槽(15)的中心轴线对称设置。

3、根据权利要求1所述的点面电极系统，其特征在于：圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)与面电极(7)之间的调整距离为0-5000μm。

4、根据权利要求1、2或3所述的点面电极系统，其特征在于：所述微位移平台(10)的行程为5mm。

5、根据权利要求1或3所述的点面电极系统，其特征在于：圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)的直径≤10μm。

6、根据权利要求1或2所述的点面电极系统，其特征在于：每个注入孔(4)的直径≤100μm。

7、根据权利要求1所述的点面电极系统，其特征在于：所述面电极(7)的厚度≤100μm。

8、一种利用权利要求1所述的点面电极系统进行微流体驱动的方法，其特征在于：所述方法由以下步骤实现：一、将实验用点面电极系统置于操作台上，螺旋测微器调整到零点位置，使圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)与面电极(7)接触，之后，调整螺旋测微器，使圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)至面电极(7)之间的间距保持在0-5000μm范围内；二、以直径为100-1000nm的中性微球作为示踪粒子，采用浓度低于1.5％的KCl溶液对示踪粒子进行稀释，配置电导率为1.5mS/m-17mS/m的中性微球溶液备用；三、用移液器将中性微球溶液由聚二甲基硅氧烷板(5)上的注入孔(4)注入到聚二甲基硅氧烷板(5)上的微通道(14)内，待液面与所述微通道(14)的上表面平齐时，盖上盖玻片；四、调节信号发生器，在圆柱形金属棒(3)的顶尖(11)与面电极(7)上施加交流电信号，电压幅值为1-5V、频率范围为10Hz-5MHz，并利用CCD摄像头记录实验现象；五、利用粒子图像测速法对实验录像进行分析，计算点面电极系统中的流体驱动速度、流量以及驱动效率。

9、根据权利要求8所述的利用点面电极系统进行微流体驱动的方法，其特征在于：步骤一中的面电极(7)由金属箔制成；步骤二中的中性微球由聚苯乙烯材料制成。

10、根据权利要求8所述的利用点面电极系统进行微流体驱动的方法，其特征在于：步骤二中以直径为537nm的聚苯乙烯微球作为示踪粒子，采用浓度为1.3％的KCl溶液对示踪粒子进行稀释，配置电导率为10mS/m的中性微球溶液备用。

Images