CN102256690A

CN102256690A - 疏水阀

Info

Publication number: CN102256690A
Application number: CN2009801506802A
Authority: CN
Inventors: R.C.邓杜尔克; M.W.J.普林斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Siemens Medical Systems Holland Ltd; Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: JP2012512390A; WO2010070461A1; CN102256690B; US20110240130A1; EP2379212A1; EP2379212B1; JP5372167B2; US8440150B2

Abstract

本发明涉及用于包括磁性颗粒的具有显著表面张力的液体的疏水阀，所述装置包括：至少两个平面的固体基体，各自具有功能化的表面，其中至少第一固体基体具有包括至少两个由至少一个疏水区域彼此分开的亲水区域的图案化表面，其中所述两个平面的基体彼此间隔一定距离以夹层平行方式设置，设置方式使得所述功能化的表面彼此面对，所述阀进一步包括磁致动器。

Description

疏水阀

技术领域

本发明涉及微流体装置(microfluidic device)上的疏水阀(hydrophobic valve)。

背景技术

在近十年来，引入了小型化的样品制备和分析单元，所谓的“芯片实验室（lab-on-a-chip，LOC）”。这些装置将一种或数种实验室功能整合在仅毫米到几平方厘米尺寸的单个芯片上。它们的引入至少部分是由引入核酸杂交技术用于诊断、分析和法医目的和由越来越大的样品数量所需要的对高处理量能力的增加的需求所激发的。这些装置的开发已经得到了基于平版印刷的技术的进展以及表面涂覆技术的新发展的支持。

然而，由于制造问题以及对微米和纳米尺度中的液体行为可控性的缺乏，液体流动和/或液体分散的控制仍是芯片实验室装置中的问题。

Liu等（2004）描述了用于微流体应用的单次使用的热动作的石蜡阀，其具有“关－开”功能，即其仅能够开启一次（非夹断(non-pinch-off)，或激励动作模式(tonic actuation mode)）。然而这种阀需要使用热量，而熔融石蜡可能污染位于该装置上的样品或堵塞该装置上的微通道。

发明内容

本发明的目的是提供允许控制微流体装置中的液体流动和/或液体分散而没有上述缺点的装置。

本发明的另一目的是提供用于微流体装置中的阀，一经致动其能够不可逆地打开。

本发明的另一目的是提供这种装置的制造和使用方法。

通过独立权利要求提出的方法实现了这些目的。所述独立权利要求指出了优选的实施方式。在本文中值得提及的是以下给出的所有范围都应当理解为它们包括限定这些范围的值。

附图说明

在从属权利要求、附图和以下对各附图和实施例的描述中公开了本发明的目的的其他细节、特征、特性和优点，附图和实施例以示例的方式显示了依照本发明的优选实施方式。应当认识到实施例绝不表示限制本发明的范围。

图1显示了在固体表面上的流体/流体界面（例如液体/气体或液体/液体）的接触角。

图2显示了依照本发明的装置的示意图。

图3显示了设置在不同基体之间的水/空气界面（或水/油）的接触角。

图4显示了依照本发明的另一装置的示意图。

图5显示了依照图4的装置的横截面。

图6显示了来自视频文件的片段，显示了依照本发明的装置。

图7显示了依照图4的另一装置的横截面。

图8显示了来自视频文件的片段，显示了依照本发明的另一装置。

图9显示了依照本发明的装置的不同实施方式。

图10显示了依照本发明的装置的磁致动器的不同实施方式。

图11在分解图中显示了依照本发明的装置。

具体实施方式

依照本发明，提供了用于包括磁性颗粒的具有显著(appreciable)表面张力的液体的疏水阀，所述装置包括：

a）至少两个平面的（planar）固体基体（substrates），各自具有功能化的表面，其中

b）至少第一固体基体具有包括至少两个由至少一个疏水区域彼此分开的亲水区域的图案化表面，

c）其中所述两个平面的基体彼此间隔一定距离以夹层平行方式设置，设置方式使得所述功能化的表面彼此面对，

d）所述阀进一步包括磁致动器（magnetic actuator）。

如本文中所用的那样，术语“具有显著表面张力的液体”是指特征在于液体的分子之间通过各种分子间力的吸引的液体。这例如适用于由极性分子构成的液体。在液体的本体（bulk）中，各分子在所有方向被相邻的液体分子相等地牵引，造成零净力。在液体的表面处，分子被在该液体内部更深处的其他分子向内拉动，并且没有被相邻介质（其为真空、空气或其他液体）中的分子同样强烈地吸引。因此，在表面处的所有分子经受向内的分子吸引力，其仅被液体的抗压缩性平衡，这意味着没有净向内力。

这种液体倾向于聚集成滴，尝试尽可能实现最低的表面积。这些液体的实例包括但不局限于水和含水液体（见下文）以及具有官能团的有机液体，特别是有机酸、酮、醛和醇，例如乙醇、甘油、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、乙酸、正丁醇、异丙醇、正丙醇、乙醇、甲醇和甲酸，以及其他有机液体，例如1,4-二氧六环、四氢呋喃、二氯甲烷或二甲亚砜。

如本文中所用的那样，术语“疏水”是指具有大于90°的接触角的基体表面。术语“超疏水（superhydrophobic）”是指具有大于150°的接触角的基体表面。

如本文中所用的那样，术语“亲水”是指具有小于90°的接触角的基体表面。

如本文中所用的那样，术语“接触角”是指流体/流体界面（例如液体/气体或液体/液体）与固体表面交会处的角度。术语“气体”在本文中包括气态流体，例如空气、蒸气或任何其他气体。术语“液体/液体界面”是指由于其表面张力的不同而在不混溶的液体之间建立的界面。在一个优选实施方式中，该术语“液体/液体界面”是指在极性液体和非极性液体之间建立的界面，优选在含水液体和油之间。

接触角对任何给定的系统都是特定的，且由三个界面之间的相互作用确定。最通常接触角概念是用停在平坦水平固体表面上的小液滴来解释的。由Young-Laplace方程确定液滴的形状。如果液体非常强地吸引到固体表面上（例如在强亲水性固体上的水），那么液滴将完全展开在固体表面上，接触角将接近0°。不太强亲水的固体将具有最高90°的接触角。在很多高度亲水的表面上，水滴将显示0°-30°的接触角。如果固体表面是疏水的，接触角将大于90°。在高度疏水的表面上，表面具有高达150°或甚至接近180°的水接触角。在这些表面上，水滴仅仅停留在表面上，没有实际润湿到任何显著的程度。

在本发明的一个优选实施方式中，提供了所述液体是含水液体（aqueous liquids）。本文中所用的术语“含水液体”是指具有水作为主要溶剂的液体。

上述疏水区域充当屏障以防止该至少两个亲水区域之间的自由液体流动。

所述磁致动器在其静止位置设置在第一亲水区域和疏水区域（分隔区域）的边界之下。其存在造成磁性颗粒聚集在设置该磁致动器的区域中。

一旦该磁致动器动作，后者移动到第二亲水区域的方向。因此迫使包含磁性颗粒的含水液体以如下所述的方式构建跨越（bridging）该疏水区域的含水液体的通道，由此连接两个亲水区域。只要建造了所述通道，该疏水阀就处于“打开”位置。

一旦该驱动器通过所述疏水区域并在第二亲水区域中停止，该疏水阀是否返回“关闭”位置取决于第二固体基体的功能化。

在第二固体基体具有亲水表面的情况中，跨越该疏水区域的含水液体的所述通道保持完整（阀保持在“开启”位置），而在该第二固体基体具有疏水表面的情况中，跨越该疏水区域的含水液体的所述通道发生破坏（回到“关闭”位置）。后者也称作“夹断行为（pinch off behaviour）”。

这些行为差异的原因是不同的接触角总和。位于亲水基体和疏水基体之间的含水液体的接触角总和为约180°。由两个角导致的毛细力彼此中和，这意味着没有净力作用在液滴的弯液面上。因此，该弯液面将不移动，产生稳定的情形。

与此相反，位于两个疏水基体之间的含水液体的接触角总和总是>180°。这意味着毛细力作用在弯液面上，其导致夹断。这些现象的解释参见图3。

如本文中所用的那样，术语“功能化的表面”是指已经具有给定功能的表面，例如疏水或亲水表面。

关于具有疏水性质的功能化的表面，最容易的实施方式是不进行特定的功能化，因为很多基体天生的状态就是疏水的。例如聚丙烯具有约105°的接触角。于是可以在这种基体上产生亲水图案。

然而，如果天生的疏水性质不足够好，或者如果因为一些原因使用具有亲水性质的基体，那么能够例如通过施加疏水涂层实现疏水功能化。由此得到的功能化的表面的实例包括：

● 硅烷化基体，

● 涂覆有碳氟化合物的基体，

● 具有荷叶效应(Lotus effect)的基体，

● 涂覆有硫醇的基体，和/或

● 自组装单层。

本文中所用的术语“自组装单层”（SAM）应指基体上的由分子单层构成的表面。自组装单层能够简单地通过添加所需分子的溶液到基体表面上并洗去过量的部分或通过蒸发来制备。

一些通常使用的SAM包括8-氨基-1-辛硫醇盐酸盐、6-氨基-1-己硫醇盐酸盐、10-羧基-1-癸硫醇、7-羧基-1-庚硫醇。优选地，在金表面上制备基于硫醇的SAM，而在玻璃表面上制备基于硅烷的SAM。在两种情况中，相应SAM构建分子的剩余部分决定亲水性或疏水性。硅烷例如可以包含碳氟链，并从而是疏水的，或者它们包含碳氧链（如聚乙二醇），并从而是亲水的。

对于金或银基体例如可以使用硫醇涂层。本文中一种优选的硫醇是十八烷硫醇，其具有约110°的接触角。

本文中所用的术语“荷叶效应”应指由于表面的复杂微观构造而具有超疏水性质的基体，前者具有高度为5-40 μm且宽度为5-30μm的突起的图案。以这种方式装备的表面显示出高达170°的接触角。

解决玻璃或SiO_x表面的疏水功能化的试剂例如是氟化硅烷，例如全氟癸基-三-乙氧基硅烷。其中，硅烷基团结合到玻璃表面，碳氟尾部产生疏水环境。这种富氟SAM具有约105°的接触角。技术人员可以从公知常识或从教科书和数据库在不需要创造性的情况下选择其他氟化硅烷。

解决玻璃或SiO_x表面的疏水功能化的试剂例如是氟化硅烷，例如全氟癸基-三-乙氧基硅烷。其中，硅烷基团结合到玻璃表面，碳氟尾部产生疏水环境。这种富氟SAM具有约105°的接触角。技术人员可以从公知常识或从教科书和数据库在不需要创造性的情况下选择其他氟化硅烷。可用于本文中的其他硅烷包括：

● 1H,1H,2H,2H-全氟己基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基三乙氧基硅烷；

● 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷；

● 1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷；

● 1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三乙氧基硅烷。

此外，乙氧基硅烷可用于本文中。这组尤其包括烷基(二甲基)乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷。

碳氟化合物涂覆的基体的一个实例是在Tetrafluoethylen（“Teflon”，例如Teflon AF 1600）中旋涂过的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）载玻片。这种表面具有约115°的接触角。另一实例是四氟甲烷（CF₄）。尽管Teflon涂层是由旋涂或浸涂实现的，然而四氟甲烷涂层是由等离子体沉积实现的。

关于具有亲水性质的功能化的表面，最容易的实施方式是不进行特定的功能化，因为很多基体天生的状态就是亲水的（玻璃、金属、很多聚合物等）。例如，玻璃基体具有约45°的接触角，而聚甲基丙烯酸甲酯基体具有约75°的接触角。于是可以在这种基体上产生疏水图案。

然而，如果天生的亲水性质不足够好，或者如果由于一些原因使用具有疏水性质的基体，那么例如能够通过以下实现亲水功能化：

● 聚(乙二醇)硅烷处理（“PEG-硅烷”，其中该硅烷基团尤其结合玻璃表面，该PEG基团产生亲水环境），或

● 等离子体聚合（plasma polymerization）。

等离子体聚合是使用等离子体源产生气体放电，其提供能量以活化或打碎气体或液体单体（通常包含乙烯基）以引发聚合的方法。该方法能够用于在表面上沉积薄聚合物膜。通过选择单体类型和能量密度/单体（称作Yasuda参数），所得到的薄膜的化学组成和结构能够在宽范围内变化。例如通过产生由己烷聚合的薄膜，其为由N-乙烯基-2-吡咯烷酮聚合的外层提供共价键合位点，能够得到亲水聚合物复合材料。

提供在该第一固体基体上的疏水和亲水区域的图案例如可以通过以下实现：

1）用提供疏水性质的试剂涂覆基体，例如通过旋涂、浸涂、化学气相沉积或生长SAM，和

2）以图案化的方式从假定具有亲水性质的那些区域上除去所述试剂，通过例如等离子体蚀刻。

关于步骤（1），生长SAM是优选的，因为由此得到的表面更容易通过等离子体蚀刻以图案化的方式除去。

旋涂或浸涂例如能够用于产生Teflon涂覆的表面（见上文）。

化学气相沉积（CVD）技术也是非常适合的。该方法包括例如本领域技术人员公知的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的技术。由其得到的表面涂层也能够通过等离子体蚀刻以图案化的方式除去。通过PECVD能够产生例如包含SiOC的涂层，但同样能够产生Teflon涂层。

如本文中所用的那样，术语“等离子体蚀刻”应指由等离子体实施材料去除的任意方法。这些包括例如反应离子蚀刻（reactive ion etching，RIE），其中除了离子轰击之外，所用气体气氛的反应性组分也是活性的。反应离子蚀刻特别允许各向异性蚀刻。ICP（感应耦合的等离子体（inductively coupled plasma））方法也包括在术语等离子体蚀刻内。进一步地，RIE和ICP方法的组合也是可以的。

产生疏水和亲水区域的图案的另一种可能性是以图案化方式在天生亲水的基体上仅局部施加疏水表面改性（例如通过旋涂、浸涂、化学气相沉积或生长SAM），或反之亦然。

另一种可能性是使用光刻技术用光致抗蚀剂限定图案。在整个基体上施加涂层之后，能够用剥离方法(lift-off process)除去非图案化区域中的涂覆材料。

在微流体装置环境中通常使用磁性颗粒，其中它们实现多种作用：

● 能够用捕获剂（例如抗生蛋白链菌素、甲壳质、寡核苷酸探针或抗体）涂覆磁性珠，其允许结合生物学实体，例如细胞（磁性珠基细胞分离）、核酸或蛋白质（磁性珠基免疫沉淀）。然后，用磁力收集携带所述生物学实体的磁性珠。

● 用涂覆有二氧化硅的磁性珠进行类似的方法。这些珠在离液盐（chaotropic salts）存在下结合核酸（“激增原理（boom principle）”）。

● 磁性珠可以用于借助磁力搅拌微流体装置内的液体。这可以帮助搅拌反应室或破坏待被溶解的细胞以释放它们的内容物。

如本文中所用的那样，术语“磁性”是指这样的材料，其是：

● 磁性的（即它们产生磁场，也称作铁磁性的）；

● 顺磁性的（即它们自身不产生磁场，但被吸引到磁场，即它们具有大于1的相对磁导率）；

● 超顺磁性的（即由小的铁磁性簇（能够在热起伏下无规地翻转方向）构成，使得该材料作为整体只有在外部施加的磁场中才能被磁化）；和/或

● 反磁性的（即它们产生与外部施加的磁场相反的磁场）。

在另一实例中，所述珠可以包括铁的氧化物，例如磁铁矿（Fe₃O₄）或磁赤铁矿（γFe₂O₃，两者均为超顺磁性或铁磁性的）。

在一个优选实施方式中，所述珠的直径在≥ 3 nm且≤ 1000 μm的范围。特别优选地，所述珠的直径在≥ 10 nm且≤ 100μm的范围。更优选地，所述珠的直径在≥ 50 nm且≤ 10 μm的范围。

在一个优选实施方式中，所述磁致动器选自由以下构成的组：

● 至少一个永磁体；

● 至少一个电磁体。

通常，电磁体仅包括当电流通过其时产生磁场的线。在一些更复杂的情况中，该线绕在磁性材料芯周围，优选金属芯。后者增强了磁场。

在一个优选实施方式中，该磁致动器包括移动机构，其允许以相对于固体基体平行的方式移动所述机构。涉及所述移动机构的一些优选实施方式在下面给出。

在另一优选实施方式中，该磁致动器由电磁体的阵列构成，其以协调方式开和关以得到移动磁场。在本实施方式中，该磁致动器没有可移动的部件。这导致较少的维修问题，并以更低的成本导致更高的精度，同时切换速度提高并且制造成本降低。

在另一优选实施方式中，使用产生静态磁场的至少一个强永磁体和/或至少一个强电磁体以产生静态磁场，而较小的磁体（永磁体、电磁体、电磁体阵列或线圈）用于驱动磁性珠，并由此开和/或关所述疏水阀。

在这种情况中，该永久均匀磁场给出顺磁性或超顺磁性珠的最大磁化，而非均匀场给出磁场的大梯度。

在另一优选实施方式中，所述第二固体基体具有亲水表面。在这种实施方式中（参见实施例1的装置2），甚至在该驱动器已经通过该疏水区域并停止在该第二亲水区域中时，该疏水阀仍保持在“打开”状态。跨越该疏水区域的含水液体的通道在这种情况中保持稳定，没有观察到夹断。这种阀动作模式也称作“激励阀动作模式”。这种模式例如在要混合两个室的内容物的情况中是特别有用的。

在另一优选实施方式中，该第二固体基体具有疏水表面。基本上，在这种实施方式中（参见实施例1的装置1），只要驱动器保持在接近分隔两个相邻亲水区域的疏水区域的位置，该疏水阀就保持在“打开”位置。一旦该驱动器已经通过所述疏水区域并停止在第二亲水区域中，跨越该疏水区域的含水液体的通道就发生破坏，且该阀返回到“关闭”位置，观察到夹断。这种阀动作模式也称作“相位阀动作模式（phasic valve actuation mode）”或“夹断”模式。这种模式例如在要将磁性颗粒或与其结合的化合物或物质从一个室输送到另一个室而不混合所述室的内容物由此使交叉污染最小化的情况中是特别有用的。

特别优选该第一固体基体和/或第二固体基体的至少一个疏水表面以使其具有大接触角滞后的方式进行选择。该实施方式支持上述的“激励阀动作模式”，原因如下：

如果在液滴体积增加的同时测量液滴的接触角－实际上这在润湿线刚要开始前进之前进行时－得到所谓的“前进接触角”（θ_A）。如果降低已经润湿表面的液滴的体积并刚好在润湿线后退之前测定接触角，那么测得所谓的“后退接触角”（θ_R）。通常，θ_A显著高于θ_R。差θ_A-θ_R（或Δθ）称作接触角滞后。平衡接触角（θ₀）能够由θ_A和θ_R依照以下方程计算：

（方程1）

其中：

（方程2）

和

（方程3）。

功能化区域中液体的限制主要由前进接触角确定，而夹断过程由后退接触角控制。

这意味着不打算显示夹断行为的疏水阀（“相位阀”）利用了第一固体基体的大接触角滞后。高前进接触角θ_A角导致更好的液体限制（“疏水性”），而低后退接触角θ_R非常好地防止了夹断过程。使用大的滞后，这两者都能实现。

下表给出了一些选定涂层的接触角滞后值的概述：

表1

在表2中，总结了所述现象。

表2

上述接触角仅是粗略估计，因为接触角几乎从不是固定值。通常，在前进接触角和后退接触角之间有差异。

本发明进一步提供了包括依照本发明的阀的微流体装置。

如本文中所用的那样，术语“微流体装置”是指用于处理和操纵小规模流体的装置，前者在几何上被限制为小（典型地为亚毫米）规模（纳升、皮升或飞升）。这种流体的行为能够不同于“宏观流体”行为，因为因素例如表面张力、能量耗散和流体阻力开始支配系统。微流体装置确实通常在液体生物样品（其通常仅以少量出现）处理和操纵中起到作用。它们通常是芯片实验室环境的一部分。

如本文中所用的那样，术语“芯片实验室”（LOC）是指将一个或几个实验室功能整合在尺寸仅为毫米到几平方厘米的单个芯片上的装置。所述功能包括实时PCR、生化化验、免疫测定、介电电泳、细胞样品制备等。

值得提及的是在上述类型的微流体装置中，液体的输送通常是借助于毛细力进行的，即不需要主动泵送。这意味着一旦通过阀（例如本文所述的亲水阀）将两个腔室之间的通道打开，位于腔室内的液体将自动流到另一腔室中。

然而，在某些情况下可能变得需要泵送。技术人员将无需实施创造性步骤就可以从现有技术中选择任意适合的泵。

特别优选地，通过以下进行泵送：

● 蠕动泵，

● 压电驱动泵，和/或

● 注射泵。

在一个优选实施方式中，提供了该微流体装置的至少一个疏水区域的宽度小于其相邻的亲水区域的宽度。通常，疏水区域形成本文中所称的“疏水屏障”或“分隔区域”。该区域可以具有≥ 0.02 mm且 ≤ 10 mm，优选≥ 0.05 mm且≤ 3 mm，更优选≥ 0.5 mm且≤ 3 mm的宽度。

在另一优选实施方式中，提供了该微流体装置是芯片实验室环境的一部分。

本发明进一步提供了芯片实验室装置，所述装置包括依照本发明的该微流体装置。

在优选实施方式中，依照本发明的该芯片实验室装置进一步包括来自由以下构成的组的至少一种装置：

● 细胞样品制备装置

● 取样器搅拌单元（搅拌器）

● 核酸分离装置

● 核酸净化装置

● 核酸提取装置

● 样品制备装置

● 免疫测定

● 电泳装置

● 核酸杂交单元

● PCR温度循环器(thermocycler)

● 荧光读出单元

● 芯片上化学反应应用。

本发明进一步提供了用于控制依照本发明的微流体装置中的液体流动的方法，其中至少一个第一亲水区域加载有包含磁性颗粒的含水液体，所述方法包括：

a）在接近第一亲水区域的位置产生磁场；

b）将该磁场以平行于所述两个平面的固体基体的方向的方向从接近第一亲水区域的位置移动到接近第二亲水区域的位置；

c）该移动的磁场在其路径上经过接近分隔所述亲水区域的疏水区域的位置；

d）由此至少临时产生跨越分隔所述亲水区域的该疏水区域的含水液体的通道；

这样含水液体可以至少临时从该第一亲水区域通到该第二亲水区域。

附图讨论

以下附图示意性地解释了本发明的一些基本方面。

图1显示了流体/流体界面（例如液体/气体或液体/液体）能够交会固体表面的接触角。在亲水基体上的水/空气界面的情况下，水强烈吸引到固体表面上，液滴将展开在该表面上。这同样适用于水/油界面。

因此，含水液体和亲水固体基体（灰色阴影区域）之间的接触角典型地< 90°。相反，在疏水基体上，亲水溶液具有大于90°的接触角。

图2显示了依照本发明的装置的示意图，包括具有功能化的表面20的平面固体基体，其以使得其包括两个彼此被一个疏水区域22隔开的亲水区域21的方式图案化。该装置包括可移动的永磁体作为依照本发明的磁致动器23。

图3a显示了设置在亲水基体和疏水基体之间的水/空气界面（或水/油）的接触角之和为约180°，而图3b显示了在两个疏水基体之间的水/空气界面（或水/油）的接触角之和总是>180°。

图3a中所示的原理是依照本发明的非夹断阀（激励动作模式）的基础。在这里可以提供的是第一基体的至少一个疏水区域以使其具有大的接触角滞后的方式选择以支持该非夹断行为。解释见说明书。图3b中所示的原理是依照本发明的夹断阀（相位动作模式）的基础。

图4显示了依照本发明的装置的示意图，包括两个平面固体基体40、41的平行设置，其彼此以距离42设置并彼此面对。下基体包括具有两个亲水区域43的图案化表面。

图5显示了沿图4的线A-A’的疏水阀的横截面。在本实例中，第一固体基体50具有图案化表面，在疏水表面内具有亲水区域52（灰色阴影），而第二固体基体51具有完全疏水的表面。由此在第一基体50的亲水区域52之间形成了分隔区域53。

由该第一基体50的亲水区域描述的空间填充有含水液体54，其保持在位置上，因为它们被疏水表面环绕。液滴之一包含一团磁性颗粒55。值得注意的是在图5中以及在其余附图中，该装置中剩余的空间可以充满空气（水/空气界面）或其他气体，或充满油（水/油界面）或其他非极性液体。

由永磁体56构成的磁致动器位于第一亲水区域和疏水区域（分隔区域53）的边界的下方。其存在使得磁性颗粒在液滴的该区域中聚集。通过移动该磁致动器56，迫使这些磁性颗粒跟随该移动，并由此跨越该疏水分隔区域53，由此形成从一个亲水区域到另一个的通道。只要该磁致动器位于该疏水区域下方，就会维持该通道，且该疏水阀就处于“打开”位置。一旦该磁致动器进一步移动，在阀处的液体连接就会破坏并从分隔区域退回到亲水区域。换言之，观察到夹断。

图6显示了来自视频文件的片段，显示依照装置1的腔室（即第二固体基体是疏水的），填充有液体，它们中的一个包含一团磁性颗粒。这些磁性颗粒从左腔室越过疏水屏障转移到右侧。在所述颗粒通过之后，该阀处的液体连接破坏并从阀区域退回到腔室中。换言之，观察到良好的夹断。在颗粒通过之后在阀处观察到的增加的透明度是由浓缩物(condensate)去除造成的光学假象(optical artefact)。

图7显示了沿图4的线A-A’的疏水阀的横截面。在本实例中，第一固体基体70具有图案化表面，在疏水表面内具有亲水区域72（灰色阴影），而第二固体基体71完全亲水（灰色阴影）。因此在该第一基体70的亲水区域之间形成了分隔区域73。

由该第一基体70的亲水区域描述的空间填充有含水液体74，其保持在位置上因为它们与疏水分隔区域73相邻。液滴之一包含一团磁性颗粒75。

由永磁体76构成的磁致动器位于第一亲水区域和疏水区域（分隔区域73）的边界的下方。其存在使得磁性颗粒在液滴的该区域中聚集。通过移动该磁致动器76，迫使这些磁性颗粒跟随该移动，并由此跨越该疏水屏障73，由此形成从一个亲水区域到另一个的通道。与装置1相反，即使在磁性颗粒已经到达第一基体的右侧亲水区域且磁致动器76已经移动到第一基体的右侧亲水区域下方之后，阀处的液体连接也不发生破坏并保持存在。换言之观察到激励阀动作模式。

图8显示了来自视频文件的片段，显示依照装置2的腔室（即第二固体基体是亲水的），填充有液体，它们中的一个包含一团磁性颗粒。这些磁性颗粒从右腔室越过疏水屏障转移到左侧。在颗粒通过之后，阀处的液体连接不发生破坏并且保持存在。尤其是最后的图片清楚显示了这种情况，因为观察到磁性颗粒流回到在阀区域上保持存在的该液体连接中。换言之，未观察到夹断。

图9显示了依照本发明的装置的不同实施方式，其在亲水区域90的设置上彼此不同。在所有情况中，至少一个疏水区域91的宽度小于其相邻的亲水区域90的宽度。为清楚起见，未示出第二固体基体和磁致动器。

图10显示了以上讨论的磁致动器的不同实施方式。在图10a中，磁致动器100包括移动机构101（例如轨道），其允许以相对于固体基体102平行的方式移动该磁致动器，由此移动磁场103，并因此移动液体中的磁性颗粒104。

在图10b中，该磁致动器由电磁体105的阵列构成，所述电磁体的阵列能够以协调的方式开和关。由此通过以协调的顺序激活和停用单独的电磁体而使磁场移动。开关106象征开关机构，其并不限于机械开关，而且也能够是半导体开关，例如晶体管、逻辑开关或现有技术中已知的允许在电磁体阵列中协调移动磁场的任何其他装置。

在图10c中，磁致动器由设置在印刷电路板108上的电磁线圈107的阵列构成。除了图10c中所示的之外，该电磁线圈阵列可以是多层的。所述电磁线圈能够以协调方式开和关。由此通过以协调的顺序激活和停用单独的线圈而使磁场移动。而且，通过产生静态磁场的强永磁体109增强电磁场。所述永磁体也能够被电磁体代替。后者不仅增强移动磁场的强度，而且如果需要也用于磁化磁性珠。

图11在分解图中显示了依照本发明的装置。该装置包括由疏水区域112将其彼此隔开的亲水区域111。进一步地，该装置包括印刷电路板113，电磁线圈的阵列，其能够以协调方式开和关以产生移动磁场。图11中未示出其他组件，例如用于产生静态磁场的永磁体或包括磁性珠的液滴。

实施例

实施例1

用两种类型的装置进行实验。两种装置都由第一固体基体和第二固体基体构成，通过隔件将其彼此隔开（在该情况中通过100μm厚度的双面胶带）。第一固体基体具有图案化表面，其包括用至少一个疏水区域将其彼此隔开的至少两个亲水区域。

在装置1中，第二固体基体具有疏水表面，而在装置2中，第二固体基体具有亲水表面。

两种装置的第一固体基体都是在其上施加全氟癸基-三-乙氧基硅烷的自组装单层（SAM）的显微镜载玻片。通过氧等离子体处理将该SAM部分去除，留下亲水室作为在疏水背景中的岛的图案。对于装置1，第二固体基体是已经在Teflon AF 1600中浸涂的PMMA的载玻片。对于装置2，第二固体基体是未经处理的PMMA载玻片。

该富氟的SAM具有约105°的接触角。未经处理的PMMA具有约75°的接触角，而在Teflon AF 1600中浸涂的PMMA具有约115°的接触角。

借助于隔件（即100 μm厚的双面胶带）将第二固体基体设置在第一固体基体上。第二基体具有恰好位于亲水区域上方的填充孔。

在两种装置中，通过填充孔将包含磁性颗粒（Dynal M270珠，2.7 μm直径）的水滴（10μl）注入，其聚集在第一亲水区域中，而在另一亲水区域中，注入没有磁性颗粒的水滴。

然后在所述装置下方，在第一亲水区域和疏水区域（分隔区域）的边界下方设置磁致动器。磁性颗粒立即聚集在设置该磁致动器的区域中。

然后将该磁致动器移动到第二亲水区域的方向，由此产生跨越该疏水区域的含水液体的通道。一旦该驱动器已经通过所述疏水区域并停止在该第二亲水区域中，

i. 在装置1中跨越该疏水区域的含水液体的通道发生破坏，而

ii. 在装置2中跨越该疏水区域的含水液体的通道保持稳定。

第一种阀动作模式也可以称作“相位阀动作模式”或“夹断模式”，而第二种阀动作模式也称作“激励阀动作模式”。

其原因是在装置1中，第二固体基体具有疏水表面，而在装置2中，第二固体基体具有亲水表面（见上文）。

参考文献

Liu R H, Bonanno J Yang J, Lenigk R, Grodzinski P (2004): Single-use, thermally actuated paraffin valves, Sensors and Actuators B 98; 328–336。

Claims

1.用于包含磁性颗粒的具有显著表面张力的液体的疏水阀，所述装置包括：

a）至少两个平面的固体基体，各自具有功能化的表面，其中

d）所述阀进一步包括磁致动器。

2.权利要求1的疏水阀，其特征在于至少一个具有疏水性质的表面包括选自由以下构成的组的至少一种材料：

● 硅烷化的基体，

● 涂覆有碳氟化合物的基体，

● 具有Lotus效应的基体，

● 涂覆有硫醇的基体，

● 自组装的单层，

● 聚四氟乙烯（PTFE），

● 结构无定形金属（SAM）。

3.权利要求1的疏水阀，其特征在于所述液体是含水液体。

4.权利要求1的疏水阀，其特征在于该磁致动器选自由以下构成的组：

● 至少一个永磁体，

● 至少一个电磁体，

● 至少一个金属线或线圈。

5.权利要求1的疏水阀，其特征在于第二固体基体具有亲水表面。

6.权利要求1的疏水阀，其特征在于第二固体基体具有疏水表面。

7.权利要求5或6的疏水阀，其特征在于该第一固体基体和/或该第二固体基体的至少一个疏水表面以使其具有大接触角滞后的方式选择。

8.包括权利要求1的阀的微流体装置。

9.权利要求8的微流体装置，其特征在于至少一个疏水区域的宽度小于其相邻亲水区域的宽度。

10.权利要求8的微流体装置，其特征在于该装置是芯片实验室环境的一部分。

11.芯片实验室装置，包括权利要求8的微流体装置和/或权利要求1的阀。

12.权利要求11的芯片实验室装置，其特征在于其另外包括选自由以下构成的组的至少一个装置：