CN103170384A - 一种基于大小液滴操控的数字微流芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及基于介质上电润湿驱动的数字微流控技术，更为具体是一种基于大小液滴操控的数字微流芯片。本发明以通用电极结构为基础，结合条状矩形电极，通过合理配置组成一种双极板芯片结构，并配置电容传感，可以对大小不同的液滴进行产生、输运、分裂、合并、筛选等多步操作。本发明具有新颖、简便、可集成性强、自动化程度高等优点，大大地拓宽了介质电润湿数字微流芯片的实用功能及应用范围。

Description

一种基于大小液滴操控的数字微流芯片

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及基于介质上电润湿数字微流体技术的一种基于大小液滴操控的数字微流芯片。

背景技术

数字微流技术是指通过光、热、电压、表面声波等多种驱动方式对单个液滴进行操控以完成微流体液滴取样、混合、输运、检测等功能的技术。而基于介质上电润湿的数字微流技术，是指在含有绝缘介质的芯片上，通过施加电压信号可以改变介质上液滴的接触角，使液滴发生不对称形变，从而产生内部力来达到液滴操控的一项技术。该技术由于具有实现简单、操控方便、可控性好、驱动能力高的许多优点，正受到越来越多的关注，被认为是微流领域最有发展前景的技术。

基于介质电润湿原理的数字微流芯片，其结构主要由电极、介质层、疏水层等重要部分组成。从结构上，可以分为需要上极板的单面驱动芯片、双面驱动芯片以及不需要上极板的单面驱动芯片。

根据介质电润湿数字微流芯片驱动原理，液滴的操控需要电极的电压信号，因此，电极的尺寸决定着操控液滴的尺寸。传统的数字微流芯片都是专用型的，即一旦电极尺寸设计好后，只能对基本固定大小的液滴进行操控，若液滴大小偏离要求范围，即出现液滴“失控”，而目前，在介质电润湿数字微流芯片领域，液滴的产生不能十分精准，而且在液滴混合、分裂等操作后又会出现大小不一致的液滴，这样给芯片的稳定性带来一定问题，因此最好是有一种数字微流芯片，能够对大小不同的液滴都能操控，而不是操控单一尺寸的液滴，这样可以解决目前芯片问题，而且大小液滴操控的数字微流芯片比传统芯片会有更多的潜在应用。

虽然有报道可以利用微细电极组合及微小条状电极簇可以对不同大小液滴进行操控，但是这些电极结构首先是由于需要较多的微细电极，因而芯片需要较复杂的控制信号；更为重要的是，这些电极结构的芯片都是非自动控制的，即必须确定液滴的大小才能确定信号的控制方式进而对液滴进行操控，这样违背了电润湿数字微流技术操控方便、自动化程度高的原则，也限制了其具体使用范围。

因此，我们曾设计了基于数字微流芯片的通用电极结构（专利申请号：CN201210190156.1），通过一定的电极形状结构设计，可以实现对大小不同液滴的简便、自动化驱动，具有非常显著的优势。但是，该通用电极结构只解决了大小不同液滴的通用驱动问题，还未实现大小不同液滴的产生、分裂、特别是不同尺寸液滴的筛选，而这些都是数字微流芯片实际应用中非常重要的功能。因此，需要设计一种基于通用电极结构的数字微流芯片，实现大小不同液滴的各种操控以满足数字微流芯片实际应用要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于大小液滴操控的数字微流芯片，能够对一定范围内不同大小的液滴进行简单自动化产生、分裂、合并、以及不同尺寸液滴筛选等操控。

本发明提供的基于大小液滴操控的数字微流芯片，以通用电极结构为基础，配合条状电极结构，并集成电容检测技术，构成基于上下极板双面驱动的“三明治”结构，其具体配置如下：在第一绝缘衬底上为第一驱动电极层，在第一驱动电极层上为第一介质层，再其上为第一疏水层，上述结构构成芯片的下极板；构成芯片的上极板的，从下往上依次为第二疏水层、第二介质层、第二驱动电极层和第二绝缘衬底；芯片上极板、下极板中间夹着驱动液滴，共同构成本发明的数字微流芯片；其中，第一驱动电极层和第二驱动电极层的位置可以互换。

本发明中，第一驱动电极层与第二驱动电极层都是基于条状通用电极结构，并结合普通的矩形条状电极结构。其中：

第一驱动电极层（或第二驱动电极层）分为两部分，主要部分为叉指嵌套的条状通用电极阵列，其余部分为在电极层边缘的对应尺寸的几个条状矩形电极；与此对应的第二驱动电极层（或第一驱动电极层）是由特殊的条状电极阵列排布而成，每一条状电极主体为通用电极结构，而电极一端则为普通的矩形电极结构。

第一驱动电极层和第二驱动电极层以一定的方式互呈90度垂直排布，使数字微流芯片主体部分为垂直交叉的通用电极结构以满足大小不同液滴的驱动，而边缘部分为传统的条状交叉电极结构，用来实现液滴产生、分裂等功能。

本发明利用电容检测方法，通过对第一、第二电极层的驱动电极间的电容进行检测,从而检测液滴大小对液滴进行筛选。即当液滴处于某一通用驱动单元上时，通过对通用电极结构部分上、下极板对应的电极进行传感即可检测出液滴电容，从而可以确定其尺寸进行液滴的筛选。

本发明提供的基于大小液滴操控的数字微流芯片，采用条状通用驱动电极和条状矩形电极结合，并通过一定的排布使芯片包含有普通电极驱动部分和通用电极驱动部分，以实现数字微流体芯片液滴的所有操控功能，但是各个电极的数目及电极组合比例并不限定，具体根据应用所需确定。

本发明中，条状通用电极的设计应满足基于数字微流芯片的通用电极结构（见中国专利申请号：CN201210190156.1），其具体形状和尺寸并不限定。

本发明中，所述“普通矩形条状电极”指的是传统数字微流芯片中电极形状为长矩形，相邻电极间排布不存在嵌套。其结构参见 基于电润湿的数字微流体（见专利申请号：PCT/US2008006709 公布号：WO 2008/147568）；

本发明中，所述电极的“交叉”指的是电极在某一维度上的投影有重叠部分，而电极没有直接的物理接触。

本发明中，所述“尺寸”一般指的是特征尺寸，如电极尺寸是指沿液滴驱动方向上有效驱动电极宽度，而液滴尺寸指的是液滴的直径。

本发明中，所述“液滴”是指能用于电润湿驱动的溶液滴，其成分可以是单一的生物样品、化学溶液等，也可以是多成分组成，如外面包裹着一层油膜的液滴等，其大小并不限定，可以为次微微升到若干毫升之间。

本发明中，所述“极板”或“电极板”是指微流控芯片中包含有介电层、电极层、疏水层或者其任意组合的一定器件结构部分。

本发明中，所述“驱动电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生，所述“接地电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成0或与0足够接近。

  本发明利用通用电极结构和传统条状电极结构组合成新型数字微流芯片，不仅可以对大小不同液滴进行驱动，还可以完成液滴产生、分裂、筛选等操控。

本发明提供的数字微流配置具有如下显著优势：

（a）利用通用电极结构和传统矩形电极结构结合，实现简单，而且采用条状电极上下极板驱动的芯片结构能够大大简化驱动控制信号。

（b）除了能像传统结构对一般液滴进行操控外，还能操控尺寸比电极尺寸小的不同大小的液滴；而操控大小不同的液滴的范围可以通过电极尺寸的设计进行改变，可以方便满足实际需要。

（c）电极的驱动不需要任何改变，无需检测液滴的大小，直接按照传统驱动方式即可自动操控大小不同的液滴。

（d）除了可以实现传统的液滴产生、分裂、合并等功能外，还能够通过电容检测技术对液滴大小进行检测筛选，能够极大拓宽数字微流芯片的应用范围。

 

附图说明

图1是本发明的一种基于大小液滴操控的数字微流芯片的横向截面示意图。

图2是本发明的一种基于大小液滴操控的数字微流芯片的纵向截面示意图。图1和图2的芯片截面互成90度。

图3是根据本发明的数字微流芯片上下极板电极排布原理性示意图。

图4A、4B、4C是利用本发明的数字微流芯片产生大小不同液滴的顺序示意图。

图5A、5B是利用本发明的数字微流芯片对大小不同液滴进行分裂的顺序示意图。

图6是利用本发明的数字微流芯片进行液滴筛选的电容检测示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于大小液滴操控的数字微流芯片基于目前介质上电润湿数字微流技术的芯片结构和驱动方法。应当指出，本实施方式是为了说明目的而提供，而不在意以任何方式限制本发明的范围。

根据本发明的一种基于大小液滴操控的数字微流芯片的两个互成90度的芯片截面示意图如图1、图2所示，在第一绝缘衬底100上为第一电极层E1-E10。应当说明，用作衬底的材料并不固定，只要绝缘即可，如可以为石英、玻璃、绝缘的硅片等；而电极可以由任何导电材料组成，其电极大小和间隔及具体电极的个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例，而且图1、图2并不精确反应电极的尺寸及截面情况，只是从芯片角度表示其电极排布。在第一电极层上为第一介质层101，其上置有第一疏水层102。应当指出，介质层应为绝缘介质材料但并不限定，优选为介电常数较高、抗击穿能力较强的材料。第一绝缘衬底100、第一电极层E1-E10、介质层101及疏水层102共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D，液滴之上为第二疏水层103，其上为第二介质层104，第二介质层上置有第二电极层E11-E18，第二电极层上为第二绝缘衬底105。第二绝缘衬底105、第二电极层E11-E18、第二介质层104以及第二疏水层103共同构成了芯片的上极板202。当芯片实施时，对第一电极层（或第二电极层）某一条状驱动电极施加电压驱动信号而对第二电极层（或第一电极层）的条状电极接地，这样位于两垂直电极之间相交的驱动单元上的液滴就会受到力的作用而被操控。

图3是根据本发明的数字微流芯片上下极板电极排布原理性示意图，应当说明，本发明以通用电极为基础，并不限定通用电极的具体形式，图3只是以一种通用电极形状为例，而且只是以电极为对象描述其排布情况，并不反应芯片结构。第一电极层由条状矩形电极E1-E3、条状半通用驱动电极E4和条状通用驱动电极E5-E10组成；第二电极层由矩形和通用电极结合的条状驱动电极E11-E18组成。第一电极层和第二电极层互成90度垂直排布，而且排布满足使芯片电极结构包含两部分，一部分为由条状驱动电极组成的传统驱动结构S1，另一部分为由通用叉指电极组成的通用驱动结构S2。应当说明，第一、第二电极层的位置可以互换，如第一电极层处于上极板而第而电极层处于下极板。通过这样的电极排布，芯片S1部分可以实现传统微流芯片的液滴产生、分裂、合并等功能，而通用驱动部分S2可以实现大小不同液滴的驱动及检测筛选。如图3所示三个大小不同液滴D1、D2、D3，它们分别处于下极板驱动电极E6和上极板驱动电极E12、E14、E16的相交处，若要它们共同向右运动，只需对驱动电极E7施加电压信号，而驱动电极E12、E14、E16接地，又或者使驱动电极E7接地而驱动电极E12、E14、E16施加驱动信号即可。

图4A、图4B、图4C是利用本发明的数字微流芯片产生大小不同液滴的顺序示意图。蓄液池大液滴D分别位于驱动电极E1与E11、E1与E13的部分相交之处，通过使电极E11接地，而对电极E1和E2施加驱动电压使液柱从大液滴D中拉出，其后保持E2的驱动电压和E11接地，而断开E1的驱动电压即可使拉出的液柱回到蓄液池中，而部分液柱停留在电极E2和E11的相交处形成一个小液滴；同理，通过使电极E13接地，而对电极E1、E2和E3施加驱动电压使液柱从大液滴D中拉出，其后保持E2、E3的驱动电压和E13接地，而断开E1的驱动电压即可使拉出的液柱回到蓄液池中，而部分液柱停留在电极E2、E3和E11的相交处形成一个大液滴，这样就完成了大小不同液滴的产生。

图5A、图5B是利用本发明的数字微流芯片对大小不同液滴进行分裂的顺序示意图。小液滴D1、大液滴D2分别位于E1、E2、E3与E11和E13的相交处。使电极E11和E13保持接地，开始时使对电极E2施加电压信号而断开电极E1、E3的驱动信号使两液滴稳定在电极E2的中轴线上，其后通过断开电极E2的驱动信号而同时对电极E1、E3施加驱动信号即可使大小液滴D2、D1分别分裂成两个小液滴D21、D22和D11、D12，从而完成大小不同液滴的分裂操作。此外通过实施上述的逆过程即可实现两个液滴合并成一个较大的液滴。应当指出，液滴的合并功能除了在传统电极结构部分实现外，还可以在通用电极结构部分实现。

图6是利用本发明的数字微流芯片进行液滴筛选的电容检测示意图，当液滴处于上下极板中间时，如处于电极E6和E14的相交处，两电极之间的两层介质层和两层疏水层以及液滴构成了一个电阻、电容串联结构。而芯片成型后，上极板形成的电阻R1、电容C1以及下极板形成的电阻R2、电容C2是固定的，而处于上下极板间的液滴形成的电阻、电容与液滴的尺寸相关，这样通过对电极E6和E14间的电容进行检测即可得出液滴的尺寸，然后根据液滴不同尺寸实施不同操作从而完成液滴的筛选功能。

应当指出，上述描述了本发明芯片的优选实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明核心和范围的前提下，可以对本发明做出许多改变和进行多种实施。

Claims (3)

1. 一种基于大小液滴操控的数字微流芯片，其特征在于该芯片以通用电极结构为基础，芯片上下极板都含有条状驱动电极，其结构从下到上依次为：

（a）第一绝缘衬底，（b）第一驱动电极层，（c）第一介质层，（d）第一疏水层，（e）第二疏水层，（f）第二介质层，（g）第二驱动电极层，（h）第二绝缘衬底；其中，（a）、（b）、（c）、（d）构成芯片的下极板，（e）、（f）、（g）、（h）构成芯片的上极板；芯片上极板和下极板中间夹着驱动液滴；（b）第一驱动电极层和（g）第二驱动电极层的位置可以互换。

2. 根据权利要求1所述的基于大小液滴操控的数字微流芯片，其特征在于：第一驱动电极层与第二驱动电极层都是基于条状通用电极结构，并结合普通的矩形条状电极结构；其中：

第一驱动电极层分为两部分，主体部分为叉指嵌套的条状通用电极阵列，其余部分为在电极层边缘的对应尺寸的几个条状矩形电极；与此对应的第二驱动电极层由的条状电极阵列排布而成，每一条状电极主体部分为通用电极结构，而电极一端则为普通的矩形电极结构；

第一驱动电极层和第二驱动电极层互呈90度垂直排布，使数字微流芯片主体部分为垂直交叉的通用电极结构，以满足大小不同液滴的驱动，而边缘部分为普通的条状交叉电极结构，用来实现液滴产生、分裂功能。

3. 根据权利要求1或2所述的基于大小液滴操控的数字微流芯片，其特征在于芯片利用电容检测方法，通过对第一、第二电极层的驱动电极间的电容进行检测,从而检测液滴大小，并对液滴进行筛选。

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