CN103406162A - 基于介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生技术。该技术主要通过数字微流芯片驱动电极的设计及驱动信号操作来实现，在液滴分裂产生处，以特殊的微细电极组成电极组代替传统的单个电极，电极组整体使用时与常规电极一致，可实现液滴拉出，而电极组内微细电极通过驱动信号单独操作时可实现液滴平稳、精准分裂，以此实现液滴的精确产生。本发明技术实现结构简单，与目前领域芯片兼容，操控方便，可以大大提高数字微流控领域液滴产生的精准性，对其商业化应用具有重大意义。

Description

基于介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及基于介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法。

背景技术

基于介质电润湿效应的数字微流技术是指通过在介质结构上施加电压改变液滴在介质表面的润湿性能从而改变液滴与界面接触角以进一步对离散液滴进行操控的微流技术，它具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，是数字微流领域的主流技术，在LOC领域中具有非常好的发展前景。基于介质电润湿的数字微流芯片通常包括四个部分，施加驱动信号的电极层、充当电容作用的介质层、降低表面能量的疏水层以及操控对象液滴。其中，驱动电极是芯片功能中非常灵活的一部分，通过不同的电极排布、形状、尺寸等设计可以满足不同的液滴驱动功能。

在数字微流体技术中，由于操控对象是微尺度液滴，所以对液滴的量的控制有较高要求，特别是在生物化学应用中，液滴大小的精准性直接关系到反应检测的结果，精准的液滴产生、控制技术是微流体芯片商业化应用非常重要的一个环节。而在基于介质电润湿的数字微流体芯片中，普通方法的液滴产生并不能非常精准，液滴的大小往往有10%以内的误差，这主要和其液滴产生原理及其结构有关。在介质电润湿数字微流体芯片中，液滴的产生包括两个过程，一是驱动电极施加信号从蓄液池中拉出液滴，二是液滴拉出后，某个驱动电极去电使液滴部分发生断裂从而产生液滴。在传统芯片中，液滴的产生电极与驱动电极都是一样的，这样在液滴产生过程中，液滴的不规则形变，断裂位置的不确定以及快速断裂造成的震动等因素都会影响最终产生液滴的大小。因此，传统介质电润湿数字微流领域中，产生液滴的不精准是其商业化应用的重要瓶颈，虽然有文章报道可以加上连续微流精准控制泵给数字微流芯片提供精确液滴，但这显然不符合芯片实验室的集成性和便携性。因此，如何提高介质电润湿数字微流芯片液滴产生的精准性是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种精准高的基于介质电润湿数字微流芯片的液滴产生方法。

本发明目的在于提供一种基于介质电润湿数字微流芯片的液滴产生方法，主要通过数字微流芯片驱动电极的设计和驱动信号操作来实现，在液滴分裂产生处，以特殊的微细电极组成电极组代替传统的单个电极，电极组整体使用时与常规电极一致，可实现液滴拉出，而电极组内微细电极单独操作时可实现液滴平稳、精准分裂。更准确的，当液滴分裂时，不是整个电极组去电，而是电极组内的微细电极依次缓慢去电，这样避免了液滴不规则形变，而且增加了液滴分裂位置的确定性，这样每次产生的液滴大小就能保持一致，可以大大增加其精准性。具体的，本发明方法包括以下4种技术方案：

第1种，电极组由若干竖条状微细电极组成，呈矩形形状。微细电极数目和横向尺寸并不限定，如图1（a）所示，一般微细电极数目为3-8根，图1（a）中，画出5根。在需要液滴分裂产生时，将电极组内微细电极依次由内向外“去电”，即先去掉电极组中心微细电极的驱动信号，然后依次向外对称地去掉其余微细电极信号，这样在电极组上，由于中心微细电极没有驱动信号，液滴就会先从中心部分开始收缩，然后向两边扩展，哑铃状液滴中心不断变细，最后液滴中心部分达到最细，从而在电极组中心处分裂，实现液滴的产生；

第2种，电极组由若干横条状微细电极组成，呈矩形形状。微细电极数目和竖向尺寸并不限定，如图1（b）所示，一般微细电极数目为3-8根，图1（b）中，画出5根。在需要液滴分裂产生时，将电极组内微细电极依次由外向内“去电”，即对称地先去掉电极组外围微细电极的驱动信号，然后依次向内去掉其余微细电极信号，这样位于电极组上的液滴由于边缘首先不受驱动信号控制，故其体积会不断收缩，形成哑铃状，最终在电极组中心处达到最细，当电极组驱动信号完全去除时，液滴最细处分裂，实现液滴产生；

第3种，电极组由4个三角形电极组成，4个三角形顶端相对分上、下、左、右排布，使电极组为与常规电极一致的矩形形状，实际上就是把一个矩形产生电极沿对角线部分分成4个微细电极。在需要液滴分裂产生时，先对上、下2个三角形电极同时“去电”，再对左、右三角形电极同时“去电”。当同时去掉“上、下”2个三角形电极的驱动信号时，电极组上液滴由于上下边缘部分不受驱动信号控制，而收缩集中在电极组中心处；其次，当同时去掉“左、右”2个三角形电极的驱动信号即电极组驱动信号完全去除时，哑铃状液滴在中心发生分裂，从而实现液滴的产生；

第4种，电极组由两个半圆电极和一个哑铃状圆凹电极组成，三个电极紧密排布以使电极组为与常规电极一致的矩形形状，其中2个半圆电极分别位于“上、下”位置，园弧部分相对，哑铃状电极夹于两半圆电极的园弧中间，这种电极组结构更符合液滴的分裂形状，从而增加分裂时的平稳性。在需要液滴分裂产生时，先对“上、下”2个半圆电极同时“去电”，然后再对中间电极“去电”，即先同时去掉位于“上、下”位置的半圆电极驱动信号，使液滴向内收缩，形成和底部电极一样的哑铃状，当最后去掉中间的哑铃状电极的驱动信号时，液滴会在中心发生分裂，从而实现液滴产生。

本发明中，4种情况的微细电极组成的电极组尺寸（包括微细电极间间隙）应当与邻近常规驱动电极一致，更为具体地，可以看做将一个常规驱动电极分解为本发明的四种情况微细电极，这样的好处是本发明的液滴产生技术电极尺寸与传统常规芯片兼容，只需对某一个常规电极进行改进设计即可，实现简便。

本发明第1、第2种情况所述“微细”电极指的是该电极尺寸的宽度相比邻近常规驱动电极要小的多，其宽度约为邻近常规驱动电极的十分之一到三分之一；本发明第3种情况的4个三角微细电极尺寸是一样的，其组合整体（包括微细电极间间隙）与邻近常规电极尺寸一致；本发明第4中情况中，两个半圆微细电极和一个哑铃状圆凹电极组成的整体尺寸（包括微细电极间间隙）与邻近常规电极尺寸一致，并满足，圆凹电极最细处宽度不小于常规电极尺寸的十分之一。 

本发明中，由于使用微细电极，可以对液滴进行多步操作，通过微细电极的依次缓慢去电可以使液滴收缩的形状趋势与电极去电趋势一致，这样保证液滴不受扰动以及分裂位置固定，使每次产生的液滴大小一致，这是本发明的关键之处。

本发明中，电极组与邻近电极之间，电极组内微细电极之间是电气隔离的，其隔离间隙与微流体芯片其他电极间隙保持一致。

本发明中，微细电极组成的电极组尺寸应当与驱动电极匹配，以满足芯片的通用性，并使产生的液滴能够被后续驱动电极操控。

本发明中，所述微细电极“去电”是有对称性和时序性的，以电极组中心为轴两边对称的微细电极都是同步“去电”，以保证液滴收缩在电极组中心，而且不同微细电极的“去电”是先后有序的，微细电极间的去电时间间隔并不限定，但应保证一定时间以使液滴分裂平稳。

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“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。

本发明中，所述的“上下”指的是与液滴运动垂直的方向，“左右”是指与液滴运动平行的方向，“去电”是指驱动电极驱动电压信号的去除。

本发明中，所述“在……上”或“位于……上”可以指某一部分直接位于另一部分上，两部分是接触的，也可以是指有某一部分在物理空间上位于另一部分上，两部分之间还有其它部分。

本发明提供的技术方案是基于电极的设计及驱动信号操作，因此能够应用于各种结构的介质电润湿数字微流控芯片中。

本发明的创新在于利用微细电极组成电极组作为液滴产生的分裂电极，并通过微细电极依次缓慢去电，以使液滴能够平稳收缩最终在固定位置分裂，从而确保了液滴产生的精准性。。

本发明提供的精准液滴产生方法具有如下显著优势：

（a）直接利用驱动电极形状设计和信号操控，无需额外部件，实现简单，可以配置于传统的各种芯片结构，适用范围广；

（b）能够增加液滴产生的平稳性，不仅可以大大提高每次液滴产生的精度，而且可以减少失效的发生，增加了芯片的稳定性；

（c）解决了传统领域的瓶颈，精确液滴的产生有利于大大扩展芯片的商业化应用。

附图说明

图1是根据本发明的精确液滴产生方法对应的4种电极配置示意图。其中，（a）为第一种，（b）为第二种，（c）为第三种，（d）为第四种。 

图2是根据本发明的精确液滴产生方法的一种芯片实现结构示意图。

图3是使用本发明的精确液滴产生方法的一种电极配置来实现具体的液滴产生过程示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于介质电润湿数字微流体芯片的精准液滴产生技术是通过电极设计和驱动信号控制来实现的，因此可以有多种配置方式，可以配置于各种数字微流芯片中。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。

本发明的精确液滴产生方法，对应的4种电极配置如图1所示。即在蓄液池电极E1与常规驱动电极E3、E4之间设置了特殊电极组E2，这4种电极共同组成液滴产生电极结构。当电极组内微细电极施加相应操控时，液滴D形成哑铃状结构，并在电极组中心达到最细。图（a）中，竖条状微细电极E21-E25组成电极组E2，5根竖条状微细电极E21-E25的长度与常规驱动电极E3的宽度一致。使液滴分裂时，只需将电极组由内向外去电，如先将微细电极E23去电，其次E22、E24去电，最后E21、E25去电即可完成液滴平稳产生；图（b）中，横条状微细电极E21-E25组成电极组E2，该电极组E2的宽度与常规驱动电极E3的宽度一致。使液滴分裂时，只需将电极组由外而内去电，如先将微细电极E21、E25同时去电，其次E22、E24同时去电，最后E23去电即可完成液滴平稳产生；图（c）中，4个三角形电极E21-E24的4个角两两相对组成矩形电极组E2，该矩形电极组E2的宽度与常规驱动电极E3的宽度一致。使液滴分裂时，只需将电极组先上下去电，再左右去电，如先将微细电极E22、E23同时去电，其次E21、E24同时去电即可完成液滴产生；图（d）中，两个半圆微细电极E21、E23和一个哑铃状圆凹电极E22紧密排布组成矩形电极组E2，即两个半圆微细电极E21、E23的圆弧部分相对排布，哑铃状圆凹电极E22位于两个半圆微细电极E21、E23圆弧的中间。矩形电极组E2的宽度与常规驱动电极E3的宽度一致。使液滴分裂时，只需将电极组由内而外去电，如先将微细电极E21、E23同时去电，再将电极E22去电即可完成液滴产生。

本发明第1、第2种情况所述“微细”电极指的是该电极尺寸的宽度相比邻近常规驱动电极要小的多，其宽度约为邻近常规驱动电极的十分之一到三分之一；本发明第3种情况的4个三角微细电极尺寸是一种的，其组合整体（包括微细电极间间隙）与邻近常规电极尺寸一致；本发明第4中情况中，两个半圆微细电极和一个哑铃状圆凹电极组成的整体尺寸（包括微细电极间间隙）与邻近常规电极尺寸一致，应当满足，圆凹电极最细处宽度不小于常规电极尺寸的十分之一。

基于本发明的精确液滴产生方法的一种芯片实现结构示意图如图2所示，在基板101上为本发明的蓄液池电极E1、常规驱动电极E3、E4和特殊电极组E2。应当说明，本说明书只简单选取数字微流芯片中液滴产生主要部分为例，实际芯片中可以有更多更复杂的驱动电极。在电极上有介质层102，其上置有疏水层103。基板101、电极层E1-E4、介质层102及疏水层103共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D0、D1，液滴之上为疏水层104，疏水层上置有接地电极105，其上为绝缘基板106。疏水层104、地电极105、上基板106共同构成了器件的上极板202。本发明仅以此普通双极板芯片为例说明本发明技术的实现。

基于本发明的精确液滴产生方法的一种电极配置来实现具体的液滴产生过程如图3所示。电极由蓄液池电极E1、常规驱动电极E3、E4和特殊产生电极组E2组成，其中电极组E2以图2中第一种为例，即由竖条状微细电极E21-E25组成。芯片的实施方式如图2所示。开始时，液滴D0位于蓄液池E1之上，如图3(a)；当电极组E2施加驱动信号时，液滴从蓄液池E1拉出，覆盖在电极E2之上，如图3(b)；其后对电极E3施加驱动信号又使液滴覆盖在电极E2、E3之上，完成液滴的拉出过程，如图3(c)；紧接着是液滴的分裂产生过程：首先微细电极E23去电使液滴在其上向内微小收缩，如图3(d)；然后微细电极E22、E24也去电，使液滴在其实进一步收缩形成哑铃状，如图3(e)；最后，微细电极E21、E25去电使电极组E2全部去电使其上液滴收缩到最小并在中心分裂。以上过程即实现了本发明的精确液滴产生。

Claims (3)

1. 一种介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法，其特征在于通过数字微流芯片驱动电极的设计和驱动信号操作来实现，在液滴分裂产生处，以特殊的微细电极组成电极组代替传统的单个电极，电极组整体使用时与常规电极一致，实现液滴拉出；对电极组内微细电极单独进行去电操作，实现液滴平稳、精准分裂。

2. 根据权利要求1所述的介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法，其特征在于所述的电极组及其相应的去电操作，分为4种形式： 

第1种，电极组由若干竖条状微细电极组成，整体呈矩形形状；在需要液滴分裂产生时，将电极组内微细电极依次由内向外“去电”，即先去掉电极组中心微细电极的驱动信号，然后依次向外对称地去掉其余微细电极信号，这样在电极组上，由于中心微细电极没有驱动信号，液滴先从中心部分开始收缩，然后向两边扩展，哑铃状液滴中心不断变细，最后液滴中心部分达到最细，从而在电极组中心处分裂，实现液滴的产生；

第2种，电极组由若干横条状微细电极组成，整体呈矩形形状；在需要液滴分裂产生时，将电极组内微细电极依次由外向内“去电”，即对称地先去掉电极组外围微细电极的驱动信号，然后依次向内去掉其余微细电极信号，这样位于电极组上的液滴由于边缘首先不受驱动信号控制，故其体积会不断收缩，形成哑铃状，最终在电极组中心处达到最细，当电极组驱动信号完全去除时，液滴最细处分裂，实现液滴的产生；

第3种，电极组由4个三角形电极组成，4个三角形顶端相对分上、下、左、右排布，使电极组为与常规电极一致的矩形形状；在需要液滴分裂产生时，先对上、下2个三角形电极同时“去电”，再对左、右三角形电极同时“去电”；当同时去掉“上、下”2个三角形电极的驱动信号时，电极组上液滴由于上下边缘部分不受驱动信号控制，而收缩集中在电极组中心处；当同时去掉“左、右”2个三角形电极的驱动信号即电极组驱动信号完全去除时，哑铃状液滴在中心发生分裂，实现液滴的产生；

第4种，电极组由两个半圆电极和一个哑铃状圆凹电极组成，三个电极紧密排布使电极组为与常规电极一致的矩形形状，其中2个半圆电极分别位于“上、下”位置，园弧部分相对，哑铃状电极夹于两半圆电极的园弧中间；在需要液滴分裂产生时，先对“上、下”2个半圆电极同时“去电”，然后再对中间电极“去电”；当同时去掉位于“上、下”位置的半圆电极驱动信号时，使液滴向内收缩，形成和底部电极一样的哑铃状，当最后去掉中间的哑铃状电极的驱动信号时，液滴在中心发生分裂，实现液滴的产生；

所述电极组的微细电极之间、电极组与邻近电极之间是电气隔离的，其隔离间隙与微流体芯片其他电极间隙保持一致。

3. 根据权利要求1所述的介质电润湿数字微流芯片的精准液滴产生方法，其特征在于所述的液滴的成分是单一的或多成分组成生物样品或化学溶液。

Images