CN105233891B - 一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片与应用 - Google Patents

Abstract

一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片与应用，它涉及微流控芯片与应用。本发明要解决现有微纳米尺度颗粒的旋转操控，转动依赖于颗粒与溶液的极化关系，对于颗粒的电学属性要求高的问题。芯片：ITO玻璃基底的中心设有正方形悬浮电极，在正方形悬浮电极的四周分别设置四个激发电极，PDMS盖片表面设有粒子流道，粒子流道的中心设有圆形反应腔，粒子流道一端设有圆形入口通孔，另一端设有圆形出口通孔；ITO玻璃基底设有电极的一侧和PDMS盖片下表面相对密封。制备方法：一、电极的加工；二、PDMS通道加工；三、芯片的制备。应用：一、颗粒准备；二、旋转微米棒。

Description

一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片与应用

技术领域

本发明涉及微流控芯片与应用。

背景技术

微流控系统是近年来随着微加工技术的快速发展而迅速崛起的一项涉及机械、力学、生物及化学等多学科交叉的新技术，它以微纳米尺度的沟槽结构为依托，用以实现对微纳米尺度流体及流体中的颗粒对象实施操控的目标。一般而言，微流控系统的基础任务主要用于完成微纳尺度流体的驱动及微纳尺度颗粒的操纵。

微纳米尺度颗粒的旋转操控，可广泛应用颗粒尺寸特征的描述、表面性质的检测等，对明确单细胞的表面电导电容等电学性质具有重要意义。传统微纳米颗粒的电动旋转操作分别为施加有空间相位差为90度的电压信号，进而在操作空间内产生顺时针方向的旋转电场。如果此时，操作电极的中心区域有一个微纳米尺度颗粒，则由于颗粒与溶液之间的极化程度差异，颗粒会产生与旋转电场同向或者反向的转动。这一转动强烈依赖于颗粒与溶液之间的极化关系，因此对于颗粒的电学属性要求较高。如果某一颗粒与溶液的电学极化属性接近，则无法实现其有效旋转。

发明内容

本发明要解决现有微纳米尺度颗粒的旋转操控，转动强烈依赖于颗粒与溶液之间的极化关系，因此对于颗粒的电学属性要求较高，如果某一颗粒与溶液的电学极化属性接近，则无法实现其有效旋转的问题，而提供一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片及其制备方法与应用。

本发明的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片由PDMS盖片和ITO玻璃基底组成；

所述的ITO玻璃基底的中心位置设有一个正方形悬浮电极，在正方形悬浮电极的后面设置激发电极a，在正方形悬浮电极的左面设置激发电极b，在正方形悬浮电极的前面设置激发电极c，在正方形悬浮电极的右面设置激发电极d；

所述的正方形悬浮电极、激发电极a、激发电极b、激发电极c及激发电极d由ITO玻璃基底表面的ITO导电膜腐蚀后留存得到；所述的正方形悬浮电极、激发电极a、激发电极b、激发电极c及激发电极d的厚度均为200nm；

所述的正方形悬浮电极的边长为200μm～300μm；所述的激发电极a与激发电极c之间的间距大于正方形悬浮电极边长的两倍；所述的激发电极b与激发电极d之间的间距大于正方形悬浮电极边长的两倍；

所述的PDMS盖片的下表面设有粒子流道，粒子流道的中心位置设有圆形反应腔，粒子流道的一端设有贯穿PDMS盖片的圆形入口通孔，粒子流道的另一端设有贯穿PDMS盖片的圆形出口通孔；所述的PDMS盖片的厚度为5mm～7mm；

所述的圆形反应腔深0.8mm～1mm；所述的粒子流道深0.8mm～1mm；

ITO玻璃基底设有电极的一侧和PDMS盖片下表面相对密封，且正方形悬浮电极置于圆形反应腔的中心位置，圆形反应腔直径范围把激发电极a、激发电极b、激发电极c及激发电极d的内端部包容在内。

本发明的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的制备方法，是按以下步骤制备：

一、电极的加工：

①、清洗ITO玻璃：首先将ITO玻璃依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗5min～15min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的ITO玻璃置于温度为80℃～120℃下加热15min～30min，得到预处理后的ITO玻璃；

②、甩胶：在转速为500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶12s～18s，然后在转速为2500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶45s～60s，得到甩胶后的ITO玻璃；

③、曝光：在温度为100℃下，将甩胶后的ITO玻璃加热6min，然后利用曝光箱进行曝光210s～240s，得到曝光后的ITO玻璃；

④、显影：利用光刻胶AZ4620专用显影液对曝光后的ITO玻璃进行显影，显影时间为3min～4min，得到显影后的ITO玻璃；

⑤、腐蚀：将显影后的ITO玻璃置于质量百分数为60％～80％的盐酸溶液与氯化铁催化剂的混合液中，浸泡30min～35min，得到腐蚀后的ITO玻璃；

所述的质量百分数为60％～80％的盐酸溶液的体积与氯化铁催化剂的质量比为1mL:(10～50)mg；

⑥、去除光刻胶：将腐蚀后的ITO玻璃置于丙酮溶液中浸泡，去除光刻胶，得到ITO玻璃基底；

二、PDMS通道加工：

①、硅烷化处理剂的配置：将PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空泵中抽真空20min～30min，得到硅烷化处理剂；

所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1；

②、浇筑PDMS：用锡箔纸将通道模子包覆成一个方形开口槽，且通道模子的通道一侧朝上放置，然后把锡箔纸包好的通道模子放置在真空泵中，将50μL～100μL的硅烷化处理剂注入锡箔纸包好的通道模子，抽真空2min～3min，静置10min～15min，再在硅烷处理后的通道模子上浇筑PDMS，抽真空20min～30min，保证无气泡后，置于温度为80℃～100℃下加热1.5h～2h，固化；

③、PDMS通道处理：将固化后的PDMS从通道模子上揭下，并用刀片将其切割成规则的形状，然后用打孔器打好圆形出口通孔及圆形入口通孔，得到PDMS盖片；

三、芯片的制备：

将ITO玻璃基底设有电极的一侧和PDMS盖片设有流道的一侧朝上，并列置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光32s，然后再在显微镜下，将ITO玻璃基底设有电极的一侧和PDMS盖片设有流道的一侧相对放置，且正方形悬浮电极置于圆形封闭式反应腔的中心位置，按压3min～10min，将按压后的芯片置于温度为80℃～100℃下加热30min～50min，得到用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片。

本发明的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，芯片用于捕捉和旋转微尺度颗粒，具体是按以下步骤进行的：

一、颗粒准备：

①、缓冲液的配制：向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为1mS/m的缓冲液I，通过离心机对微米棒清洗三次，然后将电导率为1mS/m的缓冲液I与清洗后的微米棒混合，得到溶液Ⅱ；

所述的电导率为1mS/m的缓冲液I的体积与清洗后的微米棒的个数比为1mL:(5×10⁵～5×10⁶)个；

所述的微米棒直径为11微米，长度为47微米；

②、将无水乙醇与吐温溶液混合，得到溶液Ⅲ，再将溶液Ⅱ与溶液Ⅲ混合，得到溶液Ⅳ；

所述的无水乙醇与吐温的体积比为(7～9):1；所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:(95～99)；

二、旋转微米棒：

①、打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD以及荧光灯开关，观察设备运转是否正常，然后打开Q-Capture Pro图像采集软件，实时观察显微镜载物台；

②、将用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光时间32s，得到等离子化的芯片，将等离子化的芯片固定在载物台上，调好芯片位置和焦距；

③、连接好用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的电极和信号放大器之间的导线，激发电极a施加电信号为Acos(ωt)的行波电场、激发电极b施加电信号为Acos(ωt+π/2)的行波电场，激发电极c施加电信号为Acos(ωt+π)的行波电场，激发电极d施加电信号为Acos(ωt+3π/2)的行波电场，施加的电信号频率范围为100Hz～600Hz，施加的电压范围为10Vpp～20Vpp。

④、用移液器将溶液Ⅳ注射到圆形入口通孔中，当只有单个微米棒停留在正方形悬浮电极上时，按下信号发生器上的施加信号按钮；

⑤、再次调整好焦距和用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的位置，直至微米棒清晰，稳定高度进行视频的检测和录制；

⑥、重步骤二③～⑤步，不断调整电压和频率，观察现象并记录；

⑦、数据的处理和分析。

本发明的有益效果是：本发明发现利用诱导电荷电渗产生的流体流动能够旋转操作微纳米尺度颗粒的新现象，开发一种不依赖于颗粒电学属性的新型颗粒旋转方法。利用该简洁的结构同时利用诱导电荷电渗的流体流动，驱动颗粒转动。适用于各种电学属性颗粒的快速旋转方法，它依靠流体的驱动作用，使得颗粒快速转动，不再取决于颗粒的电学属性，因此具有更好的普适性。

本发明一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的结构中，为避免激发电极附近流体流动的影响，即激发电极间距大于正方形悬浮电极边长的两倍。而当正方形悬浮电极边长为300微米，激发电极间距为2mm时，是该结构实现理想颗粒旋转的一个有效参数配置。

附图说明

图1为本发明一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的俯视图；

图2为实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片应用于颗粒旋转的原理示意图；d1为正方形悬浮电极的边长，L为激发电极a与激发电极c之间的间距及激发电极b与激发电极d之间的间距；a为激发电极a、b为激发电极b、c为激发电极c，d为激发电极d；

图3为未施加电压时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图；

图4为施加电压16s时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图；

图5为施加电压32s时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图。

具体实施方案

具体实施方案一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式是一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片由PDMS盖片10和ITO玻璃基底3组成；

所述的ITO玻璃基底3的中心位置设有一个正方形悬浮电极1，在正方形悬浮电极1的后面设置激发电极a 2，在正方形悬浮电极1的左面设置激发电极b 7，在正方形悬浮电极1的前面设置激发电极c 8，在正方形悬浮电极1的右面设置激发电极d 4；

所述的正方形悬浮电极1、激发电极a 2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d4由ITO玻璃基底3表面的ITO导电膜腐蚀后留存得到；所述的正方形悬浮电极1、激发电极a2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d 4的厚度均为200nm；

所述的正方形悬浮电极1的边长为200μm～300μm；所述的激发电极a 2与激发电极c 8之间的间距大于正方形悬浮电极1边长的两倍；所述的激发电极b 7与激发电极d 4之间的间距大于正方形悬浮电极1边长的两倍；

所述的PDMS盖片10的下表面设有粒子流道11，粒子流道11的中心位置设有圆形反应腔9，粒子流道11的一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形入口通孔6，粒子流道11的另一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形出口通孔5；所述的PDMS盖片10的厚度为5mm～7mm；

所述的圆形反应腔9深0.8mm～1mm；所述的粒子流道11深0.8mm～1mm；

ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10下表面相对密封，且正方形悬浮电极1置于圆形反应腔9的中心位置，圆形反应腔9直径范围把激发电极a 2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d 4的内端部包容在内。

本实施方式的有益效果是：本实施方式发现利用诱导电荷电渗产生的流体流动能够旋转操作微纳米尺度颗粒的新现象，开发一种不依赖于颗粒电学属性的新型颗粒旋转方法。利用该简洁的结构同时利用诱导电荷电渗的流体流动，驱动颗粒转动。适用于各种电学属性颗粒的快速旋转方法，它依靠流体的驱动作用，使得颗粒快速转动，不再取决于颗粒的电学属性，因此具有更好的普适性。

本实施方式一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的结构中，为避免激发电极附近流体流动的影响，即激发电极间距大于正方形悬浮电极边长的两倍。而当正方形悬浮电极边长为300微米，激发电极间距为2mm时，是该结构实现理想颗粒旋转的一个有效参数配置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的正方形悬浮电极1的边长为300μm；所述的激发电极a 2与激发电极c 8之间的间距为2mm；所述的激发电极b 7与激发电极d 4之间的间距为2mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同点是：所述的圆形入口通孔6的直径为4mm～5mm；所述的圆形出口通孔5的直径为4mm～5mm；所述的圆形反应腔9的直径为5mm～10mm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、电极的加工：

①、清洗ITO玻璃：首先将ITO玻璃依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗5min～15min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的ITO玻璃置于温度为80℃～120℃下加热15min～30min，得到预处理后的ITO玻璃；

②、甩胶：在转速为500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶12s～18s，然后在转速为2500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶45s～60s，得到甩胶后的ITO玻璃；

③、曝光：在温度为100℃下，将甩胶后的ITO玻璃加热6min，然后利用曝光箱进行曝光210s～240s，得到曝光后的ITO玻璃；

④、显影：利用光刻胶AZ4620专用显影液对曝光后的ITO玻璃进行显影，显影时间为3min～4min，得到显影后的ITO玻璃；

⑤、腐蚀：将显影后的ITO玻璃置于质量百分数为60％～80％的盐酸溶液与氯化铁催化剂的混合液中，浸泡30min～35min，得到腐蚀后的ITO玻璃；

所述的质量百分数为60％～80％的盐酸溶液的体积与氯化铁催化剂的质量比为1mL:(10～50)mg；

⑥、去除光刻胶：将腐蚀后的ITO玻璃置于丙酮溶液中浸泡，去除光刻胶，得到ITO玻璃基底3；

二、PDMS通道加工：

①、硅烷化处理剂的配置：将PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空泵中抽真空20min～30min，得到硅烷化处理剂；

所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1；

②、浇筑PDMS：用锡箔纸将通道模子包覆成一个方形开口槽，且通道模子的通道一侧朝上放置，然后把锡箔纸包好的通道模子放置在真空泵中，将50μL～100μL的硅烷化处理剂注入锡箔纸包好的通道模子，抽真空2min～3min，静置10min～15min，再在硅烷处理后的通道模子上浇筑PDMS，抽真空20min～30min，保证无气泡后，置于温度为80℃～100℃下加热1.5h～2h，固化；

③、PDMS通道处理：将固化后的PDMS从通道模子上揭下，并用刀片将其切割成规则的形状，然后用打孔器打好圆形出口通孔5及圆形入口通孔6，得到PDMS盖片10；

三、芯片的制备：

将ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10设有流道的一侧朝上，并列置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光32s，然后再在显微镜下，将ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10设有流道的一侧相对放置，且正方形悬浮电极1置于圆形封闭式反应腔9的中心位置，按压3min～10min，将按压后的芯片置于温度为80℃～100℃下加热30min～50min，得到用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片。

本具体实施方式步骤一采用光刻技术进行ITO电极结构保护层的加工，再通过浓盐酸腐蚀得到ITO电；

本具体实施方式步骤一②中正光刻胶AZ4620启保护ITO层不被腐蚀作用；

本具体实施方式步骤二②中使通道模子表面沉积一层硅烷，有助于PDMS与通道模子不粘连，容易将PDMS通道从模子上脱离；

本具体实施方式步骤三中键合是十分关键的一步，键合的好坏直接影响到最后的芯片中通道的密封效果，进而影响到实验结果的可靠性和准确性，键合前，注意保证先将PDMS通道打好孔，一旦键合后，将无法再进行打孔；在对准的过程中需要微调整时，不要用力按压，尽量轻拿轻放，以免键合住无法移动。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同点是：步骤一⑥中所述的ITO玻璃基底3的中心位置设有一个正方形悬浮电极1，在正方形悬浮电极1的后面设置激发电极a 2，在正方形悬浮电极1的左面设置激发电极b 7，在正方形悬浮电极1的前面设置激发电极c 8，在正方形悬浮电极1的右面设置激发电极d 4；

所述的正方形悬浮电极1、激发电极a 2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d4由ITO玻璃基底3表面的ITO导电膜腐蚀后留存得到；所述的正方形悬浮电极1、激发电极a2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d 4的厚度均为200nm；

所述的正方形悬浮电极1的边长为200μm～300μm；所述的激发电极a 2与激发电极c 8之间的间距大于正方形悬浮电极1边长的两倍；所述的激发电极b 7与激发电极d 4之间的间距大于正方形悬浮电极1边长的两倍。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五之一不同点是：步骤二③中所述的PDMS盖片10的下表面设有粒子流道11，粒子流道11的中心位置设有圆形反应腔9，粒子流道11的一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形入口通孔6，粒子流道11的另一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形出口通孔5；所述的PDMS盖片10的厚度为5mm～7mm；

所述的圆形反应腔9深0.8mm～1mm；所述的粒子流道11深0.8mm～1mm。其它与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：步骤二①中所述的PDMS为美国道康宁DC184 A组分；步骤二①中所述的固化剂为美国道康宁DC184 B组分；步骤二②中所述的PDMS为美国道康宁DC184 A组分。其它与具体实施方式四至六相同。

具体实施方式八：本实施方式所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，芯片用于捕捉和旋转微尺度颗粒，具体是按以下步骤进行的：

一、颗粒准备：

①、缓冲液的配制：向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为1mS/m的缓冲液I，通过离心机对微米棒清洗三次，然后将电导率为1mS/m的缓冲液I与清洗后的微米棒混合，得到溶液Ⅱ；

所述的电导率为1mS/m的缓冲液I的体积与清洗后的微米棒的个数比为1mL:(5×10⁵～5×10⁶)个；

所述的微米棒直径为11微米，长度为47微米；

②、将无水乙醇与吐温溶液混合，得到溶液Ⅲ，再将溶液Ⅱ与溶液Ⅲ混合，得到溶液Ⅳ；

所述的无水乙醇与吐温的体积比为(7～9):1；所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:(95～99)；

二、旋转微米棒：

①、打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD以及荧光灯开关，观察设备运转是否正常，然后打开Q-Capture Pro图像采集软件，实时观察显微镜载物台；

②、将用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光时间32s，得到等离子化的芯片，将等离子化的芯片固定在载物台上，调好芯片位置和焦距；

③、连接好用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的电极和信号放大器之间的导线，激发电极a 2施加电信号为Acos(ωt)的行波电场、激发电极b 7施加电信号为Acos(ωt+π/2)的行波电场，激发电极c 8施加电信号为Acos(ωt+π)的行波电场，激发电极d 4施加电信号为Acos(ωt+3π/2)的行波电场，施加的电信号频率范围为100Hz～600Hz，施加的电压范围为10Vpp～20Vpp。

④、用移液器将溶液Ⅳ注射到圆形入口通孔6中，当只有单个微米棒停留在正方形悬浮电极1上时，按下信号发生器上的施加信号按钮；

⑤、再次调整好焦距和用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的位置，直至微米棒清晰，稳定高度进行视频的检测和录制；

⑥、重步骤二③～⑤步，不断调整电压和频率，观察现象并记录；

⑦、数据的处理和分析。

本具体实施方式步骤一②中溶液Ⅲ作用主要是可以减少粒子在通道或者基底表面粘结。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点是：步骤一①所述的微米棒为SU-8微米棒。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九之一不同点是：步骤一②所述的无水乙醇与吐温的体积比为9:1；步骤一②所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:99。其它与具体实施方式八或九相同。

采用下述试验验证本发明效果：

实施例一：

用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片由PDMS盖片10和ITO玻璃基底3组成；

所述的ITO玻璃基底3的中心位置设有一个正方形悬浮电极1，在正方形悬浮电极1的后面设置激发电极a 2，在正方形悬浮电极1的左面设置激发电极b 7，在正方形悬浮电极1的前面设置激发电极c 8，在正方形悬浮电极1的右面设置激发电极d 4；

所述的正方形悬浮电极1、激发电极a 2、激发电极b7、激发电极c 8及激发电极d 4由ITO玻璃基底3表面的ITO导电膜腐蚀后留存得到；所述的正方形悬浮电极1、激发电极a2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d 4的厚度均为200nm；

所述的PDMS盖片10的下表面设有粒子流道11，粒子流道11的中心位置设有圆形反应腔9，粒子流道11的一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形入口通孔6，粒子流道11的另一端设有贯穿PDMS盖片10的圆形出口通孔5；所述的PDMS盖片10的厚度为6mm；

所述的圆形反应腔9深1mm；所述的粒子流道11深1mm；

ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10下表面相对密封，且正方形悬浮电极1置于圆形反应腔9的中心位置，圆形反应腔9直径范围把激发电极a 2、激发电极b 7、激发电极c 8及激发电极d 4的内端部包容在内；

所述的正方形悬浮电极1的边长为300μm；所述的激发电极a 2与激发电极c 8之间的间距为2mm；所述的激发电极b 7与激发电极d 4之间的间距为2mm；

所述的圆形入口通孔6的直径为5mm；所述的圆形出口通孔5的直径为5mm；所述的圆形反应腔9的直径为10mm；

上述一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的制备方法，是按以下步骤进行的：

一、电极的加工：

①、清洗ITO玻璃：首先将ITO玻璃依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗10min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的ITO玻璃置于温度为80℃下加热15min，得到预处理后的ITO玻璃；

②、甩胶：在转速为500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶18s，然后在转速为2500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶60s，得到甩胶后的ITO玻璃；

③、曝光：在温度为100℃下，将甩胶后的ITO玻璃加热6min，然后利用曝光箱进行曝光210s，得到曝光后的ITO玻璃；

④、显影：利用光刻胶AZ4620专用显影液对曝光后的ITO玻璃进行显影，显影时间为4min，得到显影后的ITO玻璃；

⑤、腐蚀：将显影后的ITO玻璃置于质量百分数为60％的盐酸溶液与氯化铁催化剂的混合液中，浸泡35min，得到腐蚀后的ITO玻璃；

所述的质量百分数为60％的盐酸溶液的体积与氯化铁催化剂的质量比为1mL:30mg；

⑥、去除光刻胶：将腐蚀后的ITO玻璃置于丙酮溶液中浸泡，去除光刻胶，得到ITO玻璃基底3；

二、PDMS通道加工：

①、硅烷化处理剂的配置：将PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空泵中抽真空30min，得到硅烷化处理剂；

所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1；

②、浇筑PDMS：用锡箔纸将通道模子包覆成一个方形开口槽，且通道模子的通道一侧朝上放置，然后把锡箔纸包好的通道模子放置在真空泵中，将100μL的硅烷化处理剂注入锡箔纸包好的通道模子，抽真空3min，静置15min，再在硅烷处理后的通道模子上浇筑PDMS，抽真空20min，保证无气泡后，置于温度为80℃下加热2h，固化；

③、PDMS通道处理：将固化后的PDMS从通道模子上揭下，并用刀片将其切割成规则的形状，然后用打孔器打好圆形出口通孔5及圆形入口通孔6，得到PDMS盖片10；

三、芯片的制备：

将ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10设有流道的一侧朝上，并列置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光时间32s，然后再在显微镜下，将ITO玻璃基底3设有电极的一侧和PDMS盖片10设有流道的一侧相对放置，且正方形悬浮电极1置于圆形封闭式反应腔9的中心位置，按压7min，将按压后的芯片置于温度为80℃下加热30min，得到用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片；

步骤二①中所述的PDMS为美国道康宁DC184 A组分；步骤二①中所述的固化剂为美国道康宁DC184 B组分；步骤二②中所述的PDMS为美国道康宁DC184 A组分；

一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，芯片用于捕捉和旋转微尺度颗粒，具体是按以下步骤进行的：

一、颗粒准备：

①、缓冲液的配制：向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为1mS/m的缓冲液I，通过离心机对微米棒清洗三次，然后将电导率为1mS/m的缓冲液I与清洗后的微米棒混合，得到溶液Ⅱ；

所述的电导率为1mS/m的缓冲液I的体积与清洗后的微米棒的个数比为1mL:5×10⁵个；

所述的微米棒直径为11微米，长度为47微米；

②、将无水乙醇与吐温溶液混合，得到溶液Ⅲ，再将溶液Ⅱ与溶液Ⅲ混合，得到溶液Ⅳ；

所述的无水乙醇与吐温的体积比为9:1；所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:99；

二、旋转微米棒：

①、打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD以及荧光灯开关，观察设备运转是否正常，然后打开Q-Capture Pro图像采集软件，实时观察显微镜载物台；

②、将用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光时间32s，得到等离子化的芯片，将等离子化的芯片固定在载物台上，调好芯片位置和焦距；

③、连接好用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的电极和信号放大器之间的导线，激发电极a 2施加电信号为Acos(ωt)的行波电场、激发电极b 7施加电信号为Acos(ωt+π/2)的行波电场，激发电极c 8施加电信号为Acos(ωt+π)的行波电场，激发电极d4施加电信号为Acos(ωt+3π/2)的行波电场，施加的电信号频率范围为100Hz～600Hz，施加的电压范围为10Vpp～20Vpp。

④、用移液器将溶液Ⅳ注射到圆形入口通孔6中，当只有单个微米棒停留在正方形悬浮电极1上时，按下信号发生器上的施加信号按钮；

⑤、再次调整好焦距和用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的位置，直至微米棒清晰，稳定高度进行视频的检测和录制；

⑥、重步骤二③～⑤步，不断调整电压和频率，观察现象并记录；

⑦、数据的处理和分析；

步骤一①所述的微米棒为SU-8微米棒。

当步骤二③中施加的电信号频率为200Hz，施加的电压为15Vpp时，达到最优效果，即如图3-5所示。图3为未施加电压时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图；图4为施加电压16s时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图；图5为施加电压32s时，实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片用于单个SU-8微米棒旋转时放大40倍的位置图。

图2为实施例一用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片应用于颗粒旋转的原理示意图；d1为正方形悬浮电极的边长，L为激发电极a与激发电极c之间的间距及激发电极b与激发电极d之间的间距；a为激发电极a、b为激发电极b、c为激发电极c，d为激发电极d；由图可知，a,b,c,d为施加有空间相位差为90度的电压信号，同时激发电极中心布置一个正方形悬浮电极，其边长为300微米，而激发电极间距为2mm。当激发电极施加信号后，悬浮电极产生感应电荷，感应电荷在外加电场作用下运动，又由于电荷运动会导致周围流体运动，因此在悬浮电极中心将产生与电场同向的流体转动流动，进而实现颗粒的转动操作。这一结构不依赖于颗粒的电学属性，因此刻广泛应用于微纳米尺度颗粒的旋转操作。

Claims (7)

1.一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，其特征在于用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片由PDMS盖片(10)和ITO玻璃基底(3)组成；

所述的ITO玻璃基底(3)的中心位置设有一个正方形悬浮电极(1)，在正方形悬浮电极(1)的后面设置激发电极a(2)，在正方形悬浮电极(1)的左面设置激发电极b(7)，在正方形悬浮电极(1)的前面设置激发电极c(8)，在正方形悬浮电极(1)的右面设置激发电极d(4)；

所述的正方形悬浮电极(1)、激发电极a(2)、激发电极b(7)、激发电极c(8)及激发电极d(4)由ITO玻璃基底(3)表面的ITO导电膜腐蚀后留存得到；所述的正方形悬浮电极(1)、激发电极a(2)、激发电极b(7)、激发电极c(8)及激发电极d(4)的厚度均为200nm；

所述的正方形悬浮电极(1)的边长为200μm～300μm；所述的激发电极a(2)与激发电极c(8)之间的间距大于正方形悬浮电极(1)边长的两倍；所述的激发电极b(7)与激发电极d(4)之间的间距大于正方形悬浮电极(1)边长的两倍；

所述的PDMS盖片(10)的下表面设有粒子流道(11)，粒子流道(11)的中心位置设有圆形反应腔(9)，粒子流道(11)的一端设有贯穿PDMS盖片(10)的圆形入口通孔(6)，粒子流道(11)的另一端设有贯穿PDMS盖片(10)的圆形出口通孔(5)；所述的PDMS盖片(10)的厚度为5mm～7mm；

所述的圆形反应腔(9)深0.8mm～1mm；所述的粒子流道(11)深0.8mm～1mm；

ITO玻璃基底(3)设有电极的一侧和PDMS盖片(10)下表面相对密封，且正方形悬浮电极(1)置于圆形反应腔(9)的中心位置，圆形反应腔(9)直径范围把激发电极a(2)、激发电极b(7)、激发电极c(8)及激发电极d(4)的内端部包容在内；

所述的用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片是按以下步骤制备的：

一、电极的加工：

①、清洗ITO玻璃：首先将ITO玻璃依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗5min～15min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的ITO玻璃置于温度为80℃～120℃下加热15min～30min，得到预处理后的ITO玻璃；

②、甩胶：在转速为500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶12s～18s，然后在转速为2500r/min的条件下，利用甩胶机及正光刻胶AZ4620对预处理后的ITO玻璃进行甩胶45s～60s，得到甩胶后的ITO玻璃；

③、曝光：在温度为100℃下，将甩胶后的ITO玻璃加热6min，然后利用曝光箱进行 曝光210s～240s，得到曝光后的ITO玻璃；

④、显影：利用光刻胶AZ4620专用显影液对曝光后的ITO玻璃进行显影，显影时间为3min～4min，得到显影后的ITO玻璃；

⑤、腐蚀：将显影后的ITO玻璃置于质量百分数为60％～80％的盐酸溶液与氯化铁催化剂的混合液中，浸泡30min～35min，得到腐蚀后的ITO玻璃；

所述的质量百分数为60％～80％的盐酸溶液的体积与氯化铁催化剂的质量比为1mL:(10～50)mg；

⑥、去除光刻胶：将腐蚀后的ITO玻璃置于丙酮溶液中浸泡，去除光刻胶，得到ITO玻璃基底(3)；

二、PDMS通道加工：

①、硅烷化处理剂的配置：将PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空泵中抽真空20min～30min，得到硅烷化处理剂；

所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1；

②、浇筑PDMS：用锡箔纸将通道模子包覆成一个方形开口槽，且通道模子的通道一侧朝上放置，然后把锡箔纸包好的通道模子放置在真空泵中，将50μL～100μL的硅烷化处理剂注入锡箔纸包好的通道模子，抽真空2min～3min，静置10min～15min，再在硅烷处理后的通道模子上浇筑PDMS，抽真空20min～30min，保证无气泡后，置于温度为80℃～100℃下加热1.5h～2h，固化；

③、PDMS通道处理：将固化后的PDMS从通道模子上揭下，并用刀片将其切割成规则的形状，然后用打孔器打好圆形出口通孔(5)及圆形入口通孔(6)，得到PDMS盖片(10)；

三、芯片的制备：

将ITO玻璃基底(3)设有电极的一侧和PDMS盖片(10)设有流道的一侧朝上，并列置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光32s，然后再在显微镜下，将ITO玻璃基底(3)设有电极的一侧和PDMS盖片(10)设有流道的一侧相对放置，且正方形悬浮电极(1)置于圆形封闭式反应腔(9)的中心位置，按压3min～10min，将按压后的芯片置于温度为80℃～100℃下加热30min～50min，得到用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，其特征在于所述的正方形悬浮电极(1)的边长为300μm；所述的激发电极a(2)与激发电极c(8) 之间的间距为2mm；所述的激发电极b(7)与激发电极d(4)之间的间距为2mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，其特征在于所述的圆形入口通孔(6)的直径为4mm～5mm；所述的圆形出口通孔(5)的直径为4mm～5mm；所述的圆形反应腔(9)的直径为5mm～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片，其特征在于步骤二①中所述的PDMS为美国道康宁DC184A组分；步骤二①中所述的固化剂为美国道康宁DC184B组分；步骤二②中所述的PDMS为美国道康宁DC184A组分。

5.如权利要求1所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，其特征在于芯片用于捕捉和旋转微尺度颗粒，具体是按以下步骤进行的：

一、颗粒准备：

①、缓冲液的配制：向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为1mS/m的缓冲液I，通过离心机对微米棒清洗三次，然后将电导率为1mS/m的缓冲液I与清洗后的微米棒混合，得到溶液Ⅱ；

所述的电导率为1mS/m的缓冲液I的体积与清洗后的微米棒的个数比为1mL:(5×10⁵～5×10⁶)个；

所述的微米棒直径为11微米，长度为47微米；

②、将无水乙醇与吐温溶液混合，得到溶液Ⅲ，再将溶液Ⅱ与溶液Ⅲ混合，得到溶液Ⅳ；

所述的无水乙醇与吐温的体积比为(7～9):1；所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:(95～99)；

二、旋转微米棒：

①、打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD以及荧光灯开关，观察设备运转是否正常，然后打开Q-Capture Pro图像采集软件，实时观察显微镜载物台；

②、将用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片置于等离子机的腔室内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光时间32s，得到等离子化的芯片，将等离子化的芯片固定在载物台上，调好芯片位置和焦距；

③、连接好用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的电极和信号放大器之间的导线，激发电极a(2)施加电信号为Acos(ωt)的行波电场、激发电极b(7)施加电信号为Acos(ωt+π/2)的行波电场，激发电极c(8)施加电信号为Acos(ωt+π)的行波电场，激发电极d(4)施加 电信号为Acos(ωt+3π/2)的行波电场，施加的电信号频率范围为100Hz～600Hz，施加的电压范围为10Vpp～20Vpp；

④、用移液器将溶液Ⅳ注射到圆形入口通孔(6)中，当只有单个微米棒停留在正方形悬浮电极(1)上时，按下信号发生器上的施加信号按钮；

⑤、再次调整好焦距和用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的位置，直至微米棒清晰，稳定高度进行视频的检测和录制；

⑥、重步骤二③～⑤步，不断调整电压和频率，观察现象并记录；

⑦、数据的处理和分析。

6.根据权利要求5所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，其特征在于步骤一①所述的微米棒为SU-8微米棒。

7.根据权利要求5所述的一种用于捕捉和旋转微尺度颗粒的微流控芯片的应用，其特征在于步骤一②所述的无水乙醇与吐温的体积比为9:1；步骤一②所述的溶液Ⅱ与溶液Ⅲ的体积比为1:99。