CN105797792A - 一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控。本发明直接利用驱动电极设计和信号控制达到介质液滴驱动效果，无需额外增加部件，实现方法简单，可配置于传统数字微流控芯片，适用范围广。大大降低了介质液滴驱动电压，驱动电压可低至几十伏，达到与水滴的驱动电压同等水平，解决了介质液滴驱动的瓶颈问题。

Description

一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法。

背景技术

数字微流控是一种以独立液滴为操控单元的流体控制技术。近年来，基于数字微流控的生化检测芯片得到了广泛的研究。在片上实验室（Lab-on-a-Chip）的应用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并实现多种流体操控，包括样本运输、分离、浓缩和片上检测等。另一方面，依据液滴本身的物理特性，数字液滴也被用于电学、光学和热学的应用中。

在片上液滴的驱动方法中，利用电场驱动因其操控的灵活性而受到了广泛关注。电场驱动数字微流控芯片的基本结构是平行双基板结构的芯片，液滴置于上下两基板之间形成“三明治”结构。从应用的角度来看，对于绝缘的介质液滴（如各种油滴）的驱动同水基的液滴驱动具有同样的重要性。但利用电场对片上介质液滴的驱动往往需要很高的电压，一般高于200ACV或者260DCV。与之相比，电场对水滴的驱动电压一般在11-100V的范围。

为了有效降低介质液滴驱动电压，有的文章报道在双基板芯片中利用永电体作为虚拟的电压源，实现了以低电压对油滴的操控。但这种方法的问题是永电体中的电荷随着时间而衰减，大大限制了这一方案的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。

上述具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动。

对水基环境中的介质液滴实现低压驱动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控：

其中所述辅助电极环绕驱动电极设置。

第一，介质液滴运输驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极在液滴运动方向上的相邻驱动电极即接收电极，去电，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极运动到接收电极；通过控制电极的加压时序，连续改变液滴运动方向上的电极通断电状态，实现介质液滴的连续运输。

第二，介质液滴的分裂驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极两侧的相邻驱动电极均去电，同时保持所述三个电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极分别向两侧的去电电极运动，最终分裂为两个液滴。

第三，介质液滴的合并驱动视为分裂驱动的反向操作，初始时两个液滴分别处于某一驱动电极两侧的两个相邻驱动电极上，将液滴所处两个驱动电极均通电，位于两者中间驱动电极去电，同时保持所述三个驱动电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得两个介质液滴将分别向中间的去电电极运动，最终合并为一个液滴。

第四，介质液滴的配发驱动中，存储电极与一列方形驱动电极相邻，存储电极面积大于任意一个驱动电极的面积，初始时液滴处于存储电极上，此列方形驱动电极中与存储电极相邻的为中间电极，与中间电极相邻的为配发电极；辅助电极环绕存储电极与该列方形电极设置，辅助电极在配发过程中始终保持通电状态；配发驱动过程中，首先对存储电极通电，使液体运动到中间电极和配发电极上形成液柱，之后将中间电极通电，同时保持存储电极和配发电极去电，这样液柱被切断使部分液体流回存储电极，部分液体在配发电极上形成单独的液滴。

所述驱动电压低于100V。

所述的液滴为单组分或多成分的绝缘性介质液滴。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）直接利用驱动电极设计和信号控制达到介质液滴驱动效果，无需额外增加部件，实现方法简单，可配置于传统数字微流控芯片，适用范围广。

（2）大大降低了介质液滴驱动电压，驱动电压可低至几十伏，达到与水滴的驱动电压同等水平，解决了介质液滴驱动的瓶颈问题。

（3）可适用于单组分或多组分的多种绝缘性介质液滴，并且有利于发展水油液滴同片低压驱动的新型芯片。

附图说明

图1为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法的芯片结构示意图，其中（a）为侧视图，（b）为俯视图。

图2为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴运输操作的示意图，其中（a）为介质液滴运输操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴运输操作的第二步状态示意图，（c）为介质液滴运输操作的第三步示意图。

图3为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴分裂操作的示意图，其中（a）为介质液滴分裂操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴分裂操作的中间状态示意图，（c）为介质液滴分裂操作的结束状态示意图。

图4为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴合并操作的示意图，其中（a）为介质液滴合并操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴合并操作的中间状态示意图，（c）为介质液滴分裂操作的合并状态示意图。

图5为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴配发操作的示意图，其中（a）为介质液滴配发操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴配发操作的第二步状态示意图，（c）为介质液滴配发操作的第三步状态示意图，（d）为介质液滴配发操作的结束状态示意图。

图6为本发明的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，通过芯片和外加电压的控制来实现，介质液滴的驱动环境为水浴环境，水中加入表面活性剂以保持介质液滴以液滴形态稳定存在。

结合图1，芯片包括平行设置的上基板S2和下基板S1，上基板S2和下基板S1间形成空腔104。所述下基板S1的表面覆盖可独立通电的电极结构，包括驱动电极（E1，E2，E3）和辅助电极（E4）；所述电极结构上涂覆介质层102，介质层102上涂覆第一疏水层103。所述芯片上基板S2的下表面覆盖一整体电极106，整体电极106上涂覆第二疏水层105。

所述上下基板之间的空腔104为液滴运动的通道，空腔内充满表面活性剂溶液D2以实现负介电泳的驱动。介质液滴D1初始时置于驱动电极之上，在电压控制下可完成在驱动电极上往复运动。其中辅助电极环绕驱动电极设置。

所述驱动电极和辅助电极均与驱动电路和控制器相连，可以控制各个电极所加电压时序，从而控制液滴在装置中的运动。对于液滴分裂、合并、配发等操作，可对驱动电极结构作相应的改变，芯片整体结构不变。液滴的运输、分裂、合并、配发等操作芯片，可以独立使用，也可以灵活集成使用，或作为其他微流控器件的部件。

本发明的低电压介质液滴驱动装置一种可实施的制备工艺如下：

采用玻璃等绝缘材料作为上、下基板的基底材料（107，101）。

下基板的制备工艺为：

1.基底上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺形成导电薄膜，可为金属层或氧化铟锡等化合物，通过光刻及其后的刻蚀等方法形成微流驱动电极。

2.通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积等方法制备绝缘介质层，优选为介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如氧化铝等。

3.通过旋涂方法制备表面疏水层，材料选用Teflon-AF或Cytop。

上基板的制备工艺为，

1.基底上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺形成导电薄膜，优选为透光率高的薄膜层，如氧化铟锡等。

2.通过旋涂方法制备上基板表面疏水层，材料选用Teflon-AF或Cytop。

上下基板成型后通过平行对准将其封装在一起即完成微流控装置的制作。

介质液滴的驱动环境是在水浴中，水浴应选用表面活性剂溶液以降低水的表面张力，使介质液滴能以液滴形态稳定存在，可使用的表面活性剂包括Silwet系列、Span系列等多种常用表面活性剂。

结合图6，一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。

具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动。

对水基环境中的介质液滴实现低压驱动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控：

第一，介质液滴运输驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极在液滴运动方向上的相邻驱动电极即接收电极，去电，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极运动到接收电极；通过控制电极的加压时序，连续改变液滴运动方向上的电极通断电状态，实现介质液滴的连续运输。

第二，介质液滴的分裂驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极两侧的相邻驱动电极均去电，同时保持所述三个电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极分别向两侧的去电电极运动，最终分裂为两个液滴。

第三，介质液滴的合并驱动视为分裂驱动的反向操作，初始时两个液滴分别处于某一驱动电极两侧的两个相邻驱动电极上，将液滴所处两个驱动电极均通电，位于两者中间驱动电极去电，同时保持所述三个驱动电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得两个介质液滴将分别向中间的去电电极运动，最终合并为一个液滴。

第四，介质液滴的配发驱动中，存储电极与一列方形驱动电极相邻，存储电极面积大于任意一个驱动电极的面积，初始时液滴处于存储电极上，此列方形驱动电极中与存储电极相邻的驱动电极为中间电极，与中间电极相邻的为配发电极；辅助电极环绕存储电极与该列方形电极设置，辅助电极在配发过程中始终保持通电状态；配发驱动过程中，首先对存储电极通电，使液体运动到中间电极和配发电极上形成液柱，之后将中间电极通电，同时保持存储电极和配发电极去电，这样液柱被切断使部分液体流回存储电极，部分液体在配发电极上形成单独的液滴。

所述驱动电压低于100V。

所述的液滴为单组分或多成分的绝缘性介质液滴。

实施例1：

现对数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法进行实例说明。

结合图1和图6，一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，介质液滴的驱动环境为水浴环境，水中加入表面活性剂以保持介质液滴以液滴形态稳定存在。当介质液滴所处的电极通电时，电场力将水引进电极从而将介质液滴“推”离此电极。由于介质液滴可能向着任何不通电的方向运动，微流控芯片的下基板S1驱动电极周围排布辅助电极（如图1b，E4为辅助电极），保证液滴驱动的定向性。介质液滴的驱动效果包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控。

第一，结合图2，介质液滴运输驱动中的电极控制如下。液滴最初位于驱动电极E21上（如图2a，驱动电极E21称为初位电极），为使液滴运动，将驱动电极E21通电，驱动电极E22（称为接收电极）“去电”，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极（E29）和驱动电极（E25，E26）处于通电状态（保证液滴运动的定向性），这样介质液滴将从初位电极E21运动到接收电极E22（如图2b）；液滴运动到接收电极E22后，将驱动电极E21和驱动电极E22通电，驱动电极E23“去电”，同时保持周围的辅助电极（E29）和驱动电极（E26，E27）处于通电状态，这样介质液滴将从驱动电极E22运动到驱动电极E23（如图2c）；依此类推，通过控制电极的加压时序，连续改变液滴运动方向上的电极通断电状态，可以实现介质液滴的连续运输。需要指出的是，当液滴在二维电极阵列中运动时，初位电极和接收电极周围的驱动电极及辅助电极均需通电，以保证介质液滴只能向着接收电极的方向运动。

第二，结合图3，介质液滴的分裂驱动中的电极控制如下。液滴最初位于驱动电极E32（即初位电极）上（如图3a），将驱动电极E32通电，此电极两侧的相邻驱动电极E31与E33均“去电”，同时保持这三个电极周围的辅助电极（E39）和驱动电极（E35，E36，E37）处于通电状态，这样介质液滴将从驱动电极E32分别向两侧的“去电”电极E31与E33运动（如图3b），最终分裂为两个液滴（如图3c）。

第三，结合图4，介质液滴的合并驱动中的电极控制如下。初始时两个液滴分别处于驱动电极E41与E43上（如图4a），将液滴所处的驱动电极E41与E43通电，中间电极E42“去电”，同时保持这三个电极周围的辅助电极（E49）和驱动电极（E44，E45，E46，E47）处于通电状态，这样两个介质液滴将分别向中间的“去电”电极E42运动（如图4b），最终合并为一个液滴（如图4c）。

第四，结合图5，介质液滴的配发驱动中的电极控制如下。存储电极与一列方形驱动电极相邻，存储电极面积大于任意一个驱动电极的面积，初始时介质液滴处于存储电极E51上（如图5a），存储电极E51与一列方形驱动电极相邻，此列方形驱动电极中与存储电极相邻的驱动电极E52为中间电极，与中间电极相邻的驱动电极为配发电极E53，其中中间电极长度可大于或等于配发电极长度。辅助电极E56环绕存储电极E51与该列方形电极设置，辅助电极E56在配发过程中始终保持通电状态；配发驱动过程中，首先对存储电极E51通电，使液体运动到中间电极E52和配发电极E53上形成液柱（如图5b），之后将中间电极E52通电，同时保持存储电极E51和配发电极E53“去电”，这样液柱被切断（如图5c）使部分液体流回存储电极，部分液体在配发电极上形成单独的液滴（如图5d）。

本发明中，表面活性剂的添加作用是降低水的表面张力，使介质液滴能以液滴形态稳定存在，可使用的表面活性剂包括Silwet系列、Span系列等多种常用表面活性剂。

本发明中，辅助电极E56位于所有驱动电极的外围。由于负介电泳的驱动机制是使介质液滴离开“通电”电极，辅助电极的作用就是保证液滴运动的定向性，防止液滴朝着辅助电极的方向运动。辅助电极E56的宽度一般为驱动电极的三分之一至二分之一或更宽。

本发明中，介质液滴的驱动电压为高频交流电压以实现负介电泳驱动机理，电压频率一般在10kHz以上。本发明直接利用驱动电极设计和信号控制达到介质液滴驱动效果，无需额外增加部件，实现方法简单，可配置于传统数字微流控芯片，适用范围广。

Claims (5)

1.一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于：利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。

2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于，上述具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动。

3.根据权利要求2所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于，对水基环境中的介质液滴实现低压驱动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控：

其中所述辅助电极环绕驱动电极设置；

第一，介质液滴运输驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极在液滴运动方向上的相邻驱动电极即接收电极，去电，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极运动到接收电极；通过控制电极的加压时序，连续改变液滴运动方向上的电极通断电状态，实现介质液滴的连续运输；

第二，介质液滴的分裂驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极两侧的相邻驱动电极均去电，同时保持所述三个电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极分别向两侧的去电电极运动，最终分裂为两个液滴；

第三，介质液滴的合并驱动视为分裂驱动的反向操作，初始时两个液滴分别处于某一驱动电极两侧的两个相邻驱动电极上，将液滴所处两个驱动电极均通电，位于两者中间驱动电极去电，同时保持所述三个驱动电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得两个介质液滴将分别向中间的去电电极运动，最终合并为一个液滴；

第四，介质液滴的配发驱动中，存储电极与一列方形驱动电极相邻，存储电极面积大于任意一个驱动电极的面积，初始时液滴处于存储电极上，此列方形驱动电极中与存储电极相邻的为中间电极，与中间电极相邻的为配发电极；辅助电极环绕存储电极与该列方形电极设置，辅助电极在配发过程中始终保持通电状态；配发驱动过程中，首先对存储电极通电，使液体运动到中间电极和配发电极上形成液柱，之后将中间电极通电，同时保持存储电极和配发电极去电，这样液柱被切断使部分液体流回存储电极，部分液体在配发电极上形成单独的液滴。

4.根据权利要求2或3所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于：所述驱动电压低于100V。

5.根据权利要求3所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于：所述的液滴为单组分或多成分的绝缘性介质液滴。