CN106215984A - 基于介电泳作用的微流控芯片 - Google Patents

基于介电泳作用的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于介电泳作用使流体如液滴以及细胞等减速的微流控芯片，属于微流控芯片技术领域。基于介电泳作用的微流控芯片，包括基底和设置于其上并与之键合的主体结构，所述主体结构包括用于流体流通的微流控管道，在基底上，在所述微流控管道外侧相对设置电极I和电极II，所述电极I和电极II靠近微流控管道的一侧为方波状，另一侧为连续带状。本发明特点不仅是在原有的微流控输运管道外侧增加了具有特殊作用的电极，通过电极的设计，达到控制液滴以及细胞等运动的目的，更在于电极布置在微流道两侧，并没有伸入到微流道中，通过一种主动控制方法，实现对单分散液滴、生物分子以及微小颗粒的无损控制。

Description

基于介电泳作用的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种基于介电泳作用的微流控芯片，具体涉及到一种基于介电泳作用使流体如液滴以及细胞等减速的微流控芯片，属于微流控芯片技术领域。
背景技术
微流控芯片是一种基于半导体技术的集成的固体元件，可以对微流量流体进行精确、复杂的操作，由于其流量可以控制在微升至纳升的数量级，因此被应用于微量流体的传感、输送、检测和控制，而且由于尺寸微小，可以有效地降低实验成本并且提高实验效率，因此微流控系统在医学和生物学分析实验方面得到了良好的应用。
减速微流控芯片技术可应用于：实现对单分散液滴、生物分子以及微小颗粒的无损伤控制。在生物、化学等实验中，往往需要对液滴、生物细胞以及其他颗粒进行观察和操作，但是由于上述物质在微管道中运动速度较快，难以操作，因此需要一种无损伤的方法实现对上述物质的速度控制。
基于介电泳作用的减速微流控芯片原理是由于两相流体的介电常数不同，在非均匀电场作用下，界面电荷产生极化进而形成力矩。直流电场中，正介电泳作用下，介电泳力垂直分布在界面上的两极区域，表现为拉力，在负介电泳条件下，介电泳力则垂直于界面上的赤道区域。在均匀电场中，受控流体会发生没有重心净位移的变形，然而在非均匀对称电场作用下，由于正、负介电泳力所表现的“拉”、“压”效应，会使受控流体在正介电泳条件下向高电场强度方向移动，反之，在负介电泳条件下向低电场方向移动。受控流体所受介电泳力与电场强度平方相关，与电场的方向无关、且受介电常数影响，因此在非均匀电场下，受控流体运动的速度和方向只与电场的强度和梯度相关。
发明内容
本发明提供一种基于介电泳作用的减速微流控芯片，通过设计非均匀的电场，利用介电泳力对微管道中的液滴、细胞等物质的速度进行控制，从而达到减小运动速度的目的。
基于介电泳作用的微流控芯片，包括基底和设置于其上并与之键合的主体结构，所述主体结构包括用于流体流通的微流控管道，其特征在于：在基底上，在所述微流控管道外侧相对设置电极I和电极II，其中，
所述微流控管道的宽度为d；
所述电极I靠近微流控管道的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为2d，方波高度为d，连续带高度为d，电极I与微流控管道管壁间的距离为0.5d～d；
所述电极II靠近微流控管道的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为0.5d，方波高度为0.5d，连续带高度为0.5d，电极II与微流控管道管壁间的距离为0.5d～d。
本发明所述两个电极均为一体结构，其包括功能部，所述功能部一侧为方波状，与之相对的另一侧为连续带状。
本发明所述电极I和电极II还可包括连接部，所述连接部用于连接电极功能部及电源。所述连接部的作用为用于连接电源，其尺寸的选择及设置位置为本领域的现有技术，本领域技术人员可通过需要进行选择和设置。
本发明所述“方波状”指波形为矩形，且波形凹陷部与突出部形状相同的波形。
本发明所述微流控管道用于流通流体，如包含单分散液滴、生物分子或微小颗粒等的流体。
本发明是一种集成了液滴产生、细胞输送、大分子物质输运以及介电泳控制等功能的微流控芯片，可以显著降低液滴的运动速度，从而达到对其进行进一步观察、修饰的目的。
本发明所述电极I和电极II优选为ITO导电电极。
本发明所述电极I和电极II所用电源为直流或交流电源，电源的电压有效值优选为10～100V。
进一步地，优选所述电极I与微流控管道管壁间的距离为d。
进一步地，优选所述电极II与微流控管道管壁间的距离为0.5d。
本发明一个优选的技术方案为：一种基于介电泳作用的微流控芯片，包括基底和设置于其上并与之键合的主体结构，所述主体结构包括：
至少一个连续相流体入口；
至少一个接收来自连续相流体入口的流体的连续相流体过滤部分；
至少一个离散相流体入口；
至少一个接收来自离散相流体入口的流体的离散相流体过滤部分；
接收来自连续相流体过滤部分和流体的离散相流体过滤部分流体的流体整流缓冲区域；
接收来自流体整流缓冲区域的流体的微流控管道。
进一步地，所述主体结构还包括：
接收来自微流控管道的流体的流体出口。
本发明所述基于介电泳作用的微流控芯片优选所述基底为ITO导电玻璃。
本发明所述基于介电泳作用的微流控芯片优选所述主体结构为PDMS(聚二甲基硅氧烷：Polydimethylsiloxane)主体结构
本发明的有益效果：本发明特点不仅是在原有的微流控输运管道外侧增加了具有特殊作用的电极，通过电极的设计，达到控制液滴以及细胞等运动的目的，更在于电极布置在微流道两侧，并没有伸入到微流道中，通过一种主动控制方法，实现对单分散液滴、生物分子以及微小颗粒的无损控制。
附图说明
图1是基于介电泳作用的减速微流控芯片的结构图；
图2是微流控芯片电极部分示意图；
图3是微流控芯片电极特征尺寸示意图；
图4是微流控芯片工作原理示意图；
图5是微流控芯片流体交汇处局部放大图；
图6是实验系统示意图；
图7电压相同时不同电极形状作用下液滴运动速度对比；
图8电压相同时不同电极形状作用下液滴运动速度对比；
附图标记如下：1、连续相流体入口，2、离散相流体入口，3、连续相流体过滤部分，4、离散相流体过滤部分，5、流体整流缓冲区域，6、电极I，7、电极II，8、流体出口，9、微流控管道，10、ITO导电玻璃基底，11、可编程控制注射泵，12、电源，13、显微镜摄像系统，14、计算机，15、流体交汇处。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
如图1所示，一种基于介电泳作用的微流控芯片，包括ITO导电玻璃基底10和设置于其上并与之键合的PDMS主体结构，所述PDMS主体结构包括用于流体流通的微流控管道9，在ITO导电玻璃基底10上，在所述微流控管道9外侧相对设置ITO导电电极I6和ITO导电电极II7；一个连续相流体入口1；一个接收来自连续相流体入口1的流体的连续相流体过滤部分3；一个离散相流体入口2；一个接收来自离散相流体入口2的流体的离散相流体过滤部分4；接收来自连续相流体过滤部分3和离散相流体过滤部分4的流体的流体整流缓冲区域5；所述微流控管道9接收来自流体整流缓冲区域5的流体，接收来自微流控管道9的流体出口8。
其中，如图3所示，所述微流控管道的宽度d为50μm；所述电极I6靠近微流控管道9的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为100μm，方波高度为50μm，连续带高度为50μm，电极I6与微流控管道9管壁间的距离为25μm；所述电极II7靠近微流控管道9的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为25μm，方波高度为25μm，连续带高度为25μm，电极II7与微流控管道9管壁间的距离为25μm。
PDMS主体结构与ITO导电玻璃基底10经过等离子体清洗机的处理，之后进行对准键合，从而得到一个完整的微流控芯片。其中连续相流体入口1，离散相流体入口2，连续相流体过滤部分3，离散相流体过滤部分4，流体整流缓冲区域5，流体出口8，此六部分均通过软光刻的技术布置在PDMS主体结构上。连续相流体从连续相流体入口1进入，经过连续相流体过滤部分3对其连续相流体进行进一步的过滤，去掉流体中由于实验操作而引入的杂质，离散相流体从离散相流体入口2进入，经过离散相流体过滤部分4对其进行过滤，之后两相流体在流体整流区域5汇合，产生均匀的液滴或者使细胞均匀输运到微流控管道9中，之后这些液滴经过非均匀电场的作用，可以达到控制速度的目的。
本实施例中，上述微流控芯片与可编程控制注射泵11、显微镜摄像系统13、计算机14构成了微流控芯片流体控制系统。装有细胞悬浮液(离散相溶液)的可编程控制注射泵11与离散相流体入口2相连接，另外一个可编程控制注射泵11装有连续相溶液，通过软件编程控制注射泵的流量变化可以使溶液以均匀的速度进入微流控管道9中。当电极通电时，产生非均匀电场，由于两相流体的介电常数不同，在非均匀电场作用下，界面电荷产生极化进而形成力矩。通过实验可以得到，在不同电压作用下，液滴的运动速度受到了不同的影响，在接近出口端的电场强度较大，由于离散相溶液的介电常数大于连续相溶液，因此为正介电泳，当液滴在电场中运动的时候，理论上应该朝着电场强度增强的方向运动。由直流电场力表达式可知，受控流体所受电场力与电场强度平方相关，与电场的方向无关，所以非均匀电场下，受控流体的运动速度和方向只与电场的强度和梯度以及介质介电常数的比值相关。因此，通过设计适合的非均匀电场，可达到使液滴运动速度减慢。
本实施例使用苯甲醇(BnOH)以及电子氟化液(HFE 7100)分别作为离散相和连续相流体，实验中使用了直流电压，电压从10V变化到60V，由于采用了本实施例所用电极I6和电极II7，在微流控管道9周围产生了非均匀的电场。连续相流体电子氟化液HFE7100的介电常数为1.9小于离散相流体BnOH的介电常数，因此可以判断实验所研究的对象为正介电泳效应，此时，液滴应朝着电场强度增加的方向运动，且介电泳力与电场强度的平方成正比，与电场方向无关。如图6所示，施加的电压为10V、20V、30V、40V、50V和60V。管道中单分散运动的液滴为离散相流体BnOH，且离散相流体和连续相流体速度分别为20μL/h和120μL/h。当电压值从10V升高至60V时，相邻两液滴之间的中心距从153.91μm，变化至292.75μm，且速度从0.207m/s变化到0.028m/s，速度降低了约80％。
实施例2
此实施例与实施例1中的芯片结构类似，但是对微流控管道9的尺寸以及电极尺寸进行了调整。其中，所述微流控管道的宽度为70μm；所述电极I6靠近微流控管道9的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为140μm，方波高度为70μm，连续带高度为70μm，电极I6与微流控管道9管壁间的距离为70μm；所述电极II7靠近微流控管道9的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为35μm，方波高度为35μm，连续带高度为35μm，电极II7与微流控管道9管壁间的距离为35μm。
本实施例中，所使用的实验系统与实施例1相同。并且仍然使用苯甲醇(BnOH)以及电子氟化液(HFE 7100)分别作为离散相和连续相流体，实验中使用了直流电压，电压从10V变化到60V，由于采用了本实施例所用电极I6和电极II7，在微流控管道9周围产生了非均匀的电场。连续相流体电子氟化液HFE7100的介电常数为1.9小于离散相流体BnOH的介电常数，因此可以判断实验所研究的对象为正介电泳效应，此时，液滴应朝着电场强度增加的方向运动，且介电泳力与电场强度的平方成正比，与电场方向无关。如图7所示，施加的电压为10V、20V、30V、40V、50V和60V。管道中单分散运动的液滴为离散相流体BnOH，且离散相流体和连续相流体速度分别为20μL/h和120μL/h。当电压值从10V升高至60V时，相邻两液滴之间的中心距从146.46μm，变化至289.30μm，且速度从0.154m/s变化到0.035m/s，速度降低了约77％。

Claims (7)

1.基于介电泳作用的微流控芯片，包括基底和设置于其上并与之键合的主体结构，所述主体结构包括用于流体流通的微流控管道(9)，其特征在于：在基底上，在所述微流控管道(9)的外侧相对设置电极I(6)和电极II(7)，其中，
所述微流控管道的宽度为d；
所述电极I(6)靠近微流控管道(9)的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为2d，方波高度为d，连续带高度为d，电极I(6)与微流控管道(9)管壁间的距离为0.5d～d；
所述电极II(7)靠近微流控管道(9)的一侧为方波状，另一侧为连续带状；其中，方波宽度为0.5d，方波高度为0.5d，连续带高度为0.5d，电极II(7)与微流控管道(9)管壁间的距离为0.5d～d。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述电极I(6)与微流控管道(9)管壁间的距离为d。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述电极II(7)与微流控管道(9)管壁间的距离为0.5d。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述主体结构还包括：
至少一个连续相流体入口(1)；
至少一个接收来自连续相流体入口(1)的流体的连续相流体过滤部分(3)；
至少一个离散相流体入口(2)；
至少一个接收来自离散相流体入口(2)的流体的离散相流体过滤部分(4)；
接收来自连续相流体过滤部分(3)和流体的离散相流体过滤部分(4)流体的流体整流缓冲区域(5)；
接收来自流体整流缓冲区域(5)的流体的微流控管道(9)。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述主体结构还包括：
接收来自微流控管道(9)的流体的流体出口(8)。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述基底为ITO导电玻璃。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述主体结构为PDMS主体结构。
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