CN106694065A - 基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置和方法。包括：衬底材料、电极阵列、绝缘疏水材料、微流控通道支撑材料和微流控芯片中的微流控通道；电极阵列位于衬底材料的上部，用于感应固液摩擦起电；绝缘疏水材料位于电极阵列的上部，和液体摩擦起电，并起到绝缘作用；微流控通道位于绝缘疏水材料的上方，引导液体从绝缘疏水材料上流过。本发明利用固体液体摩擦生电原理用于检测微流道内液体或者气泡流动、电解质浓度等信息，具有无需外部供电、结构简单、易于加工制备、与现有微流控芯片容易集成等优点。通过采用阵列式梳齿电极的设计，能够检测出液体与气泡的差别以及液体流动的方向，并计算出液体流动的速度。

Description

基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置和方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置和方法。

背景技术

微流控芯片是一种高度集成的芯片，它能实现生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作的全自动操作与分析。这种芯片利用微流控通道形成网络、使用液体贯穿整个系统，从而可取代普通化学或生物实验室人工完成的各种操作。微流控芯片的最大优势在于多种功能单元在整体可控的微小芯片上的规模集成、良好融合，使得微流控芯片成为未来生化分析的重要技术。而实现大规模操控液体可控反应的基础在于对液体、气泡等微流控内组成部分的实时监测，并能根据实时状态来控制这些组成部分，并对分析与操作过程的完成程度做出判断。

对于微流控芯片中液体来说，其大小、形状、速度、是否有气泡存在和内含物浓度等特征对于最终生化表达与检验结果影响显著，迄今为止，研究者提出了基于多种原理的检测方法，如光学检测法和基于电容传感的检测方法。

光学检测方法在液体中混合荧光素，利用激光照射样品并反射到多通道的光子计数器和光电倍增管，达到检测液体的平均长度及平均间隔期信息。但荧光标记有可能会引起分析物质生化学活性发生改变，对结果产生影响。光电倍增管检测到的是液体的平均信息，不能精确控制液体。同时这样的方法需要大型的实验仪器，无法在高度集成的微流控芯片上实现多通道的实时检测。

而电容式检测方法依赖于不同介质介电常数的改变引起的电容变化来实现对液体的实时检测，避免了光学检测方法的多种缺点，但由于液体引起的电容变化很小，其后端检测电路变得相对复杂，外接电源的使用也不利于其在没有电源供应场合的使用。

因此，提供一种微流控中液体或者气泡的检测方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置和方法，以实现有效地检测微流控芯片中的液体和气泡。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置，包括：衬底材料、电极阵列、绝缘疏水材料、微流控通道支撑材料和微流控芯片中的微流控通道；

所述衬底材料，用于支撑微流控芯片；

所述电极阵列，用于位于所述衬底材料的上部，用于感应固液摩擦起电；

所述绝缘疏水材料，用于位于所述电极阵列的上部，和液体摩擦起电，并起到绝缘作用；

所述微流控通道，用于位于所述绝缘疏水材料的上方，引导液体从所述绝缘疏水材料上流过；

所述微流控通道支撑材料，用于支撑所述微流控通道。

进一步地，所述电极阵列包括多个梳齿状的导电电极，各个导电电极互相连接，并且按照指定的排列规则排列，构成阵列。

进一步地，所述绝缘聚合物与所述微流控通道的空腔具有相同尺寸。

进一步地，所述衬底材料为有一定硬度的材料；所述电极阵列的材料为具有一定导电能力的材料；所述绝缘疏水材料为有一定疏水能力的材料或附着于普通绝缘材料上的疏水涂层。

进一步地，所述微流控通道由所述微流控通道支撑材料内部形成的空腔构成，微流控芯片中液体、空气和各种反应物在所述微流控通道中进行流动与交换。

一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，适合于所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置，包括：

将所述基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置设置在微流控芯片的液体通道中；

使用微流控芯片中的驱动装置驱使液体从覆盖有绝缘疏水材料的电极阵列上流过；

测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息。

进一步地，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中只包括单个方向的电流信号，则确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动；并根据所述单个方向的电流信号为正向信号或者反向信号，判断出所述不含气泡的液体的流动方向。

进一步地，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，所述电极阵列两端输出的电流信号的幅度正比于所述液体在所述电极阵列上的流动速率。

进一步地，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，设单个电流信号在所述电极阵列上的对应电极上的持续时间为t，所述对应电极的电极宽度为w，所述液体在所述电极阵列上的流动速率v的计算公式如下：

v＝w/t。

进一步地，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中包括正向信号和反向信号，则确定包含气泡的液体在所述电极阵列上流动。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例利用固体液体摩擦生电原理用于检测微流道内液体或者气泡流动、电解质浓度等信息，无需外部供电、结构简单、易于加工制备、与现有微流控芯片容易集成等优点。通过采用阵列式梳齿电极的设计，能够检测出液体与气泡的差别以及液体流动的方向，达到探测气泡存在的目的；并根据液体在不同电极部分流动的时间差，计算出液体流动的速度，最终达到多功能检测的目的，并且不同信号间具有明显差别，易于区分。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于固液摩擦的自驱动微流控液体或者气泡检测装置的截面图。

图2为基于固液摩擦的自驱动微流控液体或者气泡检测方法的微流道部分上视图。

图3为基于固液摩擦的自驱动微流控液体或者气泡检测方法的疏水材料或者电极或者衬底部分上视图。

图4为液体在基于固液摩擦的自驱动微流控液体或者气泡检测方法上流动时的输出电信号波形。

图5为液体流动的速度与输出波形间关系。

图6为液体中存在气泡时的输出波形。

其中，衬底材料1、电极阵列2、绝缘疏水材料3、微流控通道支撑材料4和微流控芯片中的微流控通道5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和或者或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和或者或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和或者或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种基于固液摩擦的自供能的微流控芯片内液体和气泡的检测方法。该方法具有结构简单、易于加工制作并能够大规模集成的优点，并且由于自身能够输出电能，能极大简化驱动与检测电路的设计。在功能方面，该方法能够实现液体形状、速度、电解质浓度、流动方向与液体内气泡的多功能检测。

下面结合附图1-图3阐述本发明提供的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置的结构组成及使用方法。

参照图1，图1为本发明实施例提供了一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置的截面示意图，其结构由下至上依次包括：衬底材料1、电极阵列2、绝缘疏水材料3、微流控通道支撑材料4和微流控芯片中的微流控通道5。所述衬底材料，用于支撑微流控芯片；

所述电极阵列，用于位于所述衬底材料的上部，用于感应固液摩擦起电；包括多个梳齿状的导电电极，各个导电电极互相连接，并且按照指定的排列规则排列，构成阵列。

所述绝缘疏水材料，用于位于所述电极阵列的上部，和液体摩擦起电，并起到绝缘作用；所述绝缘聚合物与所述微流控通道的空腔具有相同尺寸。

所述微流控通道，用于位于所述绝缘疏水材料的上方，引导液体从所述绝缘疏水材料上流过。

所述微流控通道支撑材料，用于支撑所述微流控通道。

图2为图1所示的装置中的微流道部分上视图，参照图2，微流控通道支撑材料4中的空腔组成微流控通道。

图3为图1所示的装置中的疏水材料或者电极或者衬底部分的上视图，参照图3，绝缘聚合物位于梳齿状电极的上方，并与微流道的空腔具有相同尺寸，梳齿状电极阵列的互联方式如图3所示。

所述衬底材料为有一定硬度的材料如二氧化硅(SiO2)、硅(Si)、亚克力有机玻璃(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)、纸等材料。

所述电极阵列的材料为具有一定导电能力材料，包括金属如金、铜、铝等、具有导电能力的半导体材料如铟锡氧化物薄膜(indium tin oxide film，ITO)、具有导电能力的碳基材料如石墨烯、碳纳米管、石墨、炭黑等、具有导电能力的聚合物材料，如PEDOT:PSS等，电极阵列指电极由至少一对并排排列的阵列组成。

所述绝缘疏水材料为有一定疏水能力的材料，或附着于普通绝缘材料上的疏水涂层，包括氟化材料如特氟龙(Teflon，又称为聚四氟乙烯)、硅胶材料如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、等离子体淀积产生的氟碳聚合物、以及由表面加工的微结构产生的疏水材料。绝缘疏水材料位于电极阵列的上方，并起到绝缘和感应固液接触产生的电荷的作用

所述微流控通道支撑材料是指支撑微流道的支撑材料，该材料一般由聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，二氧化硅(SiO2)、聚四氟乙烯(PTFE)、和硅(Si)等材料组成。

所述微流控通道是微流控芯片中用于让液体流动的流道，该腔体一般是由支撑材料形成的空腔，用于微流控芯片中液体、空气、各种反应物的流动与交换。微流控通道位于所述绝缘疏水材料的上方，起到引导液体流动的作用，并使得液体能够恰好从所述用于和液体摩擦起电的绝缘疏水材料上流过。

本发明实施例提供的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法的使用过程包括以下几个步骤：

步骤1、将上述基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置设置在微流控芯片的液体通道中；

步骤2、使用微流控芯片中的驱动装置驱使液体从覆盖有绝缘疏水材料的电极上流过；

步骤3、与此同时进行电极阵列两端电流的测量，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内流动是气泡还是液体以及其流动的方向、速度及电解质浓度等信息。

本发明所提出检测方法的工作原理为：基于固体与液体之间的摩擦起电，当液体在疏水材料上流动时，可以在疏水材料上产生电荷，由于静电感应的效应，在电极阵列上可以感应出电荷来，由此引起的电荷的重新排布，就可以在电极阵列间形成电流信号，电解质浓度的不同可引起输出信号大小的改变，而电极阵列的使用可以区分出液体流动方向、速度、是否含有气泡等信息。

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中只包括单个方向的电流信号，则确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动；并根据所述单个方向的电流信号为正向信号或者反向信号，判断出所述不含气泡的液体的流动方向。

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，所述电极阵列两端输出的电流信号的幅度正比于所述液体在所述电极阵列上的流动速率。

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，设单个电流信号在所述电极阵列上的对应电极上的持续时间为t，所述对应电极的电极宽度为w，所述液体在所述电极阵列上的流动速率v的计算公式如下：

v＝w/t。

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中包括正向信号和反向信号，则确定包含气泡的液体在所述电极阵列上流动。

图4为本发明实施例提供的一种液体在基于固液摩擦的自驱动微流控液体或者气泡检测方法上流动时的输出电信号波形示意图，当不含气泡的液体在所述器件上往复流动时，其输出波形为交替的正负信号，而在单次单方向的流动中，只能输出单个方向的信号，例如向右流动输出正向电流信号，向左流动输出反向电流信号，从而可以根据电流信号的正负判断液体流动方向。

图5为本发明实施例提供的一种液体流动的速度与输出波形间关系，根据数据可得，输出电流幅度随液体流动频率增加而增大，由于液体流动频率正比于液体流动速率，因此可根据电流幅度反推出流动速率；另一方面，根据单个电流信号在对应电极上的持续时间t，此持续时间t与液体流过该电极所需时间相对应，可通过波形数据测得，以及电极宽度w(此为已知数据)，就可通过公式v＝w/t，计算得到液体在该电极上流动的平均速度，同理可得在不同电极上的平均速度。

图6为本发明实施例提供的一种液体中存在气泡时的输出波形，与不存在气泡时单向流动只能输出单向信号不同，当液体中存在气泡时，在单个信号序列中会出现反向信号，即同时出现正向信号和反向信号。此时便可判断气泡的存在。

综上所述，本发明实施例的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置通过设置：衬底材料、电极阵列、绝缘疏水材料、微流控通道支撑材料和微流控芯片中的微流控通道，具有如下的有益效果：

1、本发明利用固体液体摩擦生电原理用于检测微流道内液体或者气泡流动、电解质浓度等信息，无需外部供电、结构简单、易于加工制备、与现有微流控芯片容易集成等优点。

2、本发明采用的阵列式梳齿电极的设计，能够检测出液体与气泡的差别以及液体流动的方向，达到探测气泡存在的目的；并根据液体在不同电极部分流动的时间差，计算出液体流动的速度，最终达到多功能检测的目的，并且不同信号间具有明显差别，易于区分。

3、本发明提出的检测方法具有检测快速，相比之前的光学检测方法，能够实现整个检测系统的小型化、集成化。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置，其特征在于，包括：衬底材料、电极阵列、绝缘疏水材料、微流控通道支撑材料和微流控芯片中的微流控通道；

所述衬底材料，用于支撑微流控芯片；

所述电极阵列，用于位于所述衬底材料的上部，用于感应固液摩擦起电；

所述绝缘疏水材料，用于位于所述电极阵列的上部，和液体摩擦起电，并起到绝缘作用；

所述微流控通道，用于位于所述绝缘疏水材料的上方，引导液体从所述绝缘疏水材料上流过；

所述微流控通道支撑材料，用于支撑所述微流控通道。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极阵列包括多个梳齿状的导电电极，各个导电电极互相连接，并且按照指定的排列规则排列，构成阵列。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述绝缘聚合物与所述微流控通道的空腔具有相同尺寸。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述衬底材料为有一定硬度的材料；所述电极阵列的材料为具有一定导电能力的材料；所述绝缘疏水材料为有一定疏水能力的材料或附着于普通绝缘材料上的疏水涂层。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微流控通道由所述微流控通道支撑材料内部形成的空腔构成，微流控芯片中液体、空气和各种反应物在所述微流控通道中进行流动与交换。

6.一种基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，适合于权利要求1至5任一项所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置，其特征在于，包括：

将所述基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测装置设置在微流控芯片的液体通道中；

使用微流控芯片中的驱动装置驱使液体从覆盖有绝缘疏水材料的电极阵列上流过；

测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息。

7.根据权利要求6所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，其特征在于，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中只包括单个方向的电流信号，则确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动；并根据所述单个方向的电流信号为正向信号或者反向信号，判断出所述不含气泡的液体的流动方向。

8.根据权利要求7所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，其特征在于，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，所述电极阵列两端输出的电流信号的幅度正比于所述液体在所述电极阵列上的流动速率。

9.根据权利要求7所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，其特征在于，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当确定不含气泡的液体在所述电极阵列上流动后，设单个电流信号在所述电极阵列上的对应电极上的持续时间为t，所述对应电极的电极宽度为w，所述液体在所述电极阵列上的流动速率v的计算公式如下：

v＝w/t。

10.根据权利要求6所述的基于固液摩擦的微流控液体或者气泡检测方法，其特征在于，所述的测量所述电极阵列两端的电流，并根据电流的方向、大小、频率判断微流道内液体或者气泡流动的方向、速度信息，包括：

当在单方向的流动中，所述电极阵列两端输出的单个信号序列中包括正向信号和反向信号，则确定包含气泡的液体在所述电极阵列上流动。