CN108479875A - 一种数字微流控芯片操控平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片技术领域，公开了一种数字微流控芯片操控平台，包括芯片和磁控模块，所述芯片与所述磁控模块正对设置，所述芯片上设置有供微液滴流动的微通道，所述微液滴具有磁性，所述磁控模块的磁场强度可调，所述磁控模块能够对所述微液滴的运动进行磁性控制。本发明提供的数字微流控芯片操控平台，通过设置磁控模块对芯片上微通道中的微液滴的运动进行控制，用磁控模块代替微电极，以磁性驱动方式代替电驱动方式，摆脱了数字微流控芯片对微电极的依赖，实现了对微液滴运动的精确控制；且芯片与磁控模块采用分体式设计，降低了更换成本。

Description

一种数字微流控芯片操控平台

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种数字微流控芯片操控平台。

背景技术

现有数字微流控芯片一般采用微电极驱动模式，微电极加工过程涉及到溅射、光刻、腐蚀及超疏镀膜等多种工艺，价格昂贵，操作复杂；且微电极全部是一次性的，一旦芯片出现破损或者功能错乱，该芯片报废，成本高昂。

数字微流控芯片主要应用领域为微液滴(直径5-200μm)的形成和操控，为了和微液滴的尺寸匹配，以及控制大量的微液滴进行运动，需要加工数量巨大的微电极，且每个微电极都需要通过导线和电源连接。当微液滴数量较大时，微电极和电源连接的工作任务便异常繁重；且传统的微电极和芯片加工为一体，芯片的材质只能选择和微电极加工工艺兼容的材料，成本较高，加工困难。

因此，亟需一种数字微流控芯片操控平台，以解决现有技术中的数字微流控芯片对微电极的依赖问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字微流控芯片操控平台，解决了数字微流控芯片对微电极的依赖，实现了对微液滴运动的精确控制，以及微液滴的融合和分裂。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种数字微流控芯片操控平台，包括芯片和磁控模块，所述芯片与所述磁控模块正对设置，所述芯片上设置有供微液滴流动的微通道，所述微液滴具有磁性，所述磁控模块的磁场强度可调，所述磁控模块能够对所述微液滴的运动进行磁性控制。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述芯片包括芯片上板和芯片下板，所述芯片上板和所述芯片下板正对设置，所述芯片上板与所述芯片下板之间形成所述微通道。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述磁控模块包括磁铁组和驱动器，所述磁铁组靠近所述芯片一侧，所述磁铁组包括若干磁铁单元，所述驱动器包括若干驱动单元，所述磁铁单元与所述驱动单元一一对应，所述驱动单元能够调控所述磁铁单元的磁场强度，所述磁铁单元能够控制所述微液滴的运动。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述磁铁单元为永磁铁，所述驱动单元为机械顶杆，所述机械顶杆能够控制所述永磁铁与所述芯片之间的距离，以改变施加在所述微液滴上的磁场强度。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述磁铁单元为电磁线圈，所述驱动单元为电气元件，所述电气元件能够调控所述电磁线圈的磁场，以改变施加在所述微液滴上的磁场强度。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述磁铁单元的横截面宽度及相邻所述磁铁单元的间距均大于所述微液滴的直径。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述微液滴中添加有磁珠，所述磁珠使所述微液滴具有磁性。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述芯片与所述微液滴的接触角大于70°。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述芯片不具有磁性。

作为数字微流控芯片操控平台的优选技术方案，所述芯片上加工有微流道，所述微流道能够限制所述微液滴的运动轨迹。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：

本发明提供的数字微流控芯片操控平台，通过设置磁控模块对芯片上微通道中的微液滴的运动进行控制，用磁控模块代替微电极，以磁性驱动方式代替电驱动方式，摆脱了数字微流控芯片对微电极的依赖，实现了对微液滴运动的精确控制；且芯片与磁控模块采用分体式设计，降低了更换成本。

本发明提供的数字微流控芯片操控平台，通过大尺寸的磁铁单元精确控制小尺寸的微液滴运动，降低了加工操作难度及生产成本；通过改变磁控模块的工作模式，实现微液滴的运动、融合和分裂，从而实现复杂的生化反应。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的数字微流控芯片操控平台的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的数字微流控芯片操控平台的俯视图；

图3是本发明实施例一提供的磁铁组的俯视图；

图4是本发明实施例一提供的单个永磁铁操控单个微液滴运动的俯视图(只示出了处于工作状态的永磁铁)；

图5是本发明实施例一提供的单个永磁铁操控单个微液滴运动的侧视图；

图6是本发明实施例一提供的多个永磁铁操控单个微液滴运动的俯视图(只示出了处于工作状态的永磁铁)；

图7是本发明实施例一提供的通过控制工作永磁铁的个数操控单个微液滴运动的侧视图；

图8是本发明实施例一提供的通过控制永磁铁与芯片的距离操控单个微液滴运动的侧视图；

图9是本发明实施例二提供的单个电磁线圈操控单个微液滴运动的俯视图(只示出了处于工作状态的电磁线圈)；

图10是本发明实施例二提供的单个电磁线圈操控单个微液滴运动的侧视图；

图11是本发明实施例二提供的多个电磁线圈操控单个微液滴运动的俯视图(只示出了处于工作状态的电磁线圈)；

图12是本发明实施例二提供的通过控制工作电磁线圈的个数操控单个微液滴运动的侧视图；

图13是本发明实施例二提供的通过控制电磁线圈的通电量操控单个微液滴运动的侧视图；

图14是本发明实施例三提供的微液滴融合时的俯视图(只示出了处于工作状态的磁铁单元)；

图15是本发明实施例三提供的微液滴融合后的俯视图(只示出了处于工作状态的磁铁单元)；

图16是本发明实施例四提供的微液滴分裂时的俯视图(只示出了处于工作状态的磁铁单元)；

图17是本发明实施例四提供的微液滴分裂后的俯视图(只示出了处于工作状态的磁铁单元)。

图中：

1-芯片上板；2-芯片下板；3-磁铁组；4-驱动器；5-微液滴；

31-磁铁单元；41-驱动单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。首次将光致形变材料应用于数字微流控领域。

实施例一

本实施方式提供一种数字微流控芯片操控平台，如图1所示，包括芯片和磁控模块，芯片与磁控模块正对设置，芯片上设置有供微液滴5流动的微通道，微液滴5具有磁性，磁控模块的磁场强度可调，从而能够对微液滴5的运动进行磁性控制。

根据具体应用需求，可以在芯片的上下两侧都设置磁控模块，以在芯片两侧均对微液滴5施加磁场，实现对微液滴5的运动轨迹及生化反应更加精准和复杂的控制。作为优选，本实施例中的磁控模块设置在芯片的正下方。

通过设置磁控模块对芯片上微通道中的微液滴5的运动进行控制，用磁控模块代替微电极，以磁性驱动方式代替电驱动方式，摆脱了数字微流控芯片操控平台对微电极的依赖，实现了对微液滴5运动的精确控制；芯片与磁控模块采用分体式设计，芯片根据实际需求制作，磁控模块为通用设备，磁控模块的尺寸和功能固定，芯片可以随意更换，解决了现有技术中芯片和微电极一体，更换成本较高的问题。

参见图2，图中A为芯片的入口，B为出口，芯片的入口即微通道的入口连接常规的微液滴发生装置，例如十字型或者T型等微流控芯片，压电喷嘴等液滴发生装置，通过导管或者接口等将微液滴发生装置和芯片入口进行连接，从而保证微液滴5进入数字微流控芯片操控平台中；芯片的出口连接后续的分析检测等装置。

微液滴5形成过程中添加了磁珠，从而使微液滴5具有磁性，这一操作为本领域的常规操作，此处不再赘述。磁珠材质可以为纤维素、明胶、聚苯乙烯、聚丙烯酸(酯)及其共聚物、聚酰胺类或聚苯胺等，磁珠直径范围为10nm-10μm，磁珠可以根据需要进行表面修饰，以实现特定功能。

具有磁珠的微液滴5进入到芯片之后，可以在磁控模块的磁性控制作用下，实现运动及轨迹的精确控制。

更具体地，如图1所示，芯片包括芯片上板1和芯片下板2，芯片上板1和芯片下板2正对设置，芯片上板1与芯片下板2之间的空间形成微通道，微通道的高度为1μm-1000μm，当然，微通道的尺寸可根据实际需要进行设计。芯片上板1和芯片下板2的材质可以为微流控芯片常用的硅片、玻璃、PDMS和PMMA、PS、PC等硬质聚合物，还可以为数字微流控芯片操控平台常用玻璃或者PCB板，本实施例对芯片上板1和芯片下板2的材质不做具体限制，但对于芯片上板1和芯片下板2的材质特性具有如下几点要求。

首先，制得的芯片和液滴相的接触角较大，在液滴相已经添加表面活性剂和磁珠情况下，微液滴5和芯片的接触角大于70°，该接触角越大越有利于微液滴5的移动。如果材质本身和液滴相的接触角较小，可以通过喷涂改性剂或者等离子照射等方式进行处理，改性剂根据液滴相的特性进行选择，可以为二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷、氟硅烷、Triton及特氟龙等。此外，还要求芯片和微液滴5接触的表面，即微通道的表面，其表面粗糙度较小，一般要求粗糙度小于10nm，有利于微液滴5的移动。

其次，芯片材质本身不应具有磁性，以避免对磁控模块控制作用的干扰。

再次，芯片材质本身不与微液滴5发生任何生化反应，并且不阻挡微液滴5运动。

更优地可根据实际需求在芯片的芯片上板1和芯片下板2上加工微流道，微流道能够限制微液滴5的运动轨迹。微流道可通过光刻、数控、倒模、3D打印、激光或注塑等手段加工。

根据微液滴发生装置的选择，以及芯片材质的选择，微液滴5之间可以具有或者不具有连续相液体，如果选择微流控芯片作为微液滴发生装置，则具有连续相；如果选择压电喷嘴作为微液滴发生装置，则不具有连续相。

本实施例中的磁控模块包括磁铁组3和驱动器4，磁铁组3设置在驱动器4上方靠近芯片的一侧，磁铁组3包括若干磁铁单元31，驱动器4包括若干驱动单元41，磁铁单元31与驱动单元41一一对应，驱动单元41能够调控磁铁单元31的磁场强度，磁铁单元31能够控制微液滴5的运动。

参见图3，磁铁单元31的截面形状根据加工能力和驱动器4的尺寸进行选择，可以为正方形或其他形状，在本实施例中以正方形为例，W表示截面宽度，W的取值范围为0.1mm-20mm，W值越小越有利于微液滴5的控制；相邻磁铁单元31之间的间距G根据驱动器4的能力设置，G的取值范围为0.05mm-20mm，G值越小越有利于微液滴5的控制。本实施例中的W值和G值均可以远大于微液滴5的直径，相较于现有技术中，数字微流控芯片操控平台的微电极尺寸必须和微液滴5尺寸相当，显著降低了加工难度与成本，具有极大的优势。

作为优选，本实施例中的磁控模块，具体为驱动器4，可以外接电脑，通过电脑中的软件控制每个驱动单元41的工作与否，从而实现对微液滴5的操控；并可以通过模拟软件(COMSOL、FLUENT等)实现每个驱动单元41磁场强度的计算，从而进一步实现对微液滴5运动更精确的控制，还可大幅提高操控速度，从而将本发明应用于基因测序、药物合成、抗体筛选及单细胞分析等生化领域。

本实施例中的磁铁单元31为永磁铁，驱动器4根据磁铁单元31的材质进行选择，具体而言，驱动器4由一系列机械式运动器件组成，例如驱动单元41为顶杆，每个顶杆对应一个永磁铁，通过顶杆控制其对应的永磁铁在垂直于芯片的方向上运动，从而控制永磁铁靠近或远离芯片，并且可以控制永磁铁与芯片之间的距离，实现磁场强弱的控制，以改变施加在微液滴5上磁场的强度，促进微液滴5运动。

下面结合具体实例进一步说明本实施例的操控方法。

需要说明的是，由于微液滴5中包裹的磁珠含量较少，因此只要磁铁单元31距离芯片有一定距离，磁铁单元31对微液滴5的磁场几乎可以忽略。

图4和图5示出了单个永磁铁操控单个微液滴5运动的工作原理图，为方便起见，图4中只显示了处于工作状态的磁铁单元31(下同)。为了使微液滴5运动到芯片上某一特定位置，可以通过驱动器4将某一磁铁单元31提升，即该位置处的顶杆将与其对应的永磁铁向上顶起，将该永磁铁靠近芯片下板2，给微液滴5施加磁场，通过磁力实现对微液滴5运动的控制，最终使微液滴5达到指定位置。

图6和图7示出了多个永磁铁操控单个微液滴5运动的工作原理图，由于永磁铁的尺寸远大于微液滴5尺寸，如果需要微液滴5位于某个永磁铁中心以外的位置，可以通过控制多个永磁铁同时工作，磁场强度可以部分抵消，从而将包裹有磁珠的微液滴5固定在永磁铁中心以外的某个位置。图7所示为五个永磁铁共同工作时的侧视图，图7中处于工作状态的永磁铁与芯片的距离均相等。

此外，除了控制工作永磁铁的个数，还可以通过调整每个永磁铁与芯片的距离，实现磁场强度的调节，从而实现微液滴5位置的控制，具体如图8所示。

另外，多个永磁铁同时工作时，通过软件(COMSOL、FLUENT等)对永磁铁的磁场强度进行计算，从而通过调控每个永磁铁的磁场强度，实现调节作用在微液滴5上的磁场强度的调节，进而实现微液滴5位置和运动速度的调节。

实施例二

本实施例提供一种数字微流控芯片操控平台，本实施例与实施例一基本相同，为简便起见，仅描述本实施例与实施例一的不同之处。

本实施例中磁铁组3的磁铁单元31为电磁线圈，驱动器4的驱动单元41为电气元件，通过控制电气元件的通电与否，来控制电磁线圈具有磁性或者不具有磁性，并且可以通过控制电流强度实现磁场强度的调节，从而改变施加在微液滴5上的磁场强度，控制微液滴5进行运动。

下面结合具体实例进一步说明本实施例的操控方法。

图9和图10示出了单个电磁线圈操控单个微液滴5运动的工作原理图，由图可知，可以通过控制电磁线圈的通电与否实现微液滴5的运动及位置控制，通过控制特定位置处的电气元件给与其对应的电磁线圈供电，就可以使其产生磁性，实现微液滴5的控制。

图11和图12示出了多个电磁线圈操控单个微液滴5运动的工作原理图，由于电磁线圈的尺寸远大于微液滴5尺寸，如果需要将微液滴5控制在电磁线圈中心位置以外，可以通过控制多个电磁线圈同时工作，来控制磁场强度，实现微液滴5位置的精确控制。

此外，除了控制工作电磁线圈的个数，还可以通过软件(COMSOL、FLUENT等)控制不同电磁线圈的通电量来控制磁场强度，进而实现微液滴5位置和运动速度的精确调节，具体如图13所示，图中不同的剖面线表示通电量不同，从而每个电磁线圈的磁性不同。

实施例三

本实施例提供一种利用实施例一及实施例二进行微液滴5融合的方法。

生化反应中常常需要将两种反应物融合，施加一定条件后进行反应，本发明提供的数字微流控芯片操控平台可以很好地实现这一功能，通过将含有不同化学物质的微液滴5融合，实现反应的目的。

具体而言，如图14和图15所示，图14为单个磁铁单元31控制两个微液滴5向某一特定位置移动，当两个微液滴5达到该位置后，发生碰撞融合，融合成为一个较大的微液滴5后，如图15所示，最终位于该磁铁单元31的中心位置。如实施例一和实施例二所述，可以通过永磁铁或电磁线圈控制微液滴5，也可以通过多个永磁铁或电磁线圈的磁场强度来控制微液滴5的运动和位置。

实施例四

本实施例提供一种利用实施例一及实施例二进行微液滴5分裂的方法。

生化反应中常常需要稀释物质的操作，在数字微流控芯片操控平台中，通常通过先将稀释液和微液滴5融合，再将较大的微液滴5分裂成较小的微液滴5，从而实现目标物质的稀释，这一过程往往比较耗时，而本实施例提供的方法可快速实现较大的微液滴5分裂成较小的微液滴5的目的。

具体而言，如图16和图17所示，图16为两个磁铁单元31作用于一个较大的微液滴5上，两个磁铁单元31对较大的微液滴5施加两个相反方向的力，可以将较大的微液滴5分裂成两个较小的微液滴5，实现了稀释的单元操作。如实施例一和实施例二所述，可以通过永磁铁或电磁线圈控制微液滴5，也可以通过多个永磁铁或电磁线圈的磁场强度来控制微液滴5的运动和位置。

本发明提供的数字微流控芯片操控平台，通过改变磁控模块的工作模式，实现微液滴5的运动、融合和分裂，从而实现复杂的生化反应，磁控模块外接电脑，通过软件实现计算和控制，从而实现对微液滴5运动更精确的控制，还可大幅提高操控速度，从而将本发明应用于基因测序、药物合成、抗体筛选及单细胞分析等生化领域。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字微流控芯片操控平台，其特征在于，包括芯片和磁控模块，所述芯片与所述磁控模块正对设置，所述芯片上设置有供微液滴(5)流动的微通道，所述微液滴(5)具有磁性，所述磁控模块的磁场强度可调，所述磁控模块能够对所述微液滴(5)的运动进行磁性控制。

2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述芯片包括芯片上板(1)和芯片下板(2)，所述芯片上板(1)和所述芯片下板(2)正对设置，所述芯片上板(1)与所述芯片下板(2)之间形成所述微通道。

3.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述磁控模块包括磁铁组(3)和驱动器(4)，所述磁铁组(3)靠近所述芯片一侧，所述磁铁组(3)包括若干磁铁单元(31)，所述驱动器(4)包括若干驱动单元(41)，所述磁铁单元(31)与所述驱动单元(41)一一对应，所述驱动单元(41)能够调控所述磁铁单元(31)的磁场强度，所述磁铁单元(31)能够控制所述微液滴(5)的运动。

4.根据权利要求3所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述磁铁单元(31)为永磁铁，所述驱动单元(41)为机械顶杆，所述机械顶杆能够控制所述永磁铁与所述芯片之间的距离，以改变施加在所述微液滴(5)上的磁场强度。

5.根据权利要求3所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述磁铁单元(31)为电磁线圈，所述驱动单元(41)为电气元件，所述电气元件能够调控所述电磁线圈的磁场，以改变施加在所述微液滴(5)上的磁场强度。

6.根据权利要求3-5任一项所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述磁铁单元(31)的横截面宽度及相邻所述磁铁单元(31)的间距均大于所述微液滴(5)的直径。

7.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述微液滴(5)中添加有磁珠，所述磁珠使所述微液滴(5)具有磁性。

8.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述芯片与所述微液滴(5)的接触角大于70°。

9.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述芯片不具有磁性。

10.根据权利要求1所述的数字微流控芯片操控平台，其特征在于，所述芯片上加工有微流道，所述微流道能够限制所述微液滴(5)的运动轨迹。