CN108514901A - 一种数字微流控芯片 - Google Patents

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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，包括上板、下板、光致形变层和光源，上板和下板正对设置，光致形变层设置在上板的下表面和/或下板的上表面，光源可移动的设置在数字微流控芯片外侧，光源能够照射到光致形变层；光致形变层在光源的照射下产生局部形变，局部形变使上板与下板之间的距离减小。本发明提供的数字微流控芯片，通过光源照射光致形变层使其产生形变，从而改变上板和下板之间的距离，使微液滴自动朝向较窄的位置移动，实现了微液滴在该芯片上任意位置的移动以及位置的精确控制；且用光源代替微电极，用光驱动代替电源驱动，摆脱了数字微流控芯片对微电极的依赖，降低了生产成本及操作难度。

Description

一种数字微流控芯片
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。
背景技术
现有数字微流控芯片全部采用微电极驱动模式，微电极加工过程涉及到磁控溅射、光刻、腐蚀等多种工艺，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；且数字微流控芯片的材质只能选择和微电极加工工艺兼容的材料。
因此，亟需一种数字微流控芯片，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，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，降低了生产成本及操作难度。
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，包括上板、下板、光致形变层和光源，所述上板和所述下板正对设置，所述光致形变层设置在所述上板的下表面和/或所述下板的上表面，所述光源可移动的设置在所述数字微流控芯片外侧，所述光源能够照射到所述光致形变层；
所述光致形变层在所述光源的照射下产生局部形变，所述局部形变使所述上板与所述下板之间的距离减小。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光致形变层与微液滴浸润。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光致形变层为光致形变聚合物或光致伸缩铁电陶瓷。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述上板的材质和所述下板的材质在所述光源的照射下均不发生化学反应。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光源为LED或激光器。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光致形变层设置在所述上板的下表面，所述上板由透光材质制成，所述光源可移动的设置在所述上板的上方。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光致形变层设置在所述下板的上表面，所述下板由透光材质制成，所述光源可移动的设置在所述下板的下方。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述光致形变层设置在所述上板的下表面和所述下板的上表面，所述上板和所述下板均由透光材质制成，所述光源可移动的设置在所述上板的上方和/或所述下板的下方。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述透光材质为透光硬质聚合物或透光软质聚合物。
作为数字微流控芯片的优选技术方案，所述上板和/或所述下板上加工有微流道。
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，在数字微流控芯片上设置光致形变层，通过光源照射光致形变层使其产生形变，从而改变数字微流控芯片上板和下板之间的距离，使微液滴自动朝向较窄的位置移动，实现了微液滴在该芯片上任意位置的移动以及位置的精确控制；且用光源代替微电极，用光驱动代替电源驱动，摆脱了数字微流控芯片对微电极的依赖，降低了生产成本及操作难度。
附图说明
图1是本发明提供的数字微流控芯片的结构示意图；
图2是本发明提供的数字微流控芯片的俯视图；
图3是本发明提供的光源刚打开时的数字微流控芯片的结构示意图；
图4是本发明提供的光致形变层产生局部形变后的数字微流控芯片的结构示意图。
图中：
1-上板；2-下板；3-光致形变层；4-光源；5-微液滴。
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。
本实施方式提出一种数字微流控芯片，如图1-图4所示，包括上板1、下板2、光致形变层3和光源4，上板1和下板2正对设置，光致形变层3设置在上板1的下表面，光源4可移动的设置在上板1的上方，光源4能够照射到光致形变层3；光致形变层3在光源4的照射下产生局部形变，局部形变使上板1与下板2之间的距离减小。
光致形变层3由光致形变材料制成，光致形变材料在光(红外光、紫外光)的照射下，材料本身形状发生变化(弯曲、延展等)，并且多数光致形变材料具有记忆特性，即经光照射发生形变之后，关闭光源4或者使用其它波长的光源4照射之后，材料恢复初始状态。光致形变材料包括了光致形变聚合物(光致形变液晶弹性体，例如含偶氮苯的高分子晶体)和光致伸缩铁电陶瓷(双晶片式PLZT陶瓷)等所有在光的照射下能够发生形变的材料。本实施例中的光致形变层3优先选用含偶氮苯的高分子晶体制成，弹性好，变形容易。
由流体力学可知，液体在微小尺寸的管道中(例如玻璃毛细管)，液体会自动向管道尺寸更小的位置移动，这是由于不同的曲率压力导致轴向力的差别，锥形毛细管中完全浸润的液体会自动向较窄一端自驱动。自然界中这种现象有着广泛应用，例如长嘴鸟喝水的过程，即是这一原理的最好体现。
基于上述原理，将光致形变材料应用于数字微流控领域，在数字微流控芯片上设置光致形变层3，移动光源4到目标位置并通过光源4照射光致形变层3使其产生局部形变，从而改变该位置处数字微流控芯片上板1和下板2之间的距离，使微液滴5自动朝向较窄的位置移动，如图3和图4所示，实现了微液滴5在该芯片上任意位置的移动以及位置的精确控制，可广泛应用于生化检测领域，例如PCR扩增反应、药物筛选、单细胞分析等；且用光源4代替微电极，用光驱动代替电源驱动，摆脱了数字微流控芯片对微电极的依赖，数字微流控芯片的材质选用不再受到微电极加工工艺的限制，降低了生产制造成本及操作难度。
可以理解的是，光致形变层3的设置位置不限于此，可根据实际需要进行选择。例如，光致形变层3设置在下板2的上表面，相应的，光源4可移动的设置在下板2的下方；光致形变层3设置在上板1的下表面和下板2的上表面，光源4可移动的设置在上板1的上方和/或下板2的下方。需要说明的是，无论光致形变层3设置在何处，上板1或下板2与微液滴5接触的表面都需要与微液滴5浸润性能良好。
更进一步地，靠近光源4一侧的上板1和/或下板2由透光材质制成，而远离光源4的上板1和/或下板2的材质不限，可以为任意透光或不透光材料，且上板1和下板2的材质在光源4的照射下均不发生化学反应。具体地，透光材质为玻璃、PMMA等透光硬质聚合物或PDMS等透光软质聚合物，以及其他常见透光材料。
光致形变层3的厚度根据上板1与下板2之间的距离、微液滴5性质、目标移动距离及材料形变量等进行设置，通常厚度设置为5-5000μm，优选为100-2000μm，光致形变层3的设置可以通过旋图、沉积、印刷等工艺实现。本实施例中，设置有光致形变层3的数字微流控芯片，其上板1与下板2之间之间具有5-500μm的间距，形成微液滴5移动的空间，当然，该间距的大小不限于此，可根据实际需要进行设置。
更优地，上板1和/或下板2上可以通过光刻、数控、激光、注塑等微加工手段加工出微流道，微流道有利于微液滴5的移动。
本实施例中的光源4为LED或激光器。光源4的波长需根据光致形变层3的材料特性进行选择，光源4固定在机械臂或者其他传动装置上，可以随意调整光源4照射的位置，从而实现了微液滴5运动的精确控制。更优地，还可根据光致形变层3的材料特性，在光源4上设置滤光片，以保证单一波长的光照射光致形变层3，有利于其形变。
参见图2，图中A为数字微流控芯片的入口，B为出口，芯片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中；芯片的出口连接后续的分析检测等装置。若微液滴5中具有连续相，需要选取的光致形变层3和微液滴5完全浸润，以保证微液滴5的顺利移动，具体地，可以通过在微液滴5中加入表面活性剂或者在光致形变层3的表面涂覆改性材料实现，保证液滴相和光致形变层3的浸润性能。
在生产制作工艺上，本实施例提供的数字微流控芯片避免了微电极的加工，并将传统的数字微流控芯片繁琐的加工工艺(清洗基底、溅射金属薄膜、旋图光刻胶、曝光显影、刻蚀金属电极、去除光刻胶、沉积介电层、溅射金属薄膜、光刻零电极、刻蚀金属电极、光刻介电层、腐蚀介电层、去除光刻胶、旋图厌水层、芯片封合组装)缩短为2-3步加工工艺(芯片上板1和下板2的切割、光致形变层3旋图、芯片组装封合)，大大简化了加工工艺，降低了生产成本。
另外，采用光源4驱动代替电源驱动，光斑尺寸小于微电极尺寸，可以更精确的控制微液滴5的移动。
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，其特征在于，包括上板(1)、下板(2)、光致形变层(3)和光源(4)，所述上板(1)和所述下板(2)正对设置，所述光致形变层(3)设置在所述上板(1)的下表面和/或所述下板(2)的上表面，所述光源(4)可移动的设置在所述数字微流控芯片外侧，所述光源(4)能够照射到所述光致形变层(3)；
所述光致形变层(3)在所述光源(4)的照射下产生局部形变，所述局部形变使所述上板(1)与所述下板(2)之间的距离减小。
2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光致形变层(3)与微液滴(5)浸润。
3.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光致形变层(3)为光致形变聚合物或光致伸缩铁电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述上板(1)的材质和所述下板(2)的材质在所述光源(4)的照射下均不发生化学反应。
5.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光源(4)为LED或激光器。
6.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光致形变层(3)设置在所述上板(1)的下表面，所述上板(1)由透光材质制成，所述光源(4)可移动的设置在所述上板(1)的上方。
7.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光致形变层(3)设置在所述下板(2)的上表面，所述下板(2)由透光材质制成，所述光源(4)可移动的设置在所述下板(2)的下方。
8.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光致形变层(3)设置在所述上板(1)的下表面和所述下板(2)的上表面，所述上板(1)和所述下板(2)均由透光材质制成，所述光源(4)可移动的设置在所述上板(1)的上方和/或所述下板(2)的下方。
9.根据权利要求6-8任一项所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述透光材质为透光硬质聚合物或透光软质聚合物。
10.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述上板(1)和/或所述下板(2)上加工有微流道。
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