CN108620143A - 数字微流控芯片及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种数字微流控芯片及其驱动方法。数字微流控芯片包括光驱动层和状态转换层，所述状态转换层用于承载液滴，所述光驱动层用于输出控制所述状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线，所述光驱动层包括阵列排布的多个发光单元。本发明采用输出光线的光驱动层和能够进行亲疏液性转换的状态转换层，使光驱动层通过输出光线控制状态转换层进行亲疏液性转换以驱动液滴移动。相对于现有数字微流控芯片结构复杂、制备成本高等缺陷，本发明数字微流控芯片的结构简单，制作工艺简单，生产成本低，能够最大限度地实现小型化和集成化。

Description

数字微流控芯片及其驱动方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种数字微流控芯片及其驱动方法。

背景技术

随着微机电系统技术的发展，数字微流控(MicroFluidics)技术已经在微液滴的驱动和控制等方面有所突破，依靠其自身优势在生物、化学和医药等领域得到了广泛的应用。数字微流控技术是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科，由于其具有微型化、集成化等特征，采用微流控技术的装置通常被称为数字微流控芯片，各种细胞等样品可以在数字微流控芯片中培养、移动、检测和分析。从各个领域的广泛应用可以看出，数字微流控芯片有着体积小、试剂使用量小、反应快、易携带、可并行处理和易实现自动化等优势，具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。

目前，数字微流控芯片的主流驱动方式为电极驱动，又称之为电压式数字微流控芯片，其原理是：将液滴设置在具有疏水层的表面上，借助电润湿效应，通过对液滴施加电压，增加液滴与疏水层之间的润湿性，从而形成液滴不对称形变并产生内部压强差，进而实现液滴定向移动以及混合。此外，数字微流控芯片的驱动方式还包括介电泳、声表面波、静电力等，但这些驱动方式还存在较多问题。

例如，现有电极驱动方式的操控电压较高，会对液滴所包含的细胞、DNA或蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤。同时，采用电极驱动方式的数字微流控芯片结构复杂，制备成本较高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是，提供一种数字微流控芯片及其驱动方法，以解决现有数字微流控芯片对活性物质造成不可逆损伤、结构复杂、制备成本高等缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种数字微流控芯片，包括光驱动层和状态转换层，所述状态转换层用于承载液滴，所述光驱动层用于输出控制所述状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线，所述光驱动层包括阵列排布的多个发光单元。

可选地，所述状态转换层包括受到光线照射后能够将疏液性的反式结构转换为亲液性的顺式结构的光敏性材料；所述光敏性材料层的亲液性强度与所述发光单元输出光线的强度相对应。

可选地，所述光敏性材料包括异丙基丙烯酰胺和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物。

可选地，还包括基底；所述光驱动层设置在所述基底上，所述状态转换层设置在所述光驱动层上；或者，所述状态转换层设置在所述基底上，所述光驱动层和状态转换层相对设置。

可选地，还包括检测单元和控制单元，所述检测单元用于检测液滴的位置，所述控制单元用于根据液滴的位置以及预先设定的液滴的移动方向和/或速度，生成控制信号并发送给所述光驱动层；所述控制信号包括需要输出光线的位置，以及输出光线的强度。

可选地，所述控制单元根据所述液滴的位置确定所述光驱动层的第一发光单元，根据预先设定的液滴的移动方向，确定需要输出光线的第二发光单元，根据预先设定的液滴的移动速度，确定所述第二发光单元输出光线的强度。

可选地，还包括热控制层，所述热控制层用于控制状态转换层的温度。

可选地，所述热控制层设置在所述光驱动层和状态转换层之间。

本发明实施例还提供了一种数字微流控装置，包括上述的数字微流控芯片。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种数字微流控芯片的驱动方法，数字微流控芯片包括光驱动层和状态转换层，所述状态转换层用于承载液滴，所述驱动方法包括：

光驱动层输出控制所述状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线。

本发明实施例提供了一种数字微流控芯片及其驱动方法，采用输出光线的光驱动层和能够进行亲疏液性转换的状态转换层，使光驱动层通过输出光线控制状态转换层进行亲疏液性转换以驱动液滴移动。相对于现有数字微流控芯片结构复杂、制备成本高等缺陷，本发明实施例数字微流控芯片的结构简单，制作工艺简单，生产成本低，且能够最大限度地实现小型化和集成化。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书实施例中阐述，并且，部分地从说明书实施例中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

图1为本发明实施例数字微流控芯片的结构示意图；

图2为液滴接触角的示意图；

图3a和图3b为本发明实施例驱动液滴移动的原理图；

图4a和图4b为本发明光驱动层和状态转换层相对位置的示意图；

图5a和图5b为本发明实施例数字微流控芯片的制备过程示意图。

附图标记说明:

10—基底；20—光驱动层；30—状态转换层；

100—液滴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

目前，现有数字微流控芯片为多层结构，包括相对设置的第一基板和第二基板，第一基板包括在衬底上依次形成的第一电极、介质层和疏水层，第二基板包括在衬底上依次形成的第二电极、介质层和疏水层，结构较复杂，而制备工艺也比较复杂，通常需要沉积方式制作电极层，蒸镀方式制作介质层，旋涂烘烤方式制备疏水层，需要2～3张掩模版(Mask)，制备成本较高。进一步地，该结构形式的数字微流控芯片采用电极驱动方式，在第一电极和第二电极上施加电压，使第一基板和第二基板之间产生电场，来改变液滴的疏水或亲水状态。由于操控电压较高，会对液滴所包含的细胞、DNA或蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤。正是由于这些技术难点未得到有效解决，制约了微流控技术的发展。

为了解决现有数字微流控芯片对活性物质造成不可逆损伤、结构复杂、制备成本高等缺陷，本发明实施例提供了一种数字微流控芯片。图1为本发明实施例数字微流控芯片的结构示意图，如图1所示，本发明实施例数字微流控芯片的主体结构包括光驱动层20和状态转换层30，状态转换层30用于承载液滴100，光驱动层20用于输出光线，所输出的光线控制状态转换层30进行亲疏液性转换以驱动液滴100移动。其中，亲疏液性转换是指状态转换层30从疏液性转换成亲液性。

具体地，光驱动层20包括形成在基底10上阵列排布的多个发光单元，每个发光单元能够定址控制，通过单独驱动发射出设定强度的光。在一个实施例中，发光单元可以采用微型发光二极管(Micro LED)，形成微型LED阵列。目前，微型LED已经有了很大的发展，发光二极管结构可以实现薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅在1～10μm等级左右，完全适用mm等级的数字微流控芯片。作为一个实施例，微型LED的结构包括相对设置的第一电极和第二电极，以及设置在第一电极和第二电极之间的发光功能层，发光功能层包括P型半导体层、P-N和N型半导体层。其工作原理是：对第一电极和第二电极施加一正向偏压，致使电流通过时电子、空穴对在主动区复合，发射出单一色光，形成一个微型LED，通过控制第一电极和第二电极的电压可以控制发射光的强度，微型LED的发光强度能够控制到0～20000nit。每个微型LED可以作为一个发光单元，数个发光单元以矩阵方式排布，形成微型LED阵列。本发明实施例微型LED阵列可以采用现有结构形式，采用成熟的工艺制备，这里不再赘述。通过有源驱动分别控制每个微型LED发射光的强度，可以使微型LED阵列中不同的发光单元发射出不同强度的光。

本发明实施例的状态转换层30在受到光照射之后，由疏液性的反式结构变成为亲液性的顺式结构，通过疏液性到亲液性的转换，基于润湿效应的驱动原理可以控制液滴在状态转换层30上移动。多个发光单元所发射的多种强度的光照射到状态转换层30，使状态转换层30形成多个区域，每个区域具有不同的亲液性强度，状态转换层30上承载的液滴会呈现不同的润湿程度，即不同的固-液接触角，使液滴获得移动的驱动力，最终实现通过微型LED阵列控制液滴的移动速度和移动方向。

表面湿润性是固体表面的主要性质之一，如果液体均匀分散在表面上而不形成液滴，则认为这样的表面本质上倾向于是亲水的，允许水分散。相反，水在疏液性表面上形成液滴，则认为这样的表面本质上倾向于是疏水的。固体表面的湿润性通常通过接触角(CA)测量确定。图2为液滴接触角的示意图。如图2所示，对于在水平表面上的液体，认为接触角θ是在固体/液体/气体界面三个不同类型的表面张力的结果，接触角θ由杨氏(Young)方程表示：

其中，γ_sol-gas、γ_sol-liq和γ_gas-liq分别是固体-气体、固体-液体和气体-液体之间的表面张力系数。基于杨氏方程，亲液性是指液滴在固体表面上接触角小于90°，而疏液性是指液滴在固体表面上接触角大于90°。

本发明实施例中，状态转换层采用光敏性材料层，该光敏性材料在临界温度以下受到光照射之后能够将疏液性的反式结构转换为亲液性的顺式结构，使与液滴接触的表面从疏液性变为亲液性。光敏性材料属于光响应型水凝胶一种，常用的感光性化合物有叶绿酸、重铬酸盐类、芳香族叠氮化合物与重氮化合物、芳香族叠氮化合物与重氮化合物、芳香族硝基化合物和有机卤素化合物等。将光能够分解的感光性化合物添加到高分子凝胶中,在光的刺激作用下,凝胶内部产生大量离子,引起凝胶内部渗透压的突变,溶剂由外向内扩散,促使凝胶发生体积相转变,产生光敏效应，当吸收光强到一个临界点时，使分子结构中的发生顺-反异构的变化，实现亲疏性转换。在一个实施例中，光敏性材料层包括异丙基丙烯酰胺和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物，并在丙烯酰氧基琥珀酰亚胺的侧基上键合生成氨基丙氧基偶氮苯。该结构赋予共聚物以光敏性，当侧链偶氮基以稳定的疏水的反式结构存在时，在临界温度以下用可见光或紫外照射射时，偶氮基转变成更亲水的顺式结构，当达到临界温度(或高于临界温度)时，再用光照射，偶氮基又恢复成疏水的反式结构。光敏性材料层的亲液性强度与照射强度是对应的，照射强度强，亲液性强度高，照射强度弱，亲液性强度低。因此，通过控制微型LED阵列上发光单元的照射强度，可以改变光敏性材料层上与发光单元相对应区域的亲液性强度。发光单元所发射的不同强度的光照射到状态转换层，使状态转换层形成多个区域，每个区域具有不同的亲液性强度。当将液滴滴到光敏性材料层上后，由于光敏性材料层不同区域的亲液性强度不同，因此液滴会呈现不同的润湿程度，即不同的固-液接触角，基于润湿效应的驱动原理，使液滴获得移动的驱动力，最终实现通过光照控制液滴的移动速度和移动方向。对于光敏性材料采用异丙基丙烯酰胺和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物，临界温度以下是指常温，如15℃～30℃，临界温度是指40°左右，温度大于40°左右，就会发生逆反应。对于其它光敏性材料，临界温度会有所不同。由于包括异丙基丙烯酰胺和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物的光敏性材料层为已商品化的产品，其组成、特性和制备工艺为本领域技术人员所熟知，这里不再赘述。

图3a和图3b为本发明实施例驱动液滴移动的原理图。如图3所示，光驱动层20包括3个发光区域，每个发光区域由多个发光单元组成，状态转换层30包括分别与3个发光区域位置相对应的区域：第一区域、第二区域和第三区域。假设3个发光区域中，第一区域对应的发光区域的照射强度<第二区域对应的发光区域的照射强度<第三区域对应的发光区域的照射强度，则液滴会呈现不同的润湿程度，即呈现不同的固-液接触角。其中，第一区域的亲液性强度<第二区域的亲液性强度<第三区域的亲液性强度，即第一区域的疏液性强度>第二区域的疏液性强度>第三区域的疏液性强度，则第一区域的接触角θ₁>第二区域的接触角θ₂>第三区域的接触角θ₃。基于液滴的物理特性，液滴在内部压强差的驱动下会从疏液性强度大的区域向疏液性强度小的区域方向移动，即低润湿区域的液滴在内部压强差的作用下会向更润湿的区域方向移动。因此，当液滴位于第一区域时，由于同一液滴的不同部分具有不同的固-液接触角，表面张力为非对称分布，液滴内部存在压强差，使得液滴在内部压强差的驱动下向第二区域移动，当液滴位于第二区域时，液滴会被驱动向第三区域移动。通过控制相邻两个发光区域的照射强度差，可以控制状态转换层两个相邻区域的接触角的变化梯度，即可控制液滴移动的速度。通过控制某一方向上相邻两个发光区域的照射强度差，可以控制相应方向上状态转换层两个相邻区域的接触角的变化梯度，即可控制液滴移动的方向，如图3b所示。通常，液滴的尺寸是mm级别，微型LED的尺寸是μm级别，1个液滴会覆盖多个微型LED，因此前述的发光区域可以理解为液滴覆盖的区域。

在一个实施例中，本发明实施例数字微流控芯片还可以包括检测单元和控制单元，检测单元用于检测液滴的位置，控制单元用于根据预先设定的液滴的移动方向和/或速度，控制光驱动层上发光单元的照射强度。具体地，检测单元检测到液滴的位置后，将液滴位置信息发送给控制单元，控制单元先根据液滴位置信息确定液滴位置所对应的多个第一发光单元，然后根据预先设定的液滴的移动方向，确定该移动方向上与多个第一发光单元相邻的多个第二发光单元，最后根据预先设定的液滴的移动速度，确定多个第二发光单元的照射强度。实际实施时，控制单元可以采用本领域熟知的寻址电路，检测单元可以采用阻抗方式，也可以通过光电方式，通过检测获得液滴信息，液滴信息包括液滴位置、大小、外观和/或成分等参数。上述检测单元和控制单元的结构以及设置在数字微流控芯片的方式，与现有结构相近，这里不再赘述。

在另一个实施例中，本发明实施例数字微流控芯片还可以包括热控制层，热控制层用于控制状态转换层的温度，一方面使状态转换层在低于临界温度时进行疏液性的反式结构到亲液性的顺式结构的转换，另一方面使状态转换层在到达临界温度后进行亲液性的顺式结构到疏液性的反式结构的转换。实际实施时，热控制层可以采用半导体制冷材料(热电制冷材料)，利用珀耳帖(Peltier)效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制热和制冷。热控制层的结构和设置在数字微流控芯片的方式，可以根据实际需要进行设计。例如，热控制层可以设置在光驱动层和状态转换层之间，便于热控制层对状态转换层进行加热或冷却，控制状态转换层的温度。

图4a和图4b为本发明实施例光驱动层和状态转换层相对位置的示意图。根据本发明实施例的技术构思可以看出，本发明实施例数字微流控芯片可以设计成多种结构形式。作为一个实施例，可以设计成如图1所示结构，光驱动层20设置在基底10上，状态转换层30设置在光驱动层20上，液滴100承载在状态转换层30上，形成单基板的数字微流控芯片结构。作为另一个实施例，可以设计成光驱动层20和状态转换层30相对设置的结构，使液滴100承载在光驱动层20和状态转换层30之间，如图4a所示。作为又一个实施例，可以设计成一个光驱动层20驱动两个状态转换层30的结构，两个状态转换层30相对设置，其中一个状态转换层30设置在光驱动层20上，使液滴承载在两个状态转换层30之间，如图4b所示。此外，对于光驱动层和状态转换层叠设结构，两者可以直接接触，也可以间隔设定的距离，或在两者之间设置其它膜层，本发明不做具体限定。

实际实施时，本发明实施例数字微流控芯片还可以实现液滴形貌的改变。当液滴静止在某一位置区域时，通过控制该位置区域所对应发光单元输出光的照射强度按照设定的速率变化，可以改变该位置区域的亲液性强度，液滴会呈现不同的固-液接触角，进而改变其形貌。此时，状态转换层可以采用将亲液性的顺式结构转换为疏液性的反式结构的光敏性材料，该材料在受到照射之后能够将亲液性的顺式结构转换为疏液性的反式结构，使其表面从亲液性变为疏液性。

本发明实施例提供了一种新型的数字微流控芯片，采用输出光线的光驱动层和能够进行亲疏液性转换的状态转换层，使光驱动层通过输出光线控制状态转换层进行亲疏液性转换以驱动液滴移动。相对于现有数字微流控芯片驱动电压需要100V以上，本发明实施例提出的光控方式完全不需要这么高的电压，驱动电压低，仅需要驱动微型LED即可，功耗大幅下降。相对于现有数字微流控芯片对活性物质造成不可逆损伤，本发明实施例的光控方式不会对液滴加电，不会形成强电场，不会对液滴所包含的细胞、DNA和蛋白质等活性物质造成损伤，因而对液滴没有特殊要求，可以适用于更多的领域，较少适用限制。相对于现有数字微流控芯片需要相对设置的两个基板的多层结构，本实施例只需要一个基板即可驱动液滴定向运动，而基板主体仅为两层结构，结构简单，制作工艺简单，生产成本低，适用于大面积量产。此外，借助于快速发展的微型LED阵列，能够最大限度地实现小型化和集成化，更容易实现大规模生产。

图5a和图5b为本发明实施例数字微流控芯片的制备过程示意图。首先，在基底10批量制备微型LED，形成微型LED阵列20，每个微型LED可定址控制，单独驱动点亮，如图5a所示。然后，在微型LED阵列20表面上方涂覆一层光敏性有机材料30，如图5b所示。有关制备微型LED和涂覆光敏性有机材料，可以采用现有成熟的生产工艺，这里不再赘述。

基于前述技术方案，本发明实施例还提供了一种数字微流控装置，包括前述的数字微流控芯片。

基于本发明实施例的技术构思，本发明实施例还提供了一种数字微流控芯片的驱动方法，数字微流控芯片包括光驱动层、状态转换层、检测单元和控制单元。其中，状态转换层用于承载液滴，包括受到光线照射后能够将疏液性的反式结构转换为亲液性的顺式结构的光敏性材料；所述光敏性材料层的亲液性强度与所述发光单元输出光线的强度相对应。光驱动层包括阵列排布的多个发光单元，所述发光单元包括发光二极管。

数字微流控芯片的驱动方法包括：

S1、检测单元检测液滴的位置，将液滴的位置发送给控制单元；

S2、控制单元根据液滴的位置以及预先设定的液滴的移动方向和/或速度，生成控制信号并发送给光驱动层；所述控制信号包括需要输出光线的位置，以及输出光线的强度；

S3、光驱动层接收所述控制信号；

S4、光驱动层输出控制状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线。

其中，步骤S2包括：

控制单元根据所述液滴的位置确定所述光驱动层的第一发光单元，根据预先设定的液滴的移动方向，确定需要输出光线的第二发光单元，根据预先设定的液滴的移动速度，确定所述第二发光单元输出光线的强度，生成包括第二发光单元的位置信息以及第二发光单元输出光线的强度信息的控制信号，向所述光驱动层发送。

其中，数字微流控芯片还包括热控制层，所述驱动方法还包括：所述热控制层控制状态转换层的温度。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种数字微流控芯片，其特征在于，包括光驱动层和状态转换层，所述状态转换层用于承载液滴，所述光驱动层用于输出控制所述状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线，所述光驱动层包括阵列排布的多个发光单元。

2.根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述状态转换层包括受到光线照射后能够将疏液性的反式结构转换为亲液性的顺式结构的光敏性材料；所述光敏性材料层的亲液性强度与所述发光单元输出光线的强度相对应。

3.根据权利要求2所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述光敏性材料包括异丙基丙烯酰胺和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物。

4.根据权利要求1～3任一所述的数字微流控芯片，其特征在于，还包括基底；所述光驱动层设置在所述基底上，所述状态转换层设置在所述光驱动层上；或者，所述状态转换层设置在所述基底上，所述光驱动层和状态转换层相对设置。

5.根据权利要求1～3任一所述所述的数字微流控芯片，其特征在于，还包括检测单元和控制单元，所述检测单元用于检测液滴的位置，所述控制单元用于根据液滴的位置以及预先设定的液滴的移动方向和/或速度，生成控制信号并发送给所述光驱动层；所述控制信号包括需要输出光线的位置，以及输出光线的强度。

6.根据权利要求5所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述控制单元根据所述液滴的位置确定所述光驱动层的第一发光单元，根据预先设定的液滴的移动方向，确定需要输出光线的第二发光单元，根据预先设定的液滴的移动速度，确定所述第二发光单元输出光线的强度。

7.根据权利要求1～3任一所述的数字微流控芯片，其特征在于，还包括热控制层，所述热控制层用于控制状态转换层的温度。

8.根据权利要求7所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述热控制层设置在所述光驱动层和状态转换层之间。

9.一种数字微流控装置，其特征在于，包括如权利要求1～8任一所述的数字微流控芯片。

10.一种数字微流控芯片的驱动方法，其特征在于，数字微流控芯片包括光驱动层和状态转换层，所述状态转换层用于承载液滴，所述驱动方法包括：

光驱动层输出控制所述状态转换层进行亲疏液性转换以驱动所述液滴移动的光线。