CN108940392B - 用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置，涉及数字微流控技术领域，主要目的在于能够通过控制上极板上下移动，控制液滴进入双极板区，能够避免介电层器件发生损坏且避免液滴内生化物质遭到破坏。所述方法包括：根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；根据变化率、液滴与单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，预设变化关系为液滴与单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

Description

用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置

技术领域

本发明涉及数字微流控技术领域，特别是涉及一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置。

背景技术

微流控系统(Microfluidic Systems)是一种随着近代科学仪器而产生的新型的液体控制技术。微流控技术大多以极小的试剂消耗量和极高的分析效率得到了广泛的关注，大多微流控技术是在基板上集成网格形的微通道，利用这些微通道实现微量液体操控，但由于通道的固定性，液体运动自由选择仍有难度，所以以微液滴为操作对象的数字微流控系统(Digial Microfluidic Systems)开始逐渐走入人们的视野。数字微流控技术不需要微管道、微阀和微泵，相对于连续流体微流控技术，数字微流控技术实现了路径的可选择性，有效的避免了液体之间的污染，大大减少了试剂消耗量，化学反应的时间。

迄今为止，除了基于介电湿润(Electrowetting on dielectric-EWOD)的数字微流控方法，为了实现液滴的操控，国内外学者提出了各种方案，其中主要包括：热毛细管法(Thermocapillary)、表面声波法(Surface acoustic wave)、介电电泳法(Dielectrophoresis-DEP)、磁力法(Magnetic force)、光驱动介电湿润(Optoelectrowetting)，相对而言，介电湿润法以其器件结构简单、易加工制作、外围控制电路简单，加工和使用成本低等优势脱颖而出，获得了更广泛的应用。数字微流控技术一般包含有四项基本操控，分别为液滴的分配、液滴的输运、液滴的分离及液滴的合并，这四项基本操控是相互独立却紧密相关的。

基于介电湿润的数字微流控芯片(DMF)主要可以分为单极板(开放式)和双极板(封闭式)两种，在数字微流控的应用中，单极板能运输更大的液滴而且由于其与其他仪器的优良的兼容性得到大力推广，但其难以实现液滴的精准配送和分离；而双极板相反，能实现液滴的四项基本操作，却难以与其他仪器兼容，而且搬运能力较差。所以一种包含单双极板的复合型数字微流控芯片成为了新的方向，而解决液滴在单双极板间往返运动的问题也成为了关键。

目前，复合型数字微流控芯片主要利用介电湿润力作为驱动力控制液滴进入到双极板。然而，介电湿润力主要是通过电极加电压来实现且液滴进入到双极板通常需要克服较大的阻力，若利用介电湿润力作为驱动力控制液滴进入到双极板，需要较高的驱动电压，而过高的驱动电压会导致介电层的击穿，造成介电层器件损坏，且容易破坏液滴内生化物质，造成液滴内生化物质的性质发生变化。因此，提出一种新型的用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方式已成为数字微流控技术亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置，主要目的在于能够根据所述双极板间距变化量控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区，无需外加驱动电压即可以控制液滴进入到双极板，进而能够避免介电层器件发生损坏，且能够避免液滴内生化物质遭到破坏，以及避免液滴内生化物质的性质发生变化，保证滴内生化物质的稳定性。

依据本发明第一方面，提供了一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法，包括：

根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

依据本发明第二方面，提供了一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置，包括：

分析单元，用于根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

确定单元，用于根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

控制单元，用于根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

依据本发明第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

根据本发明的第四个方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

本发明提供一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置，与目前主要利用介电湿润力作为驱动力控制液滴进入到双极板相比，本发明能够根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率，并能够根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系，从而能够根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区，无需外加驱动电压即可以控制液滴进入到双极板，进而能够避免介电层器件发生损坏，且能够避免液滴内生化物质遭到破坏，以及避免液滴内生化物质的性质发生变化，保证滴内生化物质的稳定性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法流程图；

图2示出了本发明实施例提供的液滴参数模型示意图；

图3示出了本发明实施例提供的另一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法流程图；

图4示出了本发明实施例提供的不同双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度时的液滴压力变化图；

图5示出了本发明实施例提供的利用面积方法计算的整个上极板上下过程的液滴内压力演化图；

图6示出了本发明实施例提供的基于弦方法的液滴运动分析图；

图7示出了本发明实施例提供的4μL的液滴在疏水界面进入双极板区的实验图；

图8示出了本发明实施例提供的4μL的液滴在疏水界面进入双极板区液滴位置的统计图；

图9示出了本发明实施例提供的10μL的液滴在疏水界面进入双极板区的实验图；

图10示出了本发明实施例提供的10μL的液滴在疏水界面进入双极板区液滴位置的统计图；

图11示出了本发明实施例提供的不同双极板间距下10μL的液滴位置的统计图；

图12示出了本发明实施例提供的15μL的液滴在亲水界面进入双极板区的实验图；

图13示出了本发明实施例提供的一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置的结构示意图；

图14示出了本发明实施例提供的另一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置的结构示意图；

图15示出了本发明实施例提供的一种计算机设备的实体结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动，如图1所示，所述方法包括：

101、根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率。

需要说明的是，本发明实施例提供了液滴参数模型，如图2所示，L_a表示液滴对应的双极板区长度、L_b表示单极板区长度、L_c表示上极板区长度、H表示双极板间距、α表示液滴与双极板区的接触角、β表示液滴与单极板区的接触角和θ表示液滴与上极板区的接触角。

在本发明实施例中，可以先根据液滴参数模型对液滴进行静态分析，然后根据静态分析的结果，对液滴运动过程进行动态分析，分析在上极板上下运动时曲率变化得到液滴运动趋势，进而分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率。具体地，得到静态分析的结果可以为：在初始状态时，液滴在所述双极板区受到的液滴压力与液滴在所述单极板区受到的液滴压力相等。更大的双极板间距会产生更小的双极区液滴内压力，当单极板区液滴内压力不变时，会使液滴向双极板运动。

102、根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距。

其中，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系。具体地，可以根据所述变化率和所述预设变化关系，确定出液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距变化的变化关系，然后根据液滴与所述单极板区的接触角临界值，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，即在液滴与所述单极板区的接触角变化到对应的接触角临界值时，液滴发生位移。所述液滴与所述单极板区的接触角临界值可以为通过液滴的运动实验确定的。

103、根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

对于本发明实施例，在根据确定的双极板间距控制上极板上下移动时，液滴与双极板区的接触角、单极板区的接触角和上极板区的接触角会随着双极板间距变化而变化，当单极板区的接触角变化到达到单极板区的接触角临界值，所述液滴进入所述双极板区。

本发明实施例提供的一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法，与目前主要利用介电湿润力作为驱动力控制液滴进入到双极板相比，本发明实施例能够根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率，并能够根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系，从而能够根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区，无需外加驱动电压即可以控制液滴进入到双极板，进而能够避免介电层器件发生损坏，且能够避免液滴内生化物质遭到破坏，以及避免液滴内生化物质的性质发生变化，保证滴内生化物质的稳定性。

进一步的，为了更好的说明上述用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动的过程，作为对上述实施例的细化和扩展，本发明实施例提供了另一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法，如图3所示，所述方法包括：

201、获取液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度。

其中，液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度可以为根据经验确定的，具体地，可以获取不同的双极板区长度、不同的单极板区长度和不同的上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化而变化的变化率。

202、将所述双极板区长度、所述单极板区长度和所述上极板区长度分别代入到液滴在所述双极板区的侧截面面积计算公式和液滴在单极板的侧截面面积计算公式。

其中，可以根据图2中的几何关系，分析得到液滴在所述双极板区的侧截面面积计算公式，具体可以为：

以及液滴在单极板的侧截面面积计算公式，具体可以为：

其中，H和R分别表示双极板间距和液滴在两个单极板和双极板两个区间的曲率半径，其它参数如图2所示。基于上述2个公式，可以得到液滴随上极板上下运动时的曲率变化过程。

203、基于液滴在所述双极板区的侧截面面积与液滴在单极板的侧截面面积的不变原则，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化而变化的变化率。

需要说明的是，分析液滴运动的趋势主要是基于液滴体积不变也即液体不可压缩的条件上的，而由于在整个的液滴运动的过程中在单极板和双极板部分的液滴都可以看成是一个旋转体，所以在两个区间的体积都分别可以近似通过侧面的面积的旋转积分来表示。另外，液滴的内压力可以通过液滴界面的曲率来表示，所以我们只要设定两区间的面积不变，分析在极板上下运动时的液滴的曲率变化就能得到液滴运动的趋势，即可以得到液滴的曲率半径随双极板间距变化的变化率。

为了验证说明液滴运动的过程，本发明实施例还可以采用表1的数据进行仿真，具体地，可以通过Matlab仿真软件仿真：

表1

基于Matlab软件对上述数据进行仿真运算可以得到液滴在双极区的曲率半径随双极板间距的变化率为0.2mN/mm³，而在液滴在单极区的曲率半径随双极板间距变化的变化率为0.015mN/mm³，所述在双极板间距变化时，液滴有向双极板间距。

此外，本发明实施例还可以采用不同双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度进行仿真分析，得到如图4所示的分析结果。通过如图3所示的数据可以确定无论液滴在什么位置，在上极板上升过程中液滴都有向双极板区运动的趋势。同理地，本发明实施例还对液滴在上极板下降过程找那个的曲率变化进行仿真，通过仿真比较上极板运动过程的异同点，如图5(a)所示，得到在上极板下降过程中液滴的曲率变化速度较快，如图5(b)所示，快速变化的曲率导致液滴在双极板区的部分运动，从而使液滴在上极板下降过程中向双极板区运动。

204、根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。

其中，当液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时液滴发生位移。

对于本发明实施例，所述步骤204具体可以包括：

1、获取液滴对应的初始单极板区长度、初始上极板区长度、初始双极板间距、液滴在所述双极板区的初始曲率半径、液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角；

2、根据所述变化率、所述初始单极板区长度、所述初始上极板区长度、所述初始双极板间距、所述初始曲率半径、所述底面夹角和所述预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距变化量。其中，所述预设单极板区的接触角计算公式可以用于表示所述预设变化关系，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系。

具体地，所述预设单极板区的接触角计算公式为：

其中，H₀表示初始双极板间距、L_b表示单极板区长度、L_c上极板区长度、ΔX表示双极板间距变化量、R₀表示初始曲率半径、M表示液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率、β_bp表示液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角、β表示液滴与所述单极板区的接触角。

3、根据所述初始双极板间距和所述双极板间距变化量，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。具体地，可以根据所述初始双极板间距与所述双极板间距变化量之间的和，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。

205、根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

对于本发明实施例，为了分析所述双极板区的接触角、所述单极板区的接触角和所述上极板区的接触角中，随着双极板间距变化而变化使得液滴最先发生位移的接触角，可以将液滴的动态运动过程分为液滴的动态运动过程能被分为液滴的放松(relaxing)过程和挤压(squeezing)过程，因此可以采用弦辅助的方法来确定预设双极板区的接触角计算公式、预设单极板区的接触角计算公式和预设上极板区的接触角，进而计算液滴运动所需要的双极板间距。

如图6A所示，液滴在单极板区和双极板区的边界分别叫做边界1和边界2。而边界1和边界2的连接线则称为弦1和弦2。L₁和L₂表示弦1和弦2的长度。其他参数与上面静态分析参数一致。在初始位置时，由液滴静态可知，边界1和边界2的曲率也就是表面张力是相等的。

根据图2中的几何关系可知液滴与双极板区的接触角可以用如下公式表示：

其中α_c表示弦1和边界1的夹角。

同样的，液滴与单极板区的接触角以用如下公式表示：

β＝β_c+β_bp

其中β_c表示弦2与边界2的夹角，β_bp表示弦2与下极板之间的底面夹角。

同样的，液滴与上极板区的接触角以用如下公式表示：

θ＝θ_c+θ_up

其中θ_c表示弦2与边界2的夹角，θ_up表示弦2与上极板侧边面夹角。

如图6A-E所示，整个过程被分为变形和位移两块。在变形过程中，液滴的三相接触线上的接触角未达到前进角或者后退角的要求，所以液滴只进行变形而不运动；而在位移过程中，液滴的三相接触线上的接触角达到前进角或者后退角的要求，液滴进行位移。因此，可以得到预设双极板区的接触角计算公式：

α＝arcsin(H/2R)+π/2≈(H₀+ΔX)/2(R₀+m·ΔX)+π/2

预设单极板区的接触角计算公式：

预设上极板区的接触角计算公式：

其中，上述计算公式中各参数的含义可以参考上文，在此不进行赘述。

需要说明的是，由于随着双极板间距变化量ΔX的变大所有的接触角都有变小的趋势，液滴也有向单极板区和双极区交界处集中的趋势，所以(H₀+ΔX)/2(R₀+m·ΔX)单调递减，从而可以得到液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率M＞1，因此，所述方法可以包括：

1、根据预设双极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述双极板区的接触角关于双极板间距变化量的第一导数。所述第一导数可以为：

2、根据预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角关于双极板间距变化量的第二导数；所述第二导数可以为：

a＝H₀+L_c+ΔX

其中β′_bp为一个大于0的参数量。

3、根据预设上极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述上极板区的接触角关于双极板间距变化量的第三导数。所述第三导数可以为：

其中θ′_up＝-β′_bp为一个小于0的参数量。

4、根据所述第一导数、所述第二导数和所述第三导数，分析所述双极板区的接触角、所述单极板区的接触角和所述上极板区的接触角中，随着双极板间距变化而变化使得液滴最先发生位移的接触角，得到使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角。

由于|θ′_up|＝|β′_bp|＜＜β′|(实验中近似0.2rad/mmm)所以在比较|β′|中和|α′|近似忽略。比较第一导数α′、第二导数β′和第三导数θ′，可以确定：

当L_b＞0时，

以及

恒成立，

因此，θ′＜β′＜α′＜0，即可以确定液滴在单极板区的接触角减少的比液滴在双极板区的接触角快，即在双极板间距变化时，使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角。

为了更好的说明本发明实施例，还提供了如下液滴运动实验，具体地利用不同大小的液滴进行液滴进入双极板的分析实验。本发明实施例的运动实验采用去离子水为实验对象，操控液滴的介质为空气，给定上极板厚度为1.0mm。实验过程中，用微量注射器先将一定体积大小的去离子水液滴放置在下极板上。

一、基于疏水界面的不同大小液滴的运动实验

实验研究首先使用4μL的液滴，实验图如图7所示。首先，通过前文的极板移动使液滴在0.5s内完成“初始运动”(图中a-b)，之后如图中b-f所示，通过上极板以微动轴控制以1.0mm/s的速度上下移动2次后(0.9s的运动0.1s停留)液滴完全进入双极板区。图中标出了上极板移动方向，初始接触角为120°，并分别标出液滴前段和后端的位置，以箭头标出液滴内部液体流向，上极板上下移动的范围为0.75mm-1.2mm。通过重复实验3次，统计结果如图8所示，第一条线表示前段Edge1位置，第二条线表示后段Edge1位置，第三条线表示综合位置。分析两图主要可以得到以下结论：

1、从统计结果可以看出，整体上液滴在上极板开合运动的过程中都处于前进的状态，开合运动控制液滴进入双极板区的目的可以实现；

2、在上极板上升过程中以后端Edge1前进为主，在下降过程中以前段Edge1前进为主，这与我们之前关于开合运动的对于Edge1和Edge2分析相一致；

3、从实验过程中我们发现，由于上极板厚度不足液滴与上极板初始接触角小于侧边面的疏水角，所以在上极板第一次向上运动时，不但后端Edge2在前进，就连Edge1也有一段前进的过程。这个现象也部分验证了“初始运动”的存在。

为了研究该方法对于大液滴的适应性，本发明之后使用了10μL的液滴进行实验。如图9所示，首先依然是让液滴完成“初始运动”使液滴保持相对稳定。同样以三个箭头分别表示上极板运动方向，后段Edge2位置和前段Edge1位置。上极板上下移动的范围为1mm-1.9mm。图10同样为液滴位置的统计图。分析整个运动过程，除了验证4μL液滴实验中得出的实验结论的正确性，另外还可以得到以下结论：

1、比较每次开合运动液滴前进的距离，我们发现对于每一次的开合运动而言，液滴进入双极区的距离都不一样，初始位置越是进入双极区其开合运动效果越好

2、比较4μL和10μL液滴运动所需开合间距，可以发现越大的液滴需要的开合间距越大

3、在“初始运动”不完全的情况下，上极板越厚，液滴在开合运动辅助下进入双极板越容易

为了研究对于10μL液滴在1mm厚上极板条件下进入双极板区的最佳控制方式，我们针对不同的开合运动高度，以使液滴完全进入双极板区所需的开合次数作为衡量标准进行了实验。由于当两极板的最小间距小于0.2mm时，间距过小而玻璃片较大导致实验误差比较大，两极板的平行度不满足要求实验所以对于小于0.2mm的情况我们进行了限制。其他情况下，结果如图11所示，其中横坐标为开合运动中两极板的最小间距，纵坐标为开合运动中两极板的最大间距，由图可知：

1、液滴在单极板上高度为2.2mm，当上下极板间距大于2.0mm时由于两区间的压力差较大，会使液滴自发进入双极板区；

2、过小的两极板的最小间距(0.2mm-0.6mm)会使液滴在双极板区压力过大，在上极板上升过程中出现液滴向单极板回流，使得液滴所需的开合间距变大，开合次数变多；

3、相同液滴情况下，开合运动间距越大液滴运动次数越少，当开合间距小于0.6mm时液滴无法进入双极板区；

综上所述，图11中存在可以用开合运动实现液滴向双极板区的运动的区域，为了实现进入小缝隙的要求采用最大和最小间距为1.6mm和0.8mm比较适宜。

二、基于亲水界面的大液滴的运动实验

为了研究该方法对于亲水界面的适应性，本发明实施例之后针对亲水界面上的液滴同样进行了开合运动实验。正如前文所分析的，由于对于小液滴而言在亲水界面上能自发向双极板区移动，为了提高开合运动的效果，我们使用15μL的液滴作为实验对象。如图12所示，同样以3个箭头分别表示上极板运动方向，后段Edge2位置和前段Edge1位置。上极板上下移动的范围为0.6mm-1.6mm。通过两次开合运动能使液滴完全进入双极板区。

本发明实施例提供的另一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法，与目前主要利用介电湿润力作为驱动力控制液滴进入到双极板相比，本发明实施例能够根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率，并能够根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系，从而能够根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区，无需外加驱动电压即可以控制液滴进入到双极板，进而能够避免介电层器件发生损坏，且能够避免液滴内生化物质遭到破坏，以及避免液滴内生化物质的性质发生变化，保证滴内生化物质的稳定性。

进一步地，作为图1的具体实现，本发明实施例提供了一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置，如图13所示，所述装置包括：分析单元31、确定单元32和控制单元33。

所述分析单元31，可以用于根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率。

所述确定单元32，可以用于根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系。

所述控制单元33，可以用于根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

所述确定单元32，具体可以用于根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距，其中，当液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时，液滴发生位移。

对于本发明实施例，所述确定单元32具体可以包括：获取模块321和计算模块322，如图14所示。

所述获取模块321，可以用于获取液滴对应的初始单极板区长度、初始上极板区长度、初始双极板间距、液滴在所述双极板区的初始曲率半径、液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角。

所述计算模块322，可以用于根据所述变化率、所述初始单极板区长度、所述初始上极板区长度、所述初始双极板间距、所述初始曲率半径、所述底面夹角和所述预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距变化量。

具体地，所述预设单极板区的接触角计算公式可以为：

其中，H₀表示初始双极板间距、L_b表示单极板区长度、L_c上极板区长度、ΔX表示双极板间距变化量、R₀表示初始曲率半径、M表示液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率、β_bp表示液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角、β表示液滴与所述单极板区的接触角。

所述计算模块322，还可以用于根据所述初始双极板间距和所述双极板间距变化量，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。

对于本发明实施例，为了液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化而变化的变化率，所述分析单元31，具体可以用于获取液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度；将所述双极板区长度、所述单极板区长度和所述上极板区长度分别代入到液滴在所述双极板区的侧截面面积计算公式和液滴在单极板的侧截面面积计算公式；基于液滴在所述双极板区的侧截面面积与液滴在单极板的侧截面面积的不变原则，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化而变化的变化率。

对于本发明实施例，为了确定使得液滴最先发生位移的接触角，所述装置还可以包括：计算单元34。

所述计算单元34，可以用于根据预设双极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述双极板区的接触角关于双极板间距变化量的第一导数；根据预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角关于双极板间距变化量的第二导数；根据预设上极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述上极板区的接触角关于双极板间距变化量的第三导数。

所述分析单元31，还可以用于根据所述第一导数、所述第二导数和所述第三导数，分析所述双极板区的接触角、所述单极板区的接触角和所述上极板区的接触角中，随着双极板间距变化而变化使得液滴最先发生位移的接触角，得到使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置所涉及各功能模块的其他相应描述，可以参考图1所示方法的对应描述，在此不再赘述。

基于上述如图1所示方法，相应的，本发明实施例还提供了一种存储介质，具体地可以为计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。

基于上述如图1所示方法和如图13所示用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置的实施例，本发明实施例还提供了一种计算机设备的实体结构图，如图15所示，该计算机设备包括：处理器41、存储器42、及存储在存储器42上并可在处理器上运行的计算机程序，其中存储器42和处理器41均设置在总线43上所述处理器41执行所述程序时实现以下步骤：根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区。该计算机设备还包括：总线43，被配置为耦接处理器41及存储器42。

通过本发明的技术方案，能够根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率，并能够根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系，从而能够根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区，无需外加驱动电压即可以控制液滴进入到双极板，进而能够避免介电层器件发生损坏，且能够避免液滴内生化物质遭到破坏，以及避免液滴内生化物质的性质发生变化，保证滴内生化物质的稳定性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (7)

1.一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法，其特征在于，包括：

根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；具体地，根据所述变化率和所述预设变化关系，确定出液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距变化的变化关系，然后根据液滴与所述单极板区的接触角临界值，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，即在液滴与所述单极板区的接触角变化到对应的接触角临界值时，液滴发生位移；

根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区；在根据确定的双极板间距控制上极板上下移动时，液滴与双极板区的接触角、单极板区的接触角和上极板区的接触角会随着双极板间距变化而变化，当单极板区的接触角变化到达到单极板区的接触角临界值，所述液滴进入所述双极板区；

所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距之前，所述方法还包括：

根据预设双极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述双极板区的接触角关于双极板间距变化量的第一导数；

所述第一导数为：

其中，R₀表示初始曲率半径、H₀表示初始双极板间距、ΔX表示双极板间距变化量；

其中，

式中L_c上极板区长度、L_b表示单极板区长度、H表示双极板间距、R表示液滴在两个单极板和双极板两个区间的曲率半径；

根据预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角关于双极板间距变化量的第二导数；

所述第二导数为：

其中β′_bp为一个大于0的参数量；

根据预设上极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述上极板区的接触角关于双极板间距变化量的第三导数；

所述第三导数为：

其中θ′_up＝-β′_bp为一个小于0的参数量；

根据所述第一导数、所述第二导数和所述第三导数，分析所述双极板区的接触角、所述单极板区的接触角和所述上极板区的接触角中，随着双极板间距变化而变化使得液滴最先发生位移的接触角，得到使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角；

比较第一导数α′、第二导数β′和第三导数θ′，确定出：

当L_b＞0时，

以及

恒成立，

因此，θ′＜β′＜α′＜0，即确定液滴在单极板区的接触角减少的比液滴在双极板区的接触角快，即在双极板间距变化时，使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角；

所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，包括：

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距，其中，当液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时，液滴发生位移；

利用预设单极板区的接触角计算公式表示所述预设变化关系，所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距，包括：

获取液滴对应的初始单极板区长度、初始上极板区长度、初始双极板间距、液滴在所述双极板区的初始曲率半径、液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角；

根据所述变化率、所述初始单极板区长度、所述初始上极板区长度、所述初始双极板间距、所述初始曲率半径、所述底面夹角和所述预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距变化量；其中，所述预设单极板区的接触角计算公式用于表示所述预设变化关系，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

根据所述初始双极板间距和所述双极板间距变化量，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设单极板区的接触角计算公式为：

其中，M表示液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率、β_bp表示液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角、β表示液滴与所述单极板区的接触角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率，包括：

获取液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度；

将所述双极板区长度、所述单极板区长度和所述上极板区长度分别代入到液滴在所述双极板区的侧截面面积计算公式和液滴在单极板的侧截面面积计算公式；分析得到液滴在所述双极板区的侧截面面积计算公式，具体为：

式中L_a表示液滴对应的双极板区长度；

以及液滴在单极板的侧截面面积计算公式，具体为：

其中，H和R分别表示双极板间距和液滴在两个单极板和双极板两个区间的曲率半径，基于上述2个公式，得到液滴随上极板上下运动时的曲率变化过程；

基于液滴在所述双极板区的侧截面面积与液滴在单极板的侧截面面积的不变原则，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化而变化的变化率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在初始状态时，液滴在所述双极板区受到的液滴压力与液滴在所述单极板区受到的液滴压力相等。

5.一种用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动装置，其特征在于，包括：

分析单元，用于根据液滴对应的双极板区长度、单极板区长度和上极板区长度，分析液滴在所述双极板区的曲率半径随双极板间距变化的变化率；

确定单元，用于根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；具体地，根据所述变化率和所述预设变化关系，确定出液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距变化的变化关系，然后根据液滴与所述单极板区的接触角临界值，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，即在液滴与所述单极板区的接触角变化到对应的接触角临界值时，液滴发生位移；

控制单元，用于根据确定的双极板间距控制上极板上下移动，控制液滴进入所述双极板区；在根据确定的双极板间距控制上极板上下移动时，液滴与双极板区的接触角、单极板区的接触角和上极板区的接触角会随着双极板间距变化而变化，当单极板区的接触角变化到达到单极板区的接触角临界值，所述液滴进入所述双极板区；

所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距之前，所述方法还包括：

根据预设双极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述双极板区的接触角关于双极板间距变化量的第一导数；

所述第一导数为：

其中，R₀表示初始曲率半径、H₀表示初始双极板间距、ΔX表示双极板间距变化量；

其中，

式中L_c上极板区长度、L_b表示单极板区长度、H表示双极板间距、R表示液滴在两个单极板和双极板两个区间的曲率半径；

根据预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角关于双极板间距变化量的第二导数；

所述第二导数为：

其中β′_bp为一个大于0的参数量；

根据预设上极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述上极板区的接触角关于双极板间距变化量的第三导数；

所述第三导数为：

其中θ′_up＝-β′_bp为一个小于0的参数量；

根据所述第一导数、所述第二导数和所述第三导数，分析所述双极板区的接触角、所述单极板区的接触角和所述上极板区的接触角中，随着双极板间距变化而变化使得液滴最先发生位移的接触角，得到使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角；

比较第一导数α′、第二导数β′和第三导数θ′，确定出：

当L_b＞0时，

以及

恒成立，

因此，θ′＜β′＜α′＜0，即确定液滴在单极板区的接触角减少的比液滴在双极板区的接触角快，即在双极板间距变化时，使得液滴最先发生位移的接触角为所述单极板区的接触角；

所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，确定液滴与所述单极板区的接触角变化到液滴发生位移时的双极板间距，包括：

根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距，其中，当液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时，液滴发生位移；

利用预设单极板区的接触角计算公式表示所述预设变化关系，所述根据所述变化率、液滴与所述单极板区的接触角临界值和预设变化关系，计算液滴与所述单极板区的接触角变化到小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距，包括：

获取液滴对应的初始单极板区长度、初始上极板区长度、初始双极板间距、液滴在所述双极板区的初始曲率半径、液滴外边界对应的弦与下极板之间的底面夹角；

根据所述变化率、所述初始单极板区长度、所述初始上极板区长度、所述初始双极板间距、所述初始曲率半径、所述底面夹角和所述预设单极板区的接触角计算公式，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距变化量；其中，所述预设单极板区的接触角计算公式用于表示所述预设变化关系，所述预设变化关系为液滴与所述单极板区的接触角随双极板间距和所述变化率变化的变化关系；

根据所述初始双极板间距和所述双极板间距变化量，计算液滴与所述单极板区的接触角小于或者等于所述接触角临界值时的双极板间距。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。

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