CN109046483B - 流体微粒及制备方法、微流体系统及制备方法、控制方法 - Google Patents

流体微粒及制备方法、微流体系统及制备方法、控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数字微流控技术领域，提出一种流体微粒，该流体微粒包括带电液滴、中间包覆层以及介电表面层；中间包覆层具有疏水性，包覆于带电液滴之外；介电表面层具有亲水性，包覆于中间包覆层之外。还提出一种微流体系统，该微流体系统包括数字微流控芯片以及上述流体微粒，流体微粒设于所述数字微流控芯片之上。该中间包裹层以及介电表面层的厚度远小于现有技术中介质层的厚度，使操控流体微粒的电压较低，避免对液滴所包含的细胞、DNA和蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤。

Description

流体微粒及制备方法、微流体系统及制备方法、控制方法
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，尤其涉及一种流体微粒及其制备方法、具有该流体微粒的微流体系统及其制备方法和控制方法。
背景技术
随着微机电系统技术的发展，数字微流控芯片已经在微液滴的驱动和控制技术等方面有所突破，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。各种细胞等样品可以在数字微流控芯片中培养、移动和分析。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。
参照图1和图2所示的现有技术中对盒式和开放式微流体系统的结构示意图。微流体系统包括衬底1、绝缘层2、电极层3、介质层4、疏水层5以及微液滴7。现在数字微流控芯片的制作工艺比较复杂，通常需要沉积方式制作电极层，蒸镀工艺制作介质层，之后通过旋涂、烘烤制备一层涂层作为疏水层。在使用过程中，通常为了操控微液滴7，操控电压会达到100V甚至更大，数字微流控芯片中会形成很强的电场，从而会对微液滴7所包含的细胞、DNA和蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤，必须降低芯片操控电压。
因此，有必要研究一种流体微粒及其制备方法、具有该流体微粒的微流体系统及其制备方法和控制方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的操控电压较高的不足，提供一种操控电压较低的流体微粒及其制备方法、具有该流体微粒的微流体系统及其制备方法和控制方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种流体微粒，包括：
带电液滴；
中间包覆层，具有疏水性，包覆于所述带电液滴之外；
介电表面层，具有亲水性，包覆于所述中间包覆层之外。
在本公开的一种示例性实施例中，所述中间包覆层包括：羧甲基纤维素或大豆分离蛋白。
在本公开的一种示例性实施例中，所述带电液滴带正电荷。
在本公开的一种示例性实施例中，所述介电表面层包括：二氧化硅纳米粒子。
在本公开的一种示例性实施例中，所述带电液滴的体积大于等于0.1mm3且小于等于10mm3，所述中间包覆层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm，所述介电表面层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm。
根据本公开的一个方面，提供一种微流体系统，其特征在于，包括：
数字微流控芯片；
上述任意一项所述的流体微粒，设于所述数字微流控芯片之上。
在本公开的一种示例性实施例中，所述数字微流控芯片包括：
衬底；
电极，具有疏水性表面，设于所述衬底之上，所述电极与流道直接接触，所述流道内容纳所述流体微粒。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电极的材质为石墨烯。
根据本公开的一个方面，提供一种流体微粒的制备方法，其特征在于，包括：
形成带电液滴；
在所述带电液滴之外包覆具有疏水性的中间包覆层；
在所述中间包覆层之外包覆具有亲水性的介电表面层。
根据本公开的一个方面，提供一种微流体系统的制备方法，其特征在于，包括：
按照上述所述的流体微粒的制备方法形成流体微粒；
形成具有疏水性表面的数字微流控芯片；
将所述流体微粒滴于所述数字微流控芯片表面。
在本公开的一种示例性实施例中，所述数字微流控芯片的电极的材质为石墨烯。
根据本公开的一个方面，提供一种微流体系统的驱动方法，其特征在于，包括：
改变电极的电压以驱动流体微粒移动。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明的流体微粒以及微流体系统，通过具有疏水性的中间包覆层包覆于带电液滴之外，通过具有亲水性的介电表面层包覆于中间包覆层之外；中间包裹层以及介电表面层的厚度远小于现有技术中介质层的厚度，使操控流体微粒的电压较低，避免对液滴所包含的细胞、DNA和蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是现有技术中对盒式微流体系统的结构示意图；
图2是现有技术中开放式微流体系统的结构示意图；
图3是本发明微流体系统一实施方式的结构示意图；
图4是本发明微流体系统中电极的平面示意图；
图5是图3中的流体微粒处于初始状态的结构示意图；
图6是图5中的流体微粒中的电荷汇聚开始运动的结构示意图；
图7是图6中的流体微粒运动至静电力合力为零时的结构示意图；
图8是图7中的流体微粒在惯性作用下继续移动后的结构示意图；
图9是带电液滴的驱动电压与驱动电极和带电液滴之间的电介质厚度的关系图；
图10是本发明流体微粒的制备方法的流程示意图；
图11是本发明微流体系统的制备方法的流程示意图。
图中主要元件附图标记说明如下：
1、衬底；2、绝缘层；
3、电极层；31、高电平电极；32、接地参考电极；
4、介质层；5、疏水层；
6、流体微粒；61、带电液滴；62、中间包覆层；63、介电表面层；
7、微液滴；
8、储液池。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
本发明首先提供了一种流体微粒6，该流体微粒6可以包括带电液滴61、中间包覆层62以及介电表面层63；中间包覆层62具有疏水性，包覆于所述带电液滴61之外；介电表面层63具有亲水性，包覆于所述中间包覆层62之外。
在本示例实施方式中，带电液滴61是一种强亲水性物质，带电液滴61可以带正电荷。当然，在本发明的其他示例实施方式中，带电液滴61也可以带负电荷。
在本示例实施方式中，由于带电液滴61是一种强亲水性物质，因此，需要强疏水性的中间包覆层62将其包覆。中间包覆层62可以为强疏水性有机材料，例如，中间包覆层62可以包括：羧甲基纤维素或大豆分离蛋白等等。
在本示例实施方式中，由于中间包覆层62是强疏水性，因此，需要亲水性的介电表面层63将其包覆，例如，介电表面层63可以包括：二氧化硅纳米粒子。
中间包覆层62包覆在带电液滴61之外，介电表面层63包覆于中间包覆层62之外，形成水包油再包水的结构，该结构为中性的、外表面亲水性同时内表面疏水性的微胶囊结构。中间包裹层62以及介电表面层63的厚度远小于现有技术中介质层的厚度，使操控流体微粒的电压较低，避免对液滴所包含的细胞、DNA和蛋白质等活性物质造成不可逆的损伤。
带电液滴61的体积大于等于0.1mm3且小于等于10mm3，中间包覆层62的厚度大于等于1nm且小于等于10nm，介电表面层63的厚度大于等于1nm且小于等于10nm。
进一步的，本发明还提供了一种微流体系统，参照图3所示的本发明微流体系统一实施方式的结构示意图，该微流体系统可以包括数字微流控芯片以及上述流体微粒6。流体微粒6的具体结构上述已经进行了详细描述，因此，此处不再赘述。
在本示例实施方式中，数字微流控芯片还可以包括衬底1、绝缘层2以及电极层3。绝缘层2设于衬底1之上，电极层3设于绝缘层2之上。衬底1的主要成分可以为硅，还可以是玻璃。绝缘层2的主要成分可以为二氧化硅，还可以是氮化硅、氮氧化硅等绝缘材质。在绝缘层2上形成有多个凹槽，在凹槽内设置电极层3，使多个电极之间是相互绝缘的。在数字微流控芯片上形成有容纳流体微粒6并供流体微粒6通过的流道，电极与流道直接接触，即流道为流体微粒6提供通道，电极为流体微粒6提供驱动力。多个电极可以通过接通不同的电位而形成接地参考电极32和高电平电极31，接地参考电极32和高电平电极31可以为间隔设置。图3中黑色电极为高电平电极31，白色电极为接地参考电极32。在本公开中，高电平电极31表示电位绝对值相对于接地参考电极32的电位更高的电极。另外，接地参考电极32也不限于“被连接至大地”，而是可以连接到任何固定的参考电位。
参照图4所示的本发明微流体系统中电极的平面示意图；流体微粒6存储在储液池8中，在储液池8的周边可以设置有多组电极组，电极组可以包括依次排列为预定形状的多个电极，以形成具有不同平面形状的流道。电极可以设置为长方形、正方形等多种形状。电极还可以设置为一侧具有凹陷，另一侧具有突出的结构，并且相邻两个电极，一个电极的突出延伸至另一个电极的凹陷内，如此设置方便将流体微粒6输送至下一个电极。电极尺寸大小一般是大于等于0.5mm×0.5mm且小于等于2mm×2mm，相邻两个电极之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm。
在本示例实施方式中，电极层3具有疏水性表面，电极层3的材质为石墨烯，石墨稀具有强疏水性和导电性。电极层3与流体微粒6表面直接接触，外表面亲水性的流体微粒6能在石墨烯电极表面有强的张力而形成圆形微胶囊。将石墨烯作为电极，且作为疏水层介质，利用石墨烯的高导电性和疏水性的特性，同时采用流体微粒6结构，该数字微流控芯片制作过程中，无需介质层4和疏水层5，减少两道制作工艺，大大简化了器件结构和制备工艺流程。
参照图5所示的图4中的流体微粒6处于初始状态的结构示意图；由于静电作用流体微粒6位于高电平电极31上。参照图6所示的图5中的流体微粒6中的电荷汇聚开始运动的结构示意图；电极电压改变后，正电荷在静电力的作用下集中到流体微粒6左侧，流体微粒6受到向左静电的作用，开始向左移动。参照图7所示的图6中的流体微粒6运动至静电力合力为零时的结构示意图；流体微粒6运动至接地参考电极32时流体微粒6的静电力合力为零。参照图8所示的图7中的流体微粒6在惯性作用下继续移动后的结构示意图；流体微粒6会在惯性作用下，继续向左移动一定的距离后停止，至此，流体微粒6完成一次在相邻电极间的移动。重复上述过程，就可以实现液滴的数字化驱动。
常用的数字微流控芯片驱动方法有很多，主要有介质上的电润湿、介电泳、声表面波、静电力作用等。但每种驱动方式都有缺点，例如基于静电力的芯片驱动电压较高。
降低驱动电压主要从减小运动阻力和增大驱动力两个方面。
首先，从减小运动阻力方面，主要是通过降低疏水层表面自由能，即增大固-液接触角。研究表明：目前最好的碳氟聚合物的固-液接触角可达到大约115°，而石墨烯的疏水性极佳，固-液接触角可达大约130°以上，能有效减小运动阻力。
其次，增大驱动力方面，基于静电力驱动，带电液滴61受到的静电力大小和带电液滴61与驱动电极之间的电介质厚度密切相关。参照图9所示的带电液滴61的驱动电压与驱动电极和带电液滴6之间的电介质厚度的关系图，在一定范围内，减小电介质厚度能够有效增大驱动力，从而降低驱动电压，电介质越薄，驱动电压越小。静电力公式：
Figure BDA0001780142180000071
式中，r为第一电荷与第二电荷之间的距离，F为静电力，q1为第一电荷的带电量，q2为第二电荷的带电量，k位系数，是常量。
在其余条件不变的情况下，当r越小，静电力越大，因此，需要的驱动力就越小，从而需要的更小的电压就能实现驱动，本发明微流体系统将流体微粒6中的中间包覆层62和介电表面层63作为电介质，中间包覆层62的厚度非常薄，可以制作到大约10nm以下，介电表面层63的厚度非常薄，可以制作到大约10nm以下，比传统介质层(大约1um左右)薄很多，传统的介质层受到工厂工艺的限制无法实现更薄，因此，本发明能有效降低驱动电压。
同时，石墨烯有高导电性，比传统金属电极材料电阻更小，进一步减低驱动电压。
进一步的，本发明还提供了一种流体微粒6的制备方法，参照图10所示的本发明流体微粒6的制备方法的流程示意图，该流体微粒6的制备方法可以包括以下步骤：
步骤S110，形成带电液滴61。
步骤S120，在所述带电液滴61之外包覆具有疏水性的中间包覆层62。
步骤S130，在所述中间包覆层62之外包覆具有亲水性的介电表面层63。
下面对流体微粒6的制备方法进行详细说明。
步骤S110，形成带电液滴61。
在本示例实施方式中，通过向分散相中加入正电荷离子，实现带正电荷的液滴制备，例如，以葵花油作为连续相，以包含Fe3+/Fe2+的壳聚糖混合液为分散相，合成用于研究壳聚糖聚合物的带正电荷的壳聚糖液滴。
步骤S120，在所述带电液滴61之外包覆具有疏水性的中间包覆层62。
步骤S130，在所述中间包覆层62之外包覆具有亲水性的介电表面层63。
形成上述带电液滴61后，可以通过高速搅拌法、逐层沉积法、膜乳化法和界面聚合法等依次形成中间包覆层62和介电表面层63。即将形成中间包覆层62和介电表面层63的材料替换用于发生反应的化学试剂的种类便能实现具有中间包覆层62和介电表面层63微颗粒材料的可控制备。
进一步的，本发明还提供了一种微流体系统的制备方法，参照图11所示的微流体系统的制备方法的流程示意图，该微流体系统的制备方法可以包括以下步骤：
步骤S210，按照上述流体微粒6的制备方法制备流体微粒6。
步骤S220，形成具有疏水性表面的数字微流控芯片。
步骤S230，将所述流体微粒6滴于所述数字微流控芯片表面。
下面对微流体系统的制备方法进行详细说明。
步骤S210，按照上述流体微粒6的制备方法制备流体微粒6。流体微粒6的制备方法上述已经进行了详细说明，因此，此处不再赘述。
步骤S220，形成具有疏水性表面的数字微流控芯片。
在本示例实施方式中，首先，形成衬底1，衬底1的主要成分可以为硅，也可以为玻璃。其次，在衬底1之上形成绝缘层2，绝缘层2的主要成分可以为二氧化硅，还可以是氮化硅、氮氧化硅等等，例如，可通过沉积工艺来形成二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。绝缘层2的厚度大约0.1～1um。并对绝缘层2进行刻蚀处理形成多个凹槽。然后，在绝缘层2之上通过沉积方式形成电极层3，电极层3的材质为石墨烯。并对电极层3进行刻蚀处理保留凹槽内的电极材料，去除凹槽外的电极材料，使多个电极之间相互绝缘。
步骤S230，将所述流体微粒6滴于所述数字微流控芯片表面。该流体微粒6的滴入方法为现有技术中的液滴的滴入方法，因此，此处不再赘述。
进一步的，本发明还提供了一种微流体系统的驱动方法，在将所述流体微粒6滴于所述电极层3表面之后，改变所述电极层3的电压以驱动所述流体微粒6移动。流体微粒6的驱动方法在上述微流体系统的说明中已经进行了详细的描述，因此，此处不再赘述。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (12)

1.一种流体微粒，用于数字微流控芯片，所述数字微流控芯片驱动并控制所述流体微粒移动，其特征在于，包括：
带电液滴；
中间包覆层，具有疏水性，包覆于所述带电液滴之外；
介电表面层，具有亲水性，包覆于所述中间包覆层之外；
所述中间包覆层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm，所述介电表面层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm。
2.根据权利要求1所述的流体微粒，其特征在于，所述中间包覆层包括：羧甲基纤维素或大豆分离蛋白。
3.根据权利要求1所述的流体微粒，其特征在于，所述带电液滴带正电荷。
4.根据权利要求1所述的流体微粒，其特征在于，所述介电表面层包括：二氧化硅纳米粒子。
5.根据权利要求1所述的流体微粒，其特征在于，所述带电液滴的体积大于等于0.1mm3且小于等于10mm3。
6.一种微流体系统，其特征在于，包括：
数字微流控芯片；
权利要求1～5任意一项所述的流体微粒，设于所述数字微流控芯片之上。
7.根据权利要求6所述的微流体系统，其特征在于，所述数字微流控芯片包括：
衬底；
电极，具有疏水性表面，设于所述衬底之上，所述电极与流道直接接触，所述流道内容纳所述流体微粒。
8.根据权利要求7所述的微流体系统，其特征在于，所述电极的材质为石墨烯。
9.一种流体微粒的制备方法，流体微粒用于数字微流控芯片，所述数字微流控芯片驱动并控制所述流体微粒移动，其特征在于，包括：
形成带电液滴；
在所述带电液滴之外包覆具有疏水性的中间包覆层；
在所述中间包覆层之外包覆具有亲水性的介电表面层；
所述中间包覆层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm，所述介电表面层的厚度大于等于1nm且小于等于10nm。
10.一种微流体系统的制备方法，其特征在于，包括：
按照权利要求9所述的流体微粒的制备方法形成流体微粒；
形成具有疏水性表面的数字微流控芯片；
将所述流体微粒滴于所述数字微流控芯片表面。
11.根据权利要求10所述的微流体系统的制备方法，其特征在于，所述数字微流控芯片的电极的材质为石墨烯。
12.一种微流体系统的驱动方法，其特征在于，包括：
改变电极的电压以驱动流体微粒移动，所述流体微粒是权利要求1～5任意一项所述的流体微粒。
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