CN109590039B - 一种微流控组件、微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流控技术领域，公开了一种微流控组件、微流控芯片及其制备方法。其中，微流控组件，包括对向设置以形成微腔的第一基板和对向基板，其中，所述第一基板包括：第一衬底；柔性基材层，设置于所述第一衬底朝向所述对向基板的一侧；所述柔性基材层背离所述第一衬底的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构，所述柱状微结构的顶端设有磁性材料；电磁结构，设置于所述柔性基材层背离所述对向基板的一侧，被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动所述磁性材料带动所述柱状微结构的顶端发生偏移。该微流控组件可以提高液滴移动的连续性和灵活性。

Description

一种微流控组件、微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种微流控组件、微流控芯片及其制备方法。
背景技术
片上实验室可以将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程，由于其可以降低成本，检测时间短，灵敏度高等优点，已经在生物、化学、医学反应和分离等等领域展现巨大前景。
介电润湿(EWOD)现阶段较为主流的一种离散液滴驱动方式，它是通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势，改变介质膜与表面液体润湿特性，即通过局部改变液滴和固体表面的三相接触角，造成液滴两端不对称形变，使液滴内部产生压强差，来驱动液滴。典型EWOD的下基板通常由衬底、电极阵列、介电层、疏水层构成，一般每个电极都有独立的薄膜晶体管(TFT)控制，功耗低，可对液滴的驱动进行控制。然而，由于EWOD阵列电极间距最小为50μm左右，液滴最小每次移动25μm，表现为成块移动，因此移动过程不够连续也不灵活。
发明内容
本发明公开了一种微流控组件、微流控芯片及其制备方法，目的是提高液滴移动的连续性和灵活性。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种微流控组件，包括对向设置以形成微腔的第一基板和对向基板，其中，所述第一基板包括：
第一衬底；
柔性基材层，设置于所述第一衬底朝向所述对向基板的一侧；所述柔性基材层背离所述第一衬底的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构，所述柱状微结构的顶端设有磁性材料；
电磁结构，设置于所述柔性基材层背离所述对向基板的一侧，被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动所述磁性材料带动所述柱状微结构的顶端发生偏移。
上述微流控组件中，柔性基材层背离第一衬底的一侧表面具有柱状微结构，柱状微结构顶端具有磁性材料，可在磁场驱动下带动柱状微结构发生弯折，使柔性基材层表面粗糙度减小，进而减小液滴在柔性基材层表面的疏水角，导致液滴沿柔性基材层表面移动；具体的，可以通过电磁结构产生的磁场，驱动部分柱状微结构弯折，以改变柔性基材层部分表面的疏水性，实现对液滴的驱动。该微流控组件中，由于液滴的驱动是由柔性基材层表面的微结构变化引起的，进而每次驱动距离比较短，并且，每次驱动是通过电信号控制实现的，进而可以实现匀速连续的驱动，综上即可使液滴呈现速率均匀且连续的移动效果，提高液滴移动的连续性。再者，该微流控组件还可以加强对液滴控制的灵活性和灵敏性，例如，通过改变每次发生偏转的柱状微结构数量可实现使不同体积的离散流体连续移动，通过控制电磁结构的通电时序可以实现对液滴移动速率进行控制等。
另外，相比于介电润湿型的微流控芯片，该微流控组件的第一基板中无需介电层，并且，柔性基材层表面的柱状微结构可增加液滴表面张力，增大液滴的疏水角，即柔性基材层本身具有疏水作用，进而，该组件的第一基板中也不需要设置疏水层，结构相对简单。
可选的，所述电磁结构包括沿所述微腔的延伸方向排列的多根导线；
所述微流控组件还包括用于控制所述多根导线的通电状态的控制电路。
可选的，所述控制电路被配置为按设定时序向所述多根导线中依次通入电流。
可选的，每相邻的若干根导线被配置为一组，每组导线组成一个导电回路，且每组导线中相邻导线间的电流传输方向相反；
所述控制电路被配置为按设定时序向多组导线中依次通入电流。
可选的，所述导线的线宽为1μm-4μm，相邻所述导线之间的距离3μm-8μm。
可选的，所述柱状微结构的直径为0.2μm-1μm，高宽比为1-10，相邻所述柱状微结构之间的距离为0.2μm-1μm。
可选的，所述柔性基材层的材料为高分子聚合物类柔性材料，所述磁性材料为四氧化三铁。
可选的，所述对向基板包括：
第二衬底；
疏水层，设置于所述第二衬底朝向所述第一基板的一侧；
接地电极层，设置于所述第二衬底和所述疏水层之间。
可选的，所述微流控组件包括进样区、混合区、检测区和废液区中的一个或几个区，所述一个或几个区的微腔依次连通。
一种微流控芯片，包括上述任一技术方案所述的微流控组件。
一种微流控芯片的制备方法，包括制备第一基板和对向基板，其中，所述制备第一基板包括以下步骤：
采用纳米压印技术制备柔性基材层，所述柔性基材层的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构，所述柱状微结构的顶端设有磁性材料；
在第一衬底上设置电磁结构，所述电磁结构被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动所述磁性材料带动所述柱状微结构的顶端发生偏移；
将所述柔性基材层与所述第一衬底键合，所述柔性基材层具有柱状微结构的一侧表面背离所述第一衬底设置。
可选的，所述采用纳米压印技术制备柔性基材层，具体包括：
将磁性材料与柔性基材材料混合以形成混合液；
将所述混合液倾倒至模具上表面并进行涂覆，所述模具上表面设有阵列分布的柱状凹槽；
在所述模具下表面一侧施加一磁场，以将所述磁性材料吸附至所述混合液的底部；
将所述混合液固化脱模。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种微流控组件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种微流控组件控制液滴移动过程的示意图；
图3为本发明另一实施例提供的一种微流控组件的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的一种微流控组件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电信号时序的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种微流控芯片的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种微流控芯片的制备流程图；
图8为本发明实施例提供的一种微流控芯片的第一基板制备过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种微流控组件，包括对向设置以形成微腔3的第一基板1和对向基板2，其中，第一基板1包括：
第一衬底11；
柔性基材层12，设置于第一衬底11朝向对向基板2的一侧；柔性基材层12背离第一衬底11的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构120，柱状微结构120的顶端设有磁性材料13；
电磁结构，设置于柔性基材层12背离对向基板2的一侧，被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动磁性材料13带动柱状微结构120的顶端发生偏移。
上述微流控组件中，柔性基材层12背离第一衬底11的一侧表面具有柱状微结构120，柱状微结构120顶端具有磁性材料13，可在磁场驱动下带动柱状微结构120发生弯折，使柔性基材层12表面粗糙度减小，进而减小液滴4在柔性基材层12表面的疏水角，导致液滴4沿柔性基材层12表面移动；具体的，可以通过电磁结构产生的磁场，驱动部分柱状微结构120弯折，以改变柔性基材层12部分表面的疏水性，实现对液滴4的驱动。该微流控组件中，由于液滴4的驱动是由柔性基材层12表面的微结构120变化引起的，进而每次驱动距离比较短，并且，每次驱动是通过电信号控制实现的，进而可以实现匀速连续的驱动，综上即可使液滴4呈现速率均匀且连续的移动效果，提高液滴4移动的连续性。再者，该微流控组件还可以加强对液滴4控制的灵活性和灵敏性，例如，通过改变每次发生偏转的柱状微结构120数量可实现使不同体积的离散流体连续移动，通过控制电磁结构的通电时序可以实现对液滴4移动速率进行控制。
另外，相比于介电润湿型的微流控芯片，该微流控组件的第一基板1中无需介电层，并且，柔性基材层12表面的柱状微结构120可增加液滴表面张力，增大液滴4的疏水角，即柔性基材层12本身具有疏水作用，进而，该组件的第一基板1中也不需要设置疏水层，结构相对简单。
可选的，在使用前，可以对柔性基材层12具有柱状微结构120的一侧表面进行等离子体(plasma)处理，使其变为亲水状态，如经plasma处理后，柔性基材层12表面的疏水角可以由大于100°变为50°～60°，这样，可以适当增加液滴4与柔性基材层12表面的接触面积，加强柔性基材层12表面的疏水性变化对液滴4的驱动效果。
示例性的，磁性材料13可以掺杂在柱状微结构120的顶端，具体可以包括磁珠或四氧化三铁(Fe3O4)。当电磁结构产生磁场时，位于柱状微结构120顶端的磁性材料13可产生极化作用，在磁力作用下，可以驱动柱状微结构120顶端发生移动，从而导致柱状微结构120发生弯折。
一种具体的实施例中，柱状微结构120为纳米结构，直径可以为0.2μm-1μm，高宽比(即高度与直径的比值)为1-10，相邻柱状微结构120之间的距离为0.2μm-1μm。需要说明的是，本申请中的柱状微结构120整体呈柱状，但其截面形状并不限定，即可以为圆形也可以是其他形状。
固液表面接触角(疏水角)取决于固体表面粗糙度，表面粗糙度增大会导致液滴与固体表面接触状态为三相接触(即固体表面、液滴、空气或油三相之间的接触)，增大了液滴表面张力，进而增加其疏水性，增大疏水角。在固体表面制造微米/纳米级微结构120(如柱状微结构120)，可增加表面粗糙度；由于柱状微结构120结构间距较小，所以，柔性基材层12表面疏水性可以保证液滴4不完全深入微结构120中。当柱状微结构120由于磁力作用发生偏折时，柔性基材层12表面粗糙度变小，表面张力减小，疏水角降低，液滴4靠近疏水角变化的一端和远离变化的一端产生不对称形变，如图2中的(b)和(d)所示，使液滴4内部产生压强差，驱动液滴4移动，如图2中的(c)和(e)所示。
一种具体的实施例中，电磁结构包括沿微腔3的延伸方向排列的多根导线14，如图2中的Signal1导线至Signal3导线，以及如图3和图4中的Signal1导线至Signal6导线，其中Signal1···Signal3(或者Signal1···Signal6)表示导线的排列顺序，或者，当微流控组件用于驱动液滴沿微腔延伸方向移动时，Signal1···Signal3(或者Signal1···Signal6)也可表示驱动信号的时序。
示例性的，导线14的线宽可以为1μm-4μm，相邻导线14之间的距离为3μm-8μm。具体的，此时，液滴4每次大概移动1.5～4微米。
进一步的，微流控组件还包括用于控制多根导线14的通电状态的控制电路。
示例性的，如图2中的(a)所示，当液滴4处于Signal2导线和Signal3导线之间时，向Signal2导线施加一定电压以产生电流，可以形成围绕Signal2导线的环形磁场，在磁场作用下，靠近Signal2的部分柱状微结构120的顶端发生偏折，进而导致该部分柱状微结构120所在区域的表面疏水效果大大减小(变为亲水)，从而驱动液滴4朝向该区域方向(左侧)移动，如图2中的(b)和(c)所示；同理，撤销Signal2导线信号，给Signal1导线施加信号，液滴4左端区域(靠近Signal1的区域)的表面变为亲水，液滴4继续朝左侧移动，如图2中的(d)和(e)所示。如此类推，对于图3中所示的微流控组件，当按照图5所示的信号时序依次向Signal6导线···Signal1导线中施加电压，即可实现驱动液滴4沿Signal6导线至Signal1导线的排列方向连续移动。
示例性的，控制电路中可以包括薄膜晶体管开关，以用于控制各导线14的通电状态。例如，控制电路包括与导线14一一对应的薄膜晶体管开关，每个薄膜晶体管开关被配置为控制与其对应的导线14通电与否。
具体的，柱状微结构120的偏转程度可由电压(通入电流)的强度调节，即可以通过控制电压输入来控制柔性基材层12疏水效果的变化，进而控制液滴4驱动的效果。
进一步的，可以通过控制电压信号时序，以控制液滴4的驱动速率。此外，还可以通过改变信号时序，以改变偏折的柱状微结构120的数量(即柔性基材层12表面发生疏水性变化的面积)，进而驱动不同体积的液滴4移动，进一步增强微流控检测的灵活性。另外，通过控制电压信号可以形成恒定电流，以形成稳定的磁场，从而提高液滴4驱动的稳定性。
一种具体的实施例中，控制电路可以被配置为按设定时序向多根导线14中依次通入电流，如图5所示。
另一种具体的实施例中，每相邻的若干根导线可以被配置为一组，此时，控制电路可以被配置为按设定时序向多组导线中依次通入电流。即每次驱动通过一组导线实现。
示例性的，每组导线可组成一个导电回路，且每组导线中相邻导线间的电流传输方向相反。例如，如图4所示，当液滴4较大时，Signal2和Signal3导线可以配置为一组，向Signal2和Signal3的导电回路中通入电流，可以在更大范围内形成驱动磁场，以驱动液滴4左端更多的柱状微结构120发生弯曲，使液滴4左端的基材层12表面更大面积变为亲水(疏水性减小)，进而驱动大体积的液滴4整体向左移动。
毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)描述了电流元在空间任意点处所激发的磁场，平行导线在三维空间产生的磁长分布可以根据该定律确定，具体的，平行导线在三维空间产生的磁感应强度大小与空间点到电流元距离，导线间距，通电电流大小I，真空磁导率μ0相关。
当然，本发明提供的微流控组件中，电磁结构并不限于上述导线14，也可以是如电磁铁等能够在电信号控制下产生驱动磁场的结构。
另外，上述微流控组件不仅可以用于控制液滴移动，也可以用于实现液滴分离和变形等操作，例如，通过对靠近液滴两端的柱状微结构进行驱动，可以实现将一个大液滴分离为两个小液滴。
一种具体的实施例中，柔性基材层12的材料可以为高分子聚合物类柔性材料，具体如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，示例性的，PDMS形成的柱状微结构120的弹性模量约为2MPa。
进一步的，导线14的材料可以为氧化铟锡(ITO)，第一衬底11的材料为玻璃。此时，第一基板1可以呈透明状态，便于观察。当然，导线14也可以采用金属线，在此不做限定。
如图1-图4所示，一种具体的实施例中，电磁结构位于第一衬底11和柔性基材层12之间。进一步的，第一基板1还包括设置于电磁结构和柔性基材层12之间的绝缘层15。示例性的，该绝缘层15可以为透明树脂(resin)。
如图1-图4所示，一种具体的实施例中，对向基板2包括第二衬底21，设置于第二衬底21朝向第一基板1的一侧的疏水层22，以及设置于第二衬底21和疏水层22之间的接地电极层23。
示例性的，疏水层22可以为特氟龙，接地电极层23可以采用ITO，第二衬底21为玻璃，此时，对向基板2可以呈透明状态，便于观察。
如图6所示，一种具体的实施例中，本发明实施例提供的微流控组件，可以包括进样区10、混合区20、检测区(或反应区)30和废液区40中的一个或几个区，该一个或几个区的微腔依次连通。
示例性的，进样区10、混合区20、检测区30(或反应区)和废液区40中，各区的微腔形状和面积可以不同；另外，根据液滴4在各区的移动要求，各区集成的电磁结构也可以不同，具体如各区内的导线14分布可以不同。
本发明实施例还提供了一种微流控芯片，该微流控芯片包括上述任一实施例中的微流控组件，示例性的，如图6所示的芯片100。
另外，如图7所示，本发明实施例还提供了一种微流控芯片的制备方法，包括制备第一基板和对向基板，其中，制备第一基板包括以下步骤：
步骤101，如图8中的(a)至(d)所示，采用纳米压印技术制备柔性基材层12，柔性基材层12的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构120；柱状微结构120的顶端设有磁性材料13；
步骤102，如图8中的(e)所示，在第一衬底11上设置电磁结构(如导线14)，电磁结构被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动磁性材料13带动柱状微结构120的顶端发生偏移；
步骤103，如图8中的(e)所示，将柔性基材层12与第一衬底11键合，柔性基材层12具有柱状微结构120的一侧表面背离第一衬底11设置。
可选的，上述步骤101和步骤102的制备顺序可以调换。
具体的，纳米压印技术是一种新型的微纳加工技术，该技术通过机械转移的手段，可以达到超高的分辨率，有望在未来取代传统光刻技术，成为微电子、材料领域的重要加工手段。
一种具体的实施例中，步骤101，采用纳米压印技术制备柔性基材层12，具体可以包括以下步骤：
如图8中的(a)所示，将磁性材料13与柔性基材材料混合以形成混合液6；
如图8中的(a)和(b)所示，将混合液6倾倒至模具5上表面并进行涂覆，模具5上表面设有阵列分布的柱状凹槽51；
如图8中的(c)所示，在模具5下表面一侧施加一磁场(图中的箭头表示磁场)，以将磁性材料13吸附至混合液6的底部；
如图8中的(d)所示，将混合液固化脱模，以得到柔性基材层12。
可选的，上述模具5可以采用高分辨率的光刻技术制作，比如电子束刻蚀(EBL)技术。示例性的，模具5上的柱状凹槽51直径为2μm-1μm，相邻柱状凹槽51间的距离(pitch)为0.1μm～2μm，深宽比为1～100。
示例性的，第一基板的制作流程具体可以为：首先，将磁珠或Fe3O4通过机械搅拌等方式均匀混合于液体PDMS中，将混合液6倒入提前制备好的模具5上进行coating后，在模具5下方施加一磁场，将磁珠或Fe3O4吸附到底部后固化脱模、以得到柔性基材层12。将固化后带有纳米微结构120的柔性基材层12与集成有导线14电极的第一衬底11键合，从而完成第一基板1的制作。
一种具体的实施例中，对向基板的制作流程具体可以包括：在第二衬底上制备接地电极层，在接地电极层上制备疏水层。
另外，微流控芯片的制备过程还包括将第一基板1与对向基板对合设置以形成供液滴移动的微腔。
本发明公开了一种利用磁场改变疏水角实现液滴驱动的数字微流控芯片，具体可以利用纳米压印技术制作微纳结构(柱状微结构)，并通过集成至下基板的导线产生磁场驱动微纳结构发生弯折，以改变疏水角，进而实现液滴的连续移动；该芯片可实现不同体积液滴的驱动，并可通过控制信号时序来控制移动速度，增加芯片灵活性与兼容性，另外，该芯片下基板(第一基板)不需要设置疏水层和介电层，结构简单；该数字微流控芯片可以提高片上实验室的检测灵敏度和检测效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种微流控组件，其特征在于，包括对向设置以形成微腔的第一基板和对向基板，其中，所述第一基板包括：
第一衬底；
柔性基材层，设置于所述第一衬底朝向所述对向基板的一侧；所述柔性基材层背离所述第一衬底的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构，所述柱状微结构的顶端设有磁性材料；
电磁结构，设置于所述柔性基材层背离所述对向基板的一侧，被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动所述磁性材料带动所述柱状微结构的顶端发生偏移；
所述电磁结构包括沿所述微腔的延伸方向排列的多根导线；
所述微流控组件还包括用于控制所述多根导线的通电状态的控制电路；
所述控制电路被配置为按设定时序向所述多根导线中依次通入电流。
2.如权利要求1所述的微流控组件，其特征在于，每相邻的若干根导线被配置为一组，每组导线组成一个导电回路，且每组导线中相邻导线间的电流传输方向相反；
所述控制电路被配置为按设定时序向多组导线中依次通入电流。
3.如权利要求1所述的微流控组件，其特征在于，所述导线的线宽为1μm-4μm，相邻所述导线之间的距离3μm-8μm。
4.如权利要求1所述的微流控组件，其特征在于，所述柱状微结构的直径为0.2μm-1μm，高宽比为1-10，相邻所述柱状微结构之间的距离为0.2μm-1μm。
5.如权利要求1-4任一项所述的微流控组件，其特征在于，所述柔性基材层的材料为高分子聚合物类柔性材料，所述磁性材料为四氧化三铁。
6.如权利要求1-4任一项所述的微流控组件，其特征在于，所述对向基板包括：
第二衬底；
疏水层，设置于所述第二衬底朝向所述第一基板的一侧；
接地电极层，设置于所述第二衬底和所述疏水层之间。
7.如权利要求1-4任一项所述的微流控组件，其特征在于，包括进样区、混合区、检测区和废液区中的一个或几个区，所述一个或几个区的微腔依次连通。
8.一种微流控芯片，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的微流控组件。
9.一种如权利要求8所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括制备第一基板和对向基板，其中，所述制备第一基板包括以下步骤：
采用纳米压印技术制备柔性基材层，所述柔性基材层的一侧表面具有阵列分布的柱状微结构，所述柱状微结构的顶端设有磁性材料；
在第一衬底上设置电磁结构，所述电磁结构被配置为在通电状态下生成磁场、以驱动所述磁性材料带动所述柱状微结构的顶端发生偏移；
将所述柔性基材层与所述第一衬底键合，所述柔性基材层具有柱状微结构的一侧表面背离所述第一衬底设置。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述采用纳米压印技术制备柔性基材层，具体包括：
将磁性材料与柔性基材材料混合以形成混合液；
将所述混合液倾倒至模具上表面并进行涂覆，所述模具上表面设有阵列分布的柱状凹槽；
在所述模具下表面一侧施加一磁场，以将所述磁性材料吸附至所述混合液的底部；
将所述混合液固化脱模。
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