CN109603928A - 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法 - Google Patents

基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109603928A
CN109603928A CN201811038892.9A CN201811038892A CN109603928A CN 109603928 A CN109603928 A CN 109603928A CN 201811038892 A CN201811038892 A CN 201811038892A CN 109603928 A CN109603928 A CN 109603928A
Authority
CN
China
Prior art keywords
drop
electrode
isosceles triangle
array
electrod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811038892.9A
Other languages
English (en)
Inventor
董铖
高洁
陈天蓝
贾艳伟
麦沛然
马许愿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MACAO UNIV
University of Macau
Original Assignee
MACAO UNIV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MACAO UNIV filed Critical MACAO UNIV
Priority to CN201811038892.9A priority Critical patent/CN109603928A/zh
Publication of CN109603928A publication Critical patent/CN109603928A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics

Abstract

本发明公开一种基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法，所述装置包括顶片、底片、品字形电极阵列、介电层及间隔物；品字形电极阵列布置于所述底片上，介电层设置于所述品字形电极阵列上，所述顶片和介电层之间设置间隔物，以形成液滴微流体反应室，反应室用于加入介质油和被分割液滴。所述方法通过对所述液滴微流体控制芯片所述连续电极的供电方式的控制来进行液滴的精确分割。本发明提供的方案，能够精确又便捷地对液滴进行分割，使得能够使用DMF系统通过单一液滴进行精确的多重分析。

Description

基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法
〖技术领域〗
本发明涉及生物检测相关技术领域，具体涉及一种液滴分割的装置及方法。
〖背景技术〗
基于数字微流体(DMF)系统、通过施加致动力来控制电极阵列上的微液滴的方式，已经成功地用于多种生物和化学测定，但由于很难将一个液滴均匀的进行分割，导致使用单个液滴的分子诊断中的并行多重分析仍然是DMF系统的一个巨大挑战。
现有的液滴分割方法通常采用如下两种，一种方法是：利用三个连续的电极，通过对外部电极充电同时保持中间电极不带电，可以将一个母液滴分成两个较小的子液滴，但是结果中经常观察到不均匀的子液滴。另一种方法是：使用由特氟隆构造的微结构，可产生多个子液滴，而且所提供的样品可被充分利用；然而，这种分割方法需要光来致动液滴，而不是以电信号来致动液滴，其难点在于难以提供光点的图案，这亦是该技术的难以实现的缺点。鉴于现存的液滴分割技术都存在各自的问题，导致无法精确又便捷地对液滴进行分割，限制或阻碍了使用DMF系统通过单一液滴进行精确的多重分析。
〖发明内容〗
本发明的第一目的在于提供一种新型的液滴分割装置，旨在提升控制灵活性及分割效果。本发明的第一目的通过如下技术方案实现：
一种基于液滴微流体控制的液滴分割装置，其特征在于，包括顶片、底片、品字形电极阵列、介电层及间隔物；品字形电极阵列布置于所述底片上，介电层设置于所述品字形电极阵列上，所述顶片和介电层之间设置间隔物，以形成液滴微流体反应室，反应室用于加入介质油和被分割液滴。
优选地，所述品字形电极阵列的品字形的上部、下部左侧、下部右侧分别由一个电极构成。
优选地，所述品字形电极阵列的品字形的上部由一个电极构成，品字形的下部左侧和下部右侧分别由两个电极构成。
优选地，所述品字形电极阵列由主体分别为正方形的电极E0至E4构成，各电极之间电隔离设置；电极E1和电极E3上端分别设置有一个小正方形凸片，电极E0下端设置有两个小正方形凹槽，电极E1和电极E3的小正方形凸片相应嵌入电极E0的小正方形凹槽；电极E2和电极E4上端分别设置有一个小正方形凸片，电极E1和电极E3的下端分别设置有一个小正方形凹槽，电极E2和电极E4的小正方形凸片相应嵌入电极E1和电极E3的小正方形凹槽。
优选地，所述电极E0主体为边长为1.45±0.2mm的正方形，电极E1至E4分别为主体为边长为1±0.2mm的正方形；所述小正方形凸片的边长为0.2±0.02mm，所述小正方形凹槽的边长为0.2±0.02mm，所述各电极之间的间隔距离为0.03±0.002mm。
优选地，所述液滴分割装置还包括分割刀，分割刀设置于所述反应室内，并位于所述品字形电极阵列的品字形的下部左侧和下部右侧之间。
优选地，所述分割刀为两把以上，并排地设置于所述品字形电极阵列的品字形的下部左侧和下部右侧之间。
优选地，所述分割刀横向截面的宽度为0.2±0.02mm，刀身长度为1.1±0.2mm，前端刀尖横向截面的夹角为30-70度。
优选地，所述介电层为光刻胶层。
优选地，所述底片为镀有铬电极图案的玻璃基片，所述顶片为由氧化铟锡玻璃制成的顶片。
本发明的第二目的在于提供一种基于液滴微流体控制的液滴分割方法。本发明的第二目的通过如下技术方案实现：
一种基于液滴微流体控制的液滴分割方法，基于上文所述的液滴分割装置，其特征在于，所述液滴分割方法包括：通过控制所述电极阵列中各电极的供电方式对被分割液滴进行分割。
优选地，通过控制所述电极阵列中各电极的供电电压来对被分割液滴进行分割。
优选地，将所述供电电压控制在5-500伏特有效值。
优选地，通过控制所述电极阵列中各电极的供电时间来对被分割液滴进行分割。
优选地，将所述供电时间控制在0-5秒。
优选地，通过控制所述电极阵列中各电极的通电频率来对被分割液滴进行分割。
优选地，将所述供电电压的频率控制在0Hz-10MHz。
本发明有益效果在于：可以精确进行液滴分裂，产生的液滴尺寸更一致，并且更不受制于母滴的初始位置，可以在一个步骤中产生多个液滴。另外，通过调节致动电信号的电压、频率、以及通电时间，我们可以精确对液滴进行精细的分裂和融合操作。本发明适用于DNA检测，蛋白质结晶，细胞分析，免疫测定，溶质浓度稀释以及其他化学应用，能够通过单一液滴进行精确的多重分析。
〖附图说明〗
图1为本发明实施例提供的液滴分割装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的液滴分割装置中电极和分割刀部分的示意图及其中虚线框部分的局部放大图；
图3为对图2所示图片进行尺寸标注后的图；
图4a为本发明实施例提供的液滴分割装置对各电极的通电频率进行控制的示意图；
图4b为本发明实施例提供的液滴分割装置分割得到的子液滴的体积与通电频率之间的关系；
图5a为本发明实施例提供的液滴分割装置对各电极的通电电压进行控制的示意图；
图5b为本发明实施例提供的液滴分割装置分割得到的子液滴的体积与通电电压之间的关系；
图6a为本发明实施例提供的液滴分割装置对各电极的通电时间进行控制的示意图；
图6b为本发明实施例提供的液滴分割装置分割得到的子液滴的体积与通电时间之间的关系；
图7为本发明实施例提供的液滴分割装置分割得到的子液滴的体积与分割刀的数量之间的关系。
〖具体实施方式〗
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供的液滴分割装置包括顶片(图中未示)、底片100、品字形电极阵列200、分割刀300、介电层(图中未示)及间隔物500。底片为镀有铬电极图案的玻璃基片，顶片为由氧化铟锡玻璃制成的顶片。
结合图2所示，品字形电极阵列200包括电极E0、电极E1、电极E2、电极E3和电极E4，电极E0、电极E1和电极E3呈品字形布置在底片100上，形成由电极E0作为品字形上部、电极E1和电极E3作为品字形下部(为了便于描述，本文所述的上、下是以“品”字的字形结构的上下为参照，并不限制产品的实际方位)的电极阵列，电极E2和电极E4分别位于所述电极E1和电极E3的下方。
介电层为光刻胶层，设置于品字形电极阵列200上，顶片和介电层之间设置间隔物500(间隔物500为栅栏状的支撑体)，以在顶片和介电层之间形成液滴微流体反应室，该反应室用于加入介质油(例如硅油)和被分割液滴。分割刀300设置于所述反应室内，并位于品字形电极阵列200的品字形的下部左侧和下部右侧之间，即电极E1和电极E3之间。分割刀可以为两把以上，并排地设置于所述电极E1和电极E3之间。
如图3所示，品字形电极阵列200中，电极E0主体为边长为1.45mm的正方形，电极E1至E4分别为主体为边长为1mm的正方形；电极E1和电极E3上端分别设置有一个边长为0.2mm的小正方形凸片，电极E0下端设置有两个边长为0.2mm的小正方形凹槽，小正方形凸片相应嵌入小正方形凹槽但不产生电接触；类似的，电极E2和电极E4上端分别设置有一个边长为0.2mm的小正方形凸片，电极E1和电极E3的下端分别设置有一个边长为0.2mm的小正方形凹槽，小正方形凸片相应嵌入小正方形凹槽但不产生电接触；此外，各电极之间的间隔距离为0.03mm。继续参见图3，分割刀300横向截面的宽度为0.2mm，刀身长度为1.1mm，前端刀尖横向截面的夹角为60度。
下面是本实施例中，利用上述液滴微流控微流体控制芯片精确分割液滴的装置进行液滴分割的实验过程：
本实验中用到的液滴是体积约0.35微升的去离子水。如图4a所示，本实验使用的致动电信号为正弦波，其电压有效值固定在120V。实验中电极E0、E1、E2的致动电信号的频率均固定在1KHz和4KHz，做两次。E3、E4的致动电信号的频率分别为250Hz，400Hz，630Hz，1KHz，1.5KHz，2.5KHz，4KHz，6.3KHz，9KHz。对E3、E4的每个频率，重复10次液滴分裂试验。一次液滴分裂试验中，电极的通电顺序如下：首先电极E0通电0.5秒，紧接着电极E1，E3同时通电0.5秒，最后电极E2，E4同时通电0.5秒。
如图4b所示，当固定电压为1KHz时，电极E3、E4上所加电压的频率低于1KHz，两边的子液滴大小相近，低频电极上的液滴稍大。而当频率继续升高时，频率越高，所的到的子液滴越小。当频率高于4KHz时，子液滴体积缩小的趋势变缓。实验的可重复性较好，体积比的标准差最大3％，绝大部分在1％以内。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，利用上述液滴微流控微流体控制芯片精确分割液滴的装置进行液滴分割的实验过程。本实施例中，实验使用致动信号为正弦波，频率固定在2.4khz，实验中电极E0、E1、E2的致动电信号的有效值分别均固定在100V，120V和140V，做三次；如图5a所示。E3、E4的致动电信号的电压有效值分别为80V，100V，120V，140V，160V，180V，200V。对电极E3、E4的每个有效值，重复10次液滴分裂试验。一次液滴分裂试验中，电极的通电顺序如下：首先电极E0通电0.5秒，紧接着电极E1、E3同时通电0.5秒，最后电极E2、E4同时通电0.5秒。
如图5b所示，我们发现对于不同的固定电压，当电极E3、E4上的电压有效值上升时，子液滴体积比都具有上升趋势。而且，子液滴体积上升是具有一个上限的，越接近上限，体积随电压上升越缓慢。三条曲线对比，100V固定电压的曲线最高，120V次之，140V最低。这是因为100V固定电压所提供的电润湿力最小，因此与之相对的一侧所得的子液滴体积就最大。实验的可重复性较好，如图所示，10次重复试验得到的结果的变动很小，所有体积比数据的标准差均在1％以内。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，利用上述液滴微流体控制芯片精确分割液滴的装置进行液滴分割的实验过程。本实施例中，实验使用致电信号为正弦波，频率固定在1khz，实验中电极的致动电信号的有效值固定在130V。如图6a所示，一次液滴分裂试验中，电极的通电顺序如下：首先电极E0通电0.5秒，紧接着电极E1通电X毫秒，然后立刻E1和E3同时通电0.5秒，最后电极E2、E4同时通电0.5秒。X取值分别为0,5,10,15,20,25。对X的每个值，重复10次液滴分裂试验。
如图6b所示，实验的可重复性较好，10次重复试验得到的结果的变动很小，所有体积比数据的标准差均在1％以内。分割得到的液滴的体积，与通电时间X基本呈线性关系。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，所述分割刀有X把，X把所述分割刀并排设置，可以将液滴分成X+1个。X的取值范围在1-4。图7为液滴分割装置分割得到的子液滴的体积与分割刀的数量之间的关系。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，所述电极为3个，电极E0、E1、E2构成品字形。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可等到的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。

Claims (17)

1.一种基于液滴微流体控制的液滴分割装置，其特征在于，包括顶片、底片、品字形电极阵列、介电层及间隔物；品字形电极阵列布置于所述底片上，介电层设置于所述品字形电极阵列上，所述顶片和介电层之间设置间隔物，以形成液滴微流体反应室，反应室用于加入介质油和被分割液滴。
2.根据权利要求1所述的液滴分割装置，其特征在于，所述品字形电极阵列的品字形的上部、下部左侧、下部右侧分别由一个电极构成。
3.根据权利要求1所述的液滴分割装置，其特征在于，所述品字形电极阵列的品字形的上部由一个电极构成，品字形的下部左侧和下部右侧分别由两个电极构成。
4.根据权利要求3所述的液滴分割装置，其特征在于，所述品字形电极阵列由主体分别为正方形的电极E0至E4构成，各电极之间电隔离设置；电极E1和电极E3上端分别设置有一个小正方形凸片，电极E0下端设置有两个小正方形凹槽，电极E1和电极E3的小正方形凸片相应嵌入电极E0的小正方形凹槽；电极E2和电极E4上端分别设置有一个小正方形凸片，电极E1和电极E3的下端分别设置有一个小正方形凹槽，电极E2和电极E4的小正方形凸片相应嵌入电极E1和电极E3的小正方形凹槽。
5.根据权利要求4所述的液滴分割装置，其特征在于，所述电极E0主体为边长为1.45±0.2mm的正方形，电极E1至E4分别为主体为边长为1±0.2mm的正方形；所述小正方形凸片的边长为0.2±0.02mm，所述小正方形凹槽的边长为0.2±0.02mm，所述各电极之间的间隔距离为0.03±0.002mm。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的液滴分割装置，其特征在于，所述液滴分割装置还包括分割刀，分割刀设置于所述反应室内，并位于所述品字形电极阵列的品字形的下部左侧和下部右侧之间。
7.根据权利要求6所述的液滴分割装置，其特征在于，所述分割刀为两把以上，并排地设置于所述品字形电极阵列的品字形的下部左侧和下部右侧之间。
8.根据权利要求6所述的液滴分割装置，其特征在于，所述分割刀横向截面的宽度为0.2±0.02mm，刀身长度为1.1±0.2mm，前端刀尖横向截面的夹角为30-70度。
9.根据权利要求1所述的液滴分割装置，其特征在于，所述介电层为光刻胶层。
10.根据权利要求1所述的液滴分割装置，其特征在于，所述底片为镀有铬电极图案的玻璃基片，所述顶片为由氧化铟锡玻璃制成的顶片。
11.一种基于液滴微流体控制的液滴分割方法，基于权利要求1至10任意一项所述的液滴分割装置，其特征在于，所述液滴分割方法包括：通过控制所述电极阵列中各电极的供电方式对被分割液滴进行分割。
12.根据权利要求11所述的液滴分割方法，其特征在于，通过控制所述电极阵列中各电极的供电电压来对被分割液滴进行分割。
13.根据权利要求12所述的液滴分割方法，其特征在于，将所述供电电压控制在5-500伏特有效值。
14.根据权利要求11所述的液滴分割方法，其特征在于，通过控制所述电极阵列中各电极的供电时间来对被分割液滴进行分割。
15.根据权利要求14所述的液滴分割方法，其特征在于，将所述供电时间控制在0-5秒。
16.根据权利要求11所述的液滴分割方法，其特征在于，通过控制所述电极阵列中各电极的通电频率来对被分割液滴进行分割。
17.根据权利要求16所述的液滴分割方法，其特征在于，将所述供电电压的频率控制在0Hz-10MHz。
CN201811038892.9A 2018-09-06 2018-09-06 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法 Pending CN109603928A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811038892.9A CN109603928A (zh) 2018-09-06 2018-09-06 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811038892.9A CN109603928A (zh) 2018-09-06 2018-09-06 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109603928A true CN109603928A (zh) 2019-04-12

Family

ID=66001541

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811038892.9A Pending CN109603928A (zh) 2018-09-06 2018-09-06 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109603928A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110026258A (zh) * 2019-04-26 2019-07-19 珠海市迪奇孚瑞生物科技有限公司 基于数字微流控芯片的检测电路、装置及dna或rna检测装置
CN114160221A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 澳门大学 一种基于电润湿现象的液滴生成方法及应用
CN114534811A (zh) * 2022-02-28 2022-05-27 上海天马微电子有限公司 微流控装置及其制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5958203A (en) * 1996-06-28 1999-09-28 Caliper Technologies Corportion Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias
CN101945767A (zh) * 2007-12-23 2011-01-12 先进液体逻辑公司 液滴致动器配置以及引导液滴操作的方法
CN102164675A (zh) * 2008-10-01 2011-08-24 泰肯贸易股份公司 用于数字微流体的预装试剂贮库的可替换载体
CN105233887A (zh) * 2015-08-31 2016-01-13 中国科学院深圳先进技术研究院 一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5958203A (en) * 1996-06-28 1999-09-28 Caliper Technologies Corportion Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias
CN101945767A (zh) * 2007-12-23 2011-01-12 先进液体逻辑公司 液滴致动器配置以及引导液滴操作的方法
CN102164675A (zh) * 2008-10-01 2011-08-24 泰肯贸易股份公司 用于数字微流体的预装试剂贮库的可替换载体
CN105233887A (zh) * 2015-08-31 2016-01-13 中国科学院深圳先进技术研究院 一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110026258A (zh) * 2019-04-26 2019-07-19 珠海市迪奇孚瑞生物科技有限公司 基于数字微流控芯片的检测电路、装置及dna或rna检测装置
CN110026258B (zh) * 2019-04-26 2023-11-28 珠海市迪奇孚瑞生物科技有限公司 基于数字微流控芯片的检测电路、装置及dna或rna检测装置
CN114160221A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 澳门大学 一种基于电润湿现象的液滴生成方法及应用
CN114534811A (zh) * 2022-02-28 2022-05-27 上海天马微电子有限公司 微流控装置及其制作方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109603928A (zh) 基于液滴微流体控制的液滴分割装置及方法
US9496125B2 (en) Interfacing with a digital microfluidic device
Kong et al. Motorized actuation system to perform droplet operations on printed plastic sheets
CN104846400B (zh) 一种基于介质层上电润湿原理的电解器件及其制备方法
CN107442188B (zh) 一种内置透明电极的全透明微流控芯片及其制备方法
CN107335490A (zh) 一种基于液‑液电润湿效应的可编程控制的微流控芯片
CN103816805B (zh) 电渗微泵装置
CN107699485A (zh) 微电极流控芯片及可调参数单细胞电穿孔装置
Dong et al. A 3D microblade structure for precise and parallel droplet splitting on digital microfluidic chips
US20150204817A1 (en) On chip control of fluids using electrodes
CN110918139A (zh) 微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及样本浓缩的方法
Fan et al. Multiphase optofluidics on an electro-microfluidic platform powered by electrowetting and dielectrophoresis
KR101598847B1 (ko) 액적의 직접 충전 및 전기영동에 기반한 전기천공 기기, 장치 및 방법
CN108405004A (zh) 一种液滴生成控制方法及其系统
US20080138876A1 (en) Transfection in electronically driven continuous flow
CN208494260U (zh) 基于介电泳的表面微液滴配发结构
CN208302807U (zh) 一种微流控芯片及其控制系统
CN110665554A (zh) 基于聚合物复合薄膜快速制备双层dmf芯片及制备方法
CN108940392A (zh) 用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置
EP3498373A1 (en) Microfluidic device and manufacturing method therefor
CN110601497B (zh) 一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵及工作方法
CN207271276U (zh) 一种基于液-液电润湿效应的可编程控制的微流控芯片
CN114632561A (zh) 混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法
Das et al. Effect of electrode geometry on voltage reduction in EWOD based devices
CN204656563U (zh) 一种微流控芯片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190412