CN109759153A - 一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门及其控制方法，通过在毛细作用微流控芯片微流通道中设置亲水和疏水电极就可以控制微流体的通断。当微流体流动到疏水电极时，会在疏水电极边缘停止流动。此时若加载很低的电压，疏水电极边缘的流体由于电润湿的作用会转变为亲水状态，微流体便可以顺利通过，从而实现了对微流体的通断控制。该微流控芯片中的微流通道是亲水的，所以在其中流动的液体可以由毛细力的作用自动流动而不需要借助外力。本发明的优点在于不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构。具有电润湿阀门的微流控芯片在化学分析、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门及其控制方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门及其控制方法。

背景技术

微全分析系统的目标是借助微机电加工（MEMS）技术与生物技术实现生化分析系统从式样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点，并以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、临床诊断、药物分析等领域显示了良好的应用前景。

阀门是微流控芯片装置的重要组成部分，主要用来实现流体管道的通断控制以及流体方向的切换。常见的微流控阀门主要包括石蜡阀门、石蜡热熔阀、磁铁移动阀门、气动阀门、机械阀门。石蜡阀门一般用于液体由离心力驱动的芯片内，通过离心力的冲力顶开石蜡阀门。石蜡热熔阀是用激光等热源定向加热阀门部位，使其溶解，打开阀门。磁铁移动阀门是通过磁铁在磁力环境下的运动来开关阀门。气动阀门是通过气体充气，使某一含有弹性组分的部位鼓起填充，起到阀门的效果。机械阀门是通过设备和芯片配合，通过设备的伸出缩回某一部位，挤压芯片，起到阀门效果。

这些阀门普遍加工技术复杂、操作繁琐。因此如何提供一种具有装配简单、制造方便的微流控阀门，从而有效控制微流体在管道内的通断，以实现芯片的功能，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门及其控制方法，可以实现微流体的自发流动和控制。

本发明的技术解决方案为：一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，利用亲水微流通道与亲疏水电极相结合，通过毛细现象与电润湿原理，实现了对微流体的通断控制。

所述用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，包括上基板、下基板、第一电极、第二电极、疏水层、电源、开关和中层基板；中层基板上开有一个长条形孔和两个圆孔，长条形孔沿中层基板的长轴设置，两个圆孔位于长条形孔两端，并与长条形孔相通，上基板固定在中层基板顶面，下基板固定在中层基板底面，三者叠加后形成微流通道，在上基板上开有两个通孔分别与中层基板上的圆孔相通，第一电极固定在下基板顶面，第二电极固定在上基板底面，第一电极上涂有疏水层，第一电极和第二电极通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断电。

一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、将液体置入靠近第二电极一侧的通孔内，由于毛细力的作用，液体自动沿着微流通道移动，通过第二电极后在第一电极的边缘位置停止；

步骤2、当第一电极和第二电极之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极变为亲水表面，使液体顺利通过。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构，并且减小了微流控装置的整体体积。

（2）本装置结构简单，只有上、中、下三个基板，制作工艺简便，成本低廉。

（3）利用很小的电压就能实现对液体的控制，不仅供电简便，而且节约能源。

附图说明

图1是一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的俯视图，其中图（a）阻断微流体通过的阶段，图（b）微流体顺利通过阶段。

图2是一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的A-A’剖视图。

图3是一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的结构分解图，其中图（a）是上基板，图（b）是下基板，图（c）是中层基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

将液体6置入靠近第二电极3-2一侧的通孔内，由于毛细力的作用，液体6自动沿着微流通道移动，通过第二电极3-2后在第一电极3-1的边缘位置停止。当第一电极3-1和第二电极3-2之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极3-1变为亲水表面，使液体6顺利通过。

上基板1、中层基板5、下基板3的材料都为酯类亲水材料，这是实现液体6自发流动的关键。

本发明实现了微流体的自发流动与控制，不需要额外的输液泵，对微流控器件的小型化、简便化和廉价化方面具有重要意义。

结合图1、图2和图3，用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，包括上基板1、下基板2、第一电极3-1、第二电极3-2、疏水层4、电源、开关和中层基板5；

中层基板5上开有一个长条形孔和两个圆孔，长条形孔沿中层基板5的长轴设置，两个圆孔位于长条形孔两端，并与长条形孔相通，上基板1固定在中层基板5顶面，下基板2固定在中层基板5底面，三者叠加后形成微流通道，在上基板1上开有两个通孔分别与中层基板5上的圆孔相通，第一电极3-1固定在下基板2顶面，第二电极3-2固定在上基板1底面，第一电极3-1上涂有疏水层4，第一电极3-1和第二电极3-2通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断电。

用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的上基板1、下基板2和中层基板5的材料为以压敏胶为基质的压合胶粘片，如丙烯酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。这是实现液体6自发流动的关键。

第一电极3-1的长度不小于长条形孔的孔径。第一电极3-1和第二电极3-2均位于两个圆孔之间。由于液体同时接触电极3-1和3-2时点润湿阀门才能顺利打开，所以第二电极3-2靠近来流方向。

电源电压＜15V。

结合图1，一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、将所要操控的液体6置入靠近第二电极3-2一侧的圆形凹槽内，由于毛细力的作用，液体6自动沿着微流通道移动，通过第二电极3-2后在涂有疏水层4的第一电极3-1的边缘位置停止。

步骤2、当第一电极3-1和第二电极3-2之间接入很小的电压时，由于电润湿的作用，第一电极3-1表面的液体6由疏水状态变为亲水状态，顺利通过第一电极3-1，从而实现了微流体的自发流动与控制。

本发明所述用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门制作工艺如下：

1、采用酯基材料作为上基板1、下基板2，激光切除的方法在上基板1上切割出两个圆形通孔。

2、利用导电银浆和喷涂打印法在上基板1和下基板2上分别打印第二电极3-2和第一电极3-1。然后在烘箱中175℃加热5分钟，干燥。

2、将带有第二电极3-2的上基板1和带有第一电极3-1的下基板2在臭氧环境中利用紫外线照射6分钟，使基板和电极更加亲水。

3、将第一电极3-1放入全氟癸基硫醇（PFDT）的脱氧乙醇溶液中浸渍3小时，然后用大量乙醇冲洗，氮气吹干，使第一电极3-1表面疏水。

4、利用激光切除的方法在中层基板5上刻蚀出微通道和两个圆形通孔，中层基板5的材料也是以压敏胶为基质的压合胶粘片，如丙烯酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

5、将上基板1、中层基板5和下基板2压在一起，组成封闭的微流通道。

用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构，并且减小了微流控装置的整体体积。具有电润湿阀门的微流控芯片在化学分析、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一种用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：利用亲水微流通道与亲疏水电极相结合，通过毛细现象与电润湿原理，实现了对微流体的通断控制。

2.根据权利要求1所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：包括上基板（1）、下基板（2）、第一电极（3-1）、第二电极（3-2）、疏水层（4）、电源、开关和中层基板（5）；中层基板（5）上开有一个长条形孔和两个圆孔，长条形孔沿中层基板（5）的长轴设置，两个圆孔位于长条形孔两端，并与长条形孔相通，上基板（1）固定在中层基板（5）顶面，下基板（2）固定在中层基板（5）底面，三者叠加后形成微流通道，在上基板（1）上开有两个通孔分别与中层基板（5）上的圆孔相通，第一电极（3-1）固定在下基板（2）顶面，第二电极（3-2）固定在上基板（1）底面，第一电极（3-1）上涂有疏水层（4），第一电极（3-1）和第二电极（3-2）通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断电。

3.根据权利要求2所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：第一电极（3-1）的长度不小于长条形孔的孔径。

4.根据权利要求2所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：第一电极（3-1）和第二电极（3-2）均位于两个圆孔之间。

5.根据权利要求2所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：第二电极（3-2）靠近来流方向。

6.根据权利要求2所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门，其特征在于：电源电压＜15V。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的用于毛细作用微流控芯片的电润湿阀门的控制方法，其特征在于：方法步骤如下：

步骤1、将液体（6）置入靠近第二电极（3-2）一侧的通孔内，由于毛细力的作用，液体（6）自动沿着微流通道移动，通过第二电极（3-2）后在第一电极（3-1）的边缘位置停止；

步骤2、当第一电极（3-1）和第二电极（3-2）之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极（3-1）变为亲水表面，使液体（6）顺利通过。