CN110314713A - 一种基于介电泳的生物分子富集装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电泳的生物分子富集装置及其控制方法，在介电泳芯片中的绝缘基板上平行设置两个电极，电极上分别涂覆介质层和疏水层，电极通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断。为获得相同体积的微液滴，电极外边缘修饰了周期性的半圆结构。当开关闭合时，由于介电泳的作用，母液滴中会沿着电极延伸出一个液柱，此时将开关断开，液柱自动分裂为一系列微液滴。由于介电泳力的作用生物大分子会在靠近母液滴的微液滴中富集，生物小分子会在远离母液滴的微液滴中富集。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种基于介电泳的生物分子富集装置及其控制方法。
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。
生物检测领域通常需要针对少量、低浓度的样品进行操作。样品的高效富集可有效减少样品使用量，降低检出限，对于疾病早期诊断、食品安全、环境污染检测等具有重要意义。陈文学等利用生物素亲和素将适配子结合到微流控反应室内进行细胞捕获，杨柯利用微流控芯片产生的浓度梯度从全血中筛选和富集了中性粒细胞，杜敏等利用微流控芯片和免疫探针芯片相结合的方法完成了免疫样品的富集。上述文献中，都成功对生物分子进行了富集，但是仍存在一些不足之处。首先，这些检测芯片需要机械部件（微泵、微阀等）进行驱动，增加了与测定部件和进样部件集成的复杂度。其次，这些检测芯片的结构大都比较复杂，加工成本比较高。本发明具有结构简单、制作简便而且无需额外的机械部件等优点。在生物检测和临床诊断等领域都有广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介电泳的生物分子富集装置及其控制方法，通过在平行电极外侧设置周期性半圆结构，可以同时配发出多个相同体积的微液滴，实现生物分子的富集。
本发明的技术解决方案为：一种基于介电泳的生物分子富集装置，利用平行电极结构产生的介电泳力配发多个微液滴，根据生物分子粒径不同，实现生物分子的富集。
所述一种基于介电泳的生物分子富集装置包括第一电极、第二电极、基板、介质层、疏水层、电源和开关；第一电极和第二电极平行设置在基板上表面，第一电极和第二电极上表面涂有介质层，介质层上表面涂有疏水层，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，第一电极和第二电极的外侧壁上等间隔设置了周期性的半圆结构。
一种基于介电泳的生物分子富集装置的控制方法，方法步骤如下：
步骤1、将液体置入第一电极和第二电极一端。
步骤2、将开关闭合，液体将会沿着第一电极和第二电极的方向由介电泳力延伸出一个液柱。
步骤3、将开关断开，液柱就会断裂成多个微液滴，生物大分子会富集在靠近母液滴的微液滴中，生物小分子会富集在远离母液滴的微液滴中。
本发明与现有技术相比，其显著优势在于：
（1）利用单基板结构的微流控器件实现了液滴的配发。
（2）可同时生成多个液滴，提高了配发液滴和生物分子富集效率。
（3）相比于双基板结构的微流控芯片，结构更加简单，制作简便。
附图说明
图1是本发明基于介电泳的生物分子富集装置的俯视图，此时液滴位于芯片上电极的一端。
图2是本发明电源开关闭合后液柱形成阶段俯视图。
图3是本发明开关断开后微液滴形成的阶段俯视图。
图4是图2的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
本发明利用平行电极结构产生的介电泳力配发多个微液滴，根据生物分子粒径不同，实现生物分子的富集。
结合图1至图4，本发明所述的一种基于介电泳的生物分子富集装置，包括第一电极1、第二电极2、基板3、介质层4、疏水层5、电源和开关；第一电极1和第二电极2平行设置在基板3上表面，第一电极1和第二电极2上表面涂有介质层4，介质层4上表面涂有疏水层5，第一电极1和第二电极2通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断电，第一电极1和第二电极2的外侧壁上等间隔设置了周期性的半圆结构。第一电极1上设置了周期性的半圆结构的外侧壁为远离第二电极2的侧壁；第二电极2上设置了周期性的半圆结构的外侧壁为远离第一电极1的侧壁。
所述周期性半圆结构的间距等于液柱的最不稳定波长，可以使配发出的每个微液滴都具有相同的体积。所述周期性半圆结构的周期λ，有如下计算公式：
λ=9.016(w + g/2)
其中w是电极宽度，g是电极间距。
所述电源电压为交流电压电压频率＞10KHz，电压大小＞60V。当开关闭合，液滴会在介电泳力的作用下沿着电极延伸，当延伸到某个位置时，液体会达到一个新的电液式平衡状态，延伸停止；此时去除电压，新的平衡被打破，于是沿电极延伸的液体便会在电极的半圆结构处形成一个个规则的微液滴。生物大分子7会在靠近母液滴的微液滴中富集，生物小分子8会在远离母液滴的微液滴中富集。
所述生物分子包括细胞、细菌和蛋白质等。
一种基于介电泳的生物分子富集装置的控制方法，方法步骤如下：
步骤1、将液体6置入第一电极1和第二电极2一端。
步骤2、将开关闭合，液体6将会沿着第一电极1和第二电极2的方向由介电泳力延伸出一个液柱。
步骤3、将开关断开，液柱就会断裂成多个微液滴，生物大分子7会富集在靠近母液滴的微液滴中，生物小分子8会富集在远离母液滴的微液滴中。
本发明所述一种基于介电泳的生物分子富集装置微液滴配发装置的制作工艺如下：
1、利用金属镀膜和湿法刻蚀的方法在基板3上制备第一电极1和第二电极2，电极材料可选用铜、铝或金等。
2、在第一电极1和第二电极2上修饰介质层4，材料可选用派若琳等。
3、在介质层4上修饰一层疏水层5，材料可选用特氟龙等。
本发明的优点在于利用单基板结构的微流控器件实现了液滴的配发和生物分子的快速富集，并且可同时生成多个液滴，提高了配发液滴和富集效率；相比于双基板结构的微流控芯片，结构更加简单，制作简便。
Claims (7)
1.一种基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：利用平行电极结构产生的介电泳力配发多个微液滴，根据生物分子粒径不同，实现生物分子的富集。
2.根据权利要求1所述的基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：包括第一电极（1）、第二电极（2）、基板（3）、介质层（4）、疏水层（5）、电源和开关；第一电极（1）和第二电极（2）平行设置在基板（3）上表面，第一电极（1）和第二电极（2）上表面涂有介质层（4），介质层（4）上表面涂有疏水层（5），第一电极（1）和第二电极（2）通过导线连接在电源两端，并通过开关控制通断电，第一电极（1）和第二电极（2）的外侧壁上等间隔设置了周期性的半圆结构。
3.根据权利要求2所述的基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：所述周期性半圆结构的间距等于液柱的最不稳定波长，确保了配发的液滴都具有相同体积。
4.根据权利要求2所述的基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：第一电极（1）上设置了周期性的半圆结构的外侧壁为远离第二电极（2）的侧壁；第二电极（2）上设置了周期性的半圆结构的外侧壁为远离第一电极（1）的侧壁。
5.根据权利要求2所述的基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：电源电压为交流电压，电压频率＞10KHz，电压大小＞60V。
6.根据权利要求2所述的基于介电泳的生物分子富集装置，其特征在于：所述生物分子包括细胞、细菌和蛋白质。
7.一种基于1-6中任意一项所述的基于介电泳的生物分子富集装置的控制方法，其特征在于：方法步骤如下：
步骤1、将液体（6）置入第一电极（1）和第二电极（2）一端；
步骤2、将开关闭合，液体（6）将会沿着第一电极（1）和第二电极（2）的方向由介电泳力延伸出一个液柱；
步骤3、将开关断开，液柱就会断裂成多个微液滴，生物大分子（7）会富集在靠近母液滴的微液滴中，生物小分子（8）会富集在远离母液滴的微液滴中。
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| KR20150044749A (ko) * | 2013-10-17 | 2015-04-27 | 한국기계연구원 | 입자 분리 장치 |
| CN108339581A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-07-31 | 南京理工大学 | 基于介电泳的表面微液滴配发结构、制备方法及配发方法 |
| CN108918797A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-11-30 | 武汉友芝友医疗科技股份有限公司 | 一种血小板分离富集方法、血小板作用药物的试药方法及试药芯片 |
| CN109261361A (zh) * | 2018-08-08 | 2019-01-25 | 青岛大学 | 一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器 |
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