CN110665556A - 基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法 - Google Patents

基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法。芯片包括电极阵列层和介电疏水复合层两个部分，介电疏水复合层布置于电极阵列层之上；电极阵列层包括印刷电路板基板和电极阵列，电极阵列是由多个驱动电极单元阵列布置构成，驱动电极单元中间设电路板过孔，电路板过孔贯穿于印刷电路板基板周围布置焊盘；介电疏水复合层贴附于电极阵列上面；介电疏水复合层上设有试剂液滴，向各个驱动电极单元施加不同/相同的电压带动试剂液滴在介电疏水复合层上快速运动。本发明提出的工艺可以大大降低数字微流芯片制备成本，避免材料表面吸附生物试剂带来交叉感染的可能，提高微流控的灵活性和稳定性。

Description

基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法
技术领域
本发明涉及微流控领域的一种微流控芯片及制备方法，尤其是涉及了一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法。
背景技术
当前在药物研发、疾病检测、基因检测等领域涉及到相关生物化学实验时，需要实验人员使用移液枪、试剂盒、试管等工具进行实验。大量重复步骤和实验试剂的使用造成实验资源的极大浪费。微流控技术在芯片上设计不同的通道实现液体的混合反应功能，结合一定的检测手段可以将反应和检测步骤集中在一个芯片上，反应试剂液滴(10)体积降低到纳升甚至皮升级别，通过控制芯片电场变化操纵反应试剂液滴(10)自主完成实验，大大减少了实验步骤、试剂消耗和人力投入，是一种降低实验成本的有效手段。
区别于利用微阀微泵控制液体或空气压力实现反应液输送的传统连续微流控技术，数字微流控技术可利用电场独立控制试剂液滴(10)。数字微流控芯片可以实现试剂液滴(10)的输送、融合、分裂和分配，通过对电极阵列电场的控制并结合适当的检测手段可以实现复杂的生化试验自动化。
传统的数字微流控芯片制备方法采用MEMS制造工艺(MicrofabricationProcess)，该工艺对制备环境要求严格，所需设备价格昂贵，且制作过程复杂，不适合大批量的生产和应用。此外，采用传统MEMS工艺制备获得的数字微流控芯片在芯片重复利用上也存在一些问题。在实验过程中容易击穿介电层或者发生生物污染导致芯片无法继续使用，实验成本进一步提高，不利于后续投入实际应用。
现有的数字微流控芯片其制备工艺需要通过光刻技术实现电极的制备，需要配套的仪器以及超净室，这提高了芯片的制备的条件。传统芯片两种不同的物质分别组成介电层和疏水层，每一层制备工艺通常采用旋涂工艺，步骤复杂，并且如果电极厚度太大，会造成介电层和疏水层表现出现“沟壑”这影响到了液滴运动的稳定性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，针对目前数字微流控芯片制备方法复杂，制备成本高等缺点，本发明提供了一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片及快速制备方法。该工艺有效降低数字微流芯片制备成本，为数字微流控芯片的制备提供了一种新的思路。
本发明的技术方案如下：
一、一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片：
芯片包括电极阵列层和介电疏水复合层两个部分，介电疏水复合层布置于电极阵列层之上；电极阵列层包括印刷电路板基板和在印刷电路板基板上表面布置的电极阵列，电极阵列是由多个驱动电极单元阵列布置构成，相邻驱动电极单元之间具有电极间隙，每个驱动电极单元中间设置电路板过孔，电路板过孔贯穿于印刷电路板基板后，在电路板过孔周围的印刷电路板基板下表面布置焊盘；介电疏水复合层整个完整地贴附于电极阵列上面；介电疏水复合层上设有试剂液滴，电极阵列的每个驱动电极单元经电路板过孔引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元施加不同/相同的电压，带动试剂液滴在介电疏水复合层上快速运动，实现微流控芯片的工作。
所述的驱动电极单元为方形电极片，电极阵列是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的方形电极片，电极阵列是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的三角形电极片，电极阵列是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的六边形电极片，电极阵列是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
所述的介电疏水复合层为聚四氟乙烯(PTFE)膜或者全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)膜等。
所述的介电疏水复合层之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
二、一种基于疏水薄膜的可复用单层数字微流控芯片的制备方法，其特征在于：
所述制备方法包括：由电极阵列层采用工业印刷电路板制备方法，例如为PCB板制备方法，通过贴附方法将预先制备好的单层疏水材料平整附着在电极阵列层的上表面形成介电疏水复合层，贴附前在电极阵列层表现涂覆一层油膜使得两层之前的稳定结合，由此非常简单但有效地实现了单层数字微流控芯片的快速制备方法。
这样的制备方法，采用单层疏水材料直接贴附在电极阵列层上，代替了现有技术中通过光刻技术制作形成电极，然后通过多次旋涂的方式制备疏水层和介电层等复杂的制备工艺，介电疏水复合层可以随时取下，解决了传统数字微流控芯片发生击穿后整个芯片报废的技术问题，带来了简单而快速的芯片制备工艺，实现了保证现有稳定性的情况之下降低实验成本的好处。
与传统的MEMS加工数字微流控芯片相比，不需要光刻机、溅射镀膜机等仪器，数字微流控芯片的制备成本得到降低，采用一种疏水材料能同时发挥传统数字微流控芯片介电层和疏水层的功能。
在介电疏水复合层上表面进一步涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
本发明提出的数字微流控芯片总体结构为单层结构，即试剂液滴仅在一块芯片上运动。
本发明的芯片采用疏水薄膜作为介电层和疏水层，具有可复用、制备快速的特点，有效的降低数字微流控芯片制作成本。
本发明的有益效果是：
与传统的MEMS制备方法(Microfabrication Process)相比，本发明提供的数字微流控芯片制备方法不需要严格的超净室环境和溅射镀膜等设备。并且，本发明的数字微流控芯片介电疏水复合层采用现有疏水薄膜贴附形成，不需要旋涂、气象沉积等复杂操作。芯片的制作步骤得到大大简化，制作成本降低。制备完成的数字微流控芯片可以重复使用，能够进一步降低实验成本。
本发明的微流控芯片结构设计和制作工艺下，能更灵活地实现微流控芯片控制，使得试剂液滴运动可选择的路径更加直接、简单有效，并且能提高试剂液滴表面运动的平整性，试剂液滴在平整的介电疏水复合层上运动能显著提高试剂液滴运动的稳定性。
同时，本发明可以让电压击穿膜时更换单元的成本更低更简单，实现很低成本的复用。
附图说明
图1为本发明的单层数字微流控芯片截面图；
图2为本发明的单层数字微流控芯片俯视图；
图3为折线形边缘构成的驱动电极单元结构图；图3中，从(a)到(c)分别是锯齿线组成的正三角形、正方形和正六边形。
图4为折线形边缘的形状示意图；
图5为波浪形边缘构成的驱动电极单元结构图；图5中，从(a)到(c)分别是波浪线组成的正三角形、正方形和正六边形；
图6为波浪形边缘的形状示意图；
图7为折线形边缘驱动电极单元正三角形、正方形和正六边形构成的电极阵列；
图8为波浪形边缘驱动电极单元正三角形、正方形和正六边形构成的电极阵列。
图中：印刷电路板基板1、驱动电极单元2、电路板过孔3、电极间隙4、介电疏水复合层5、焊盘6、电极阵列7、折线形边缘8、波浪形边缘9、试剂液滴10。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，包括电极阵列层和介电疏水复合层5两个部分，介电疏水复合层5布置于电极阵列层之上；电极阵列层包括印刷电路板基板1和在印刷电路板基板1上表面布置的电极阵列7，电极阵列7是由多个驱动电极单元2阵列布置构成，相邻驱动电极单元2之间具有电极间隙4，每个驱动电极单元2中间设置电路板过孔3，电路板过孔3贯穿于印刷电路板基板1后，在电路板过孔3周围的印刷电路板基板1下表面布置焊盘6，通过电路板过孔3将驱动电极单元2连接到印刷电路板基板1下的过孔焊盘6；介电疏水复合层5整个完整地贴附于电极阵列7上面。
介电疏水复合层5上设有试剂液滴10，电极阵列7的每个驱动电极单元2经电路板过孔3引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元2施加不同/相同的电压，带动试剂液滴10在介电疏水复合层5上快速运动，实现微流控芯片的工作。
试剂液滴10采用浓度为0.2mol/L KCl溶液，单个液滴的体积为5μL。
介电疏水复合层5上可设有多个试剂液滴10。疏水层6上可设有多个试剂液滴11。试剂液滴11可以是多种组分构成的多个液滴情况下可以根据实验的需求选择多种试剂分别作为不同的液滴参与实验。多个试剂液滴11可以通过在液滴附近的电极上施加电场来分别控制液滴的运动。在液滴11附近的电极单元14上施加电场后，液滴会在电场的作用下向电极单元14运动，即液滴操作步骤中的输送步骤。通过这种方式也可以控制两个液滴运动到同一个电极上完成融合步骤。在液滴11附近的电极驱动单元14、15、16同时加入电场后，关闭驱动单元15的电场可以实现液滴的分裂步骤，即一个液滴分裂为两个液滴。通过以上液滴输送、融合以及分裂步骤的互相配合可以实现复杂的实验方案的设计。
电极阵列层采用工业印刷电路板工艺；介电疏水复合层5采用贴附方法附在电极阵列层上。
具体实施中，电极阵列层中的驱动电极单元2可以是不同形状和形态，并且以不同阵列方式排布：
如图3(b)、图5(b)、图7(b)和图8(b)所示，驱动电极单元2为方形电极片，电极阵列7是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
驱动电极单元2是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘8或者波浪形边缘9的方形电极片，电极阵列7是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
如图3(a)、图5(a)、图7(a)和图8(a)所示，驱动电极单元2是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘8或者波浪形边缘9的三角形电极片，电极阵列7是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
如图3(c)、图5(c)、图7(c)和图8(c)所示，驱动电极单元2是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘8或者波浪形边缘9的六边形电极片，电极阵列7是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
电极阵列形状根据需要设计不同排列规则。如附图1和附图2中电极阵列5由3×3正方形电极阵列组成。电极的排列方式不局限于3×3结构。
当控制液滴在三角形电极片作为驱动电极单元时，液滴运动的方向在平面上有三个方向；当控制液滴在六边形电极片作为驱动电极单元时，液滴运动的方向在平面上有六个方向。实验中发现，液滴运动时的自由度与组成的电极阵列形状有关，构成电极形状的多边形边数越多，液滴运动选择的方向也就越多，由此可实现控制液滴完成更加复杂的运动路径。
分别如图4和图6所示，折线形边缘8由连续折线构成。波浪形边缘9由连续波浪线构成。
相邻的驱动电极单元7之间的间距范围为50μm及以上，具体可以为50μm-150μm。驱动电极单元7边长范围为0.5mm-10mm。
介电疏水复合层6是一种具有一定疏水性的材料，具体为聚四氟乙烯PTFE膜或者全氟乙烯丙烯共聚物FEP膜等。介电疏水复合层6的厚度范围为0.5μm-100μm。
介电疏水复合层6之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。油膜用于保证复合层6与电极阵列7之间间隙稳定并排除气泡。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
首先，采用工业印刷电路板制备方法制备获得电极阵列层。电极阵列层中是由形状、大小一致的方形电极片的驱动电极单元2以方形阵列布置构成，按照对应边平行，边与边之间间距相等的原则均匀排布。
然后，介电疏水层采用具有疏水特性的材料如聚四氟乙烯PTFE、全氟乙烯丙烯共聚物FEP形成的薄膜，将预先制备好的介电疏水材料薄膜贴附在驱动电极单元构成的电极阵列层的表面，利用硅油、食用油等将薄膜与电极阵列层表面的空气去除，同时保证薄膜能够稳定地贴附在电极阵列层表面。
在介电疏水复合层贴附完毕后，在介电疏水复合层表面加入一层硅油的油膜，能够降低实验施加的电压。
最后，在介电疏水复合层6当发生电击穿现象或者进行其他实验时，可以将表面的介电疏水复合层6取下，重新贴附一层薄膜即可，这样可以实现数字微流控芯片复用，通过这种方法可以避免材料表面吸附生物试剂带来交叉感染的可能，并且还能大大降低数字微流控芯片的实验成本。
由此实施可见，本发明提出数字微流芯片及其制备方法在制备成本上都具有很大的优势，为数字微流控芯片投入实际应用提供了一种新思路。

Claims (9)

1.一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：包括电极阵列层和介电疏水复合层(5)两个部分，介电疏水复合层(5)布置于电极阵列层之上；电极阵列层包括印刷电路板基板(1)和在印刷电路板基板(1)上表面布置的电极阵列(7)，电极阵列(7)是由多个驱动电极单元(2)阵列布置构成，相邻驱动电极单元(2)之间具有电极间隙(4)，每个驱动电极单元(2)中间设置电路板过孔(3)，电路板过孔(3)贯穿于印刷电路板基板(1)后，在电路板过孔(3)周围的印刷电路板基板(1)下表面布置焊盘(6)；介电疏水复合层(5)整个完整地贴附于电极阵列(7)上面；介电疏水复合层(5)上设有试剂液滴(10)，电极阵列(7)的每个驱动电极单元(2)经电路板过孔(3)引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元(2)施加不同/相同的电压，带动试剂液滴(10)在介电疏水复合层(5)上快速运动，实现微流控芯片的工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(2)为方形电极片，电极阵列(7)是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(2)是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘(8)或者波浪形边缘(9)的方形电极片，电极阵列(7)是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(2)是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘(8)或者波浪形边缘(9)的三角形电极片，电极阵列(7)是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(2)是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘(8)或者波浪形边缘(9)的六边形电极片，电极阵列(7)是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的介电疏水复合层(6)为聚四氟乙烯(PTFE)膜或者全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)膜等。
7.根据权利要求1所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片，其特征在于：所述的介电疏水复合层(6)之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
8.应用于权利要求1-7任一所述单层数字微流控芯片的一种制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：由电极阵列层采用工业印刷电路板制备方法，通过贴附方法将预先制备好的单层疏水材料平整附着在电极阵列层的上表面形成介电疏水复合层(6)。
9.根据权利要求8所述的一种基于疏水薄膜可复用单层数字微流控芯片的制备方法，其特征在于：在介电疏水复合层(6)上表面进一步涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
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