CN111250184B - 微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置，属于微流控技术领域。微流控芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板；第一基板和第二基板之间形成至少一个检测通道，每一检测通道包括：相对设置的第一电极和第二电极，第一电极包括多个间隔开的第一电极单元，第二电极包括多个间隔开的第二电极单元，其中，每个第一电极单元和相应的第二电极单元相对设置；位于第二电极朝向第一电极一侧的介电层，介电层采用有机树脂；以及位于第一电极和介电层之间的第一疏水层和第二疏水层，其中，第一疏水层和第二疏水层之间具有间隙，形成液滴容置空间。通过本发明的技术方案，能够提高金属离子的检测速度，降低检测金属离子的驱动电压。

Description

微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别是指一种微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置。

背景技术

微流控技术(Microfluidics)是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，通过此技术，研究人员可以把样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块厘米级芯片上。此技术一般应用于生物、环境、化学、制药等领域的微量样品的分析过程，其中金属离子检测是水质检测、血液检测等过程的重要检测项目。微流控技术对于生物医疗、药物诊断、食品卫生、环境监测等领域的发展具有重要的意义。

现有的金属离子检测普遍通过比色法、称重法、原子光谱法等方法完成，但是比色法、称重法的检测灵敏度较低，而原子光谱法等方法操作复杂，普通人难以掌握，并且需要在特定大型仪器中完成，便携性极差。上述所有方法均需采样后将样品送到相关实验室完成，无法实现实时检测，增加了水质检测的成本。

微流控芯片技术凭借其高集成度、低成本、易操作等优势获得了越来越多的研究人员的关注。但是目前用于离子检测的微流控芯片所需电压普遍较高，如基于电泳原理实现金属离子检测的微流控芯片需要上千伏的操控电压，其安全性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置，能够提高金属离子的检测速度，降低检测金属离子的驱动电压。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种微流控芯片，包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

所述第一基板和所述第二基板之间形成至少一个检测通道，每一检测通道包括：

相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极包括多个间隔开的第一电极单元，所述第二电极包括多个间隔开的第二电极单元，其中，每个第一电极单元和相应的第二电极单元相对设置；

位于所述第二电极朝向所述第一电极一侧的介电层，所述介电层采用有机树脂；以及

位于所述第一电极和所述介电层之间的第一疏水层和第二疏水层，其中，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间具有间隙，形成液滴容置空间。

可选的，所述介电层的厚度小于2微米。

可选的，所述检测通道包括：

用于存储待检测液滴的第一储液区；

用于对待检测液滴中的目标金属离子进行检测的检测区；

用于存储样本液滴的第二储液区；

用于存储废液的废液区；

所述第一储液区与所述检测区连通，所述第二储液区与所述检测区连通，所述废液区与所述检测区连通。

可选的，位于所述检测区的第二电极单元包括主电极和位于所述主电极两侧的副电极，所述主电极和所述副电极之间具有间隙。

可选的，所述检测通道还包括：

用于沉淀待检测液滴中的非目标金属离子的沉淀区，所述沉淀区位于所述第一储液区和所述检测区之间。

可选的，所述液滴容置空间内填充有驱动液，所述待检测液滴能够在所述驱动液内移动。

本发明实施例还提供了一种金属离子检测装置，包括如上所述的微流控芯片。

本发明实施例还提供了一种微流控芯片的工作方法，应用于如上所述的微流控芯片，包括：

将待检测液滴导入所述液滴容置空间；

对相对设置的第一电极和第二电极依次施加多组驱动信号，以使得所述待检测液滴移动，其中，施加每一组驱动信号包括：在所述待检测液滴的移动方向侧的、距离所述待检测液滴最近的第一电极单元和第二电极单元上施加电性相同的驱动电压，和在其余的第一电极单元和第二电极单元上施加接地电压。

可选的，所述工作方法包括：

驱动所述第一储液区的待检测液滴进入所述检测区，调整待检测液滴的位置，使得待检测液滴的中心与所述主电极的中心重合，且所述待检测液滴的下表面覆盖部分所述副电极；

调整所述主电极和所述副电极上的电压，使得所述介电层两侧的电势差大于所述介电层电击穿的临界值，利用氧化还原反应完成待检测液滴中金属离子的置换，置换出的金属沉积在所述第二疏水层表面；

驱动完成金属离子置换的待检测液滴进入所述废液区；

驱动所述第二储液区的样本液滴进入所述检测区；

调整所述主电极和所述副电极上的电压，利用氧化还原反应使得所述样本液滴溶解置换出的金属；

监控所述样本液滴的电流信号的变化，确定所述样本液中金属离子的浓度。

可选的，所述工作方法还包括：

驱动所述第一储液区的待检测液滴进入所述沉淀区，完成待检测液滴中非目标金属离子的沉淀。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，介电层采用有机树脂，利用电压调控可以控制介电层的可逆介电击穿，这样在利用微流控芯片对液滴中的金属离子进行检测时，通过控制介电层的可逆介电击穿，可以使得待检测液滴发生氧化还原反应，进而实现金属离子的检测，本发明的技术方案基于氧化还原反应实现金属离子的检测，金属离子检测速度高，并且降低了对驱动电压的要求，还可以实现实时检测。

附图说明

图1为本发明实施例微流控芯片的平面示意图；

图2为本发明实施例微流控芯片在AA’方向上的截面示意图。

附图标记

1 第一储液区

2 第一电极单元

3 金属层

4 沉淀区

5 检测区

6 第二储液区

7 废液区

8 绑定区

9 第一基板

10 第一疏水层

11 驱动液

12 待检测液滴

13 第二疏水层

14 介电层

15 第二基板

16 副电极

17 主电极

18 第二电极单元

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例提供一种微流控芯片及其工作方法、金属离子检测装置，能够提高金属离子的检测速度，降低检测金属离子的驱动电压。

本发明实施例提供一种微流控芯片，如图1和图2所示，包括：

相对设置的第一基板9和第二基板15；

所述第一基板9和所述第二基板15之间形成至少一个检测通道，每一检测通道包括：

相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极包括多个间隔开的第一电极单元2，所述第二电极包括多个间隔开的第二电极单元18，其中，每个第一电极单元2和相应的第二电极单元18相对设置；

位于所述第二电极朝向所述第一电极一侧的介电层14，所述介电层14采用有机树脂；以及

位于所述第一电极和所述介电层14之间的第一疏水层10和第二疏水层13，其中，所述第一疏水层10和所述第二疏水层13之间具有间隙，形成液滴容置空间。

本实施例中，介电层14采用有机树脂，利用电压调控可以控制介电层14的可逆介电击穿，这样在利用微流控芯片对液滴中的金属离子进行检测时，通过控制介电层14的可逆介电击穿，可以使得待检测液滴12发生氧化还原反应，进而实现金属离子的检测，本发明的技术方案基于氧化还原反应实现金属离子的检测，金属离子检测速度高，并且降低了对驱动电压的要求，还可以实现实时检测。

其中，可以在第一基板9朝向第二基板15的一侧形成整层的金属层3，然后对金属层3进行构图形成第一电极单元2，第一电极单元2与周围的金属层3相互独立，可被控制单独给电。

每种介电层14的电击穿临界电压与厚度的比为固定值，介电层14的厚度越大，则介电层14的电击穿临界电压越大，为了降低介电层14的电击穿临界电压，提高微流控芯片操控的安全性，所述介电层14的厚度可以小于2微米，具体可以为1.5微米。具体地，本实施例所用树脂的电击穿临界电压约为233kV/cm。

本实施例中，微流控芯片可以包括有一条或者多条检测通道，在微流控芯片包括多条检测通道时，每一检测通道可以对应一特定金属离子的检测。一具体示例中，如图2所示，微流控芯片可以包括四个检测通道，当然，检测通道的数目并不局限为四个，还可以为其他数量，可以根据实际情况进行调整。

如图1所示，每一所述检测通道包括：

用于存储待检测液滴12的第一储液区1；

用于对待检测液滴12中的目标金属离子进行检测的检测区5；

用于存储样本液滴的第二储液区6；

用于存储废液的废液区7；

所述第一储液区1与所述检测区5连通，所述第二储液区6与所述检测区5连通，所述废液区7与所述检测区5连通。

另外，如图1所示，微流控芯片还包括绑定区8，用于与电路板进行绑定。

对于不同的检测通道，第一储液区1、第二储液区6和废液区7可以相互连通，检测区5和沉淀区4不连通，是相互独立的。

其中，检测通道内均有第一电极单元2和第二电极单元18分布，并且每个电极单元均可被控制单独给电，通过向第一电极单元2和第二电极单元18施加电信号，可以控制液滴在检测通道内移动。

其中，第一储液区1用来存储待检测液滴12，在微流控芯片断电时，可以向第一储液区1通入待检测液体，通过介电润湿效应，将会在第一储液区1生成待检测液滴12，待检测液滴12中包含有待检测的目标金属离子，其中，目标金属离子的浓度未知。在检测区5可以通过向第一电极单元2和第二电极单元18施加电信号，使得介电层14两侧的电势差大于介电层14电击穿的临界值，利用氧化还原反应完成待检测液滴12中目标金属离子的置换，置换出的金属沉积在所述第二疏水层13表面；发生氧化还原反应后的液滴中不再包含待检测的目标金属离子，为废液，驱动液滴至废液区7进行存储；在第二储液区6存储有样本液滴，样本液滴中可以不包含待检测的目标金属离子，或者样本液滴中包含待检测的目标金属离子，但目标金属离子的浓度已知，驱动样本液滴移动至检测区5，向检测区5的第一电极单元2和第二电极单元18施加电信号，使得介电层14两侧的电势差大于介电层14电击穿的临界值，利用氧化还原反应溶解置换出的金属，之后监控样本液滴的电流信号的变化，可以得到样本液滴中目标金属离子的浓度，根据样本液滴中原有的目标金属离子浓度即可得到置换出的金属的数量，进而可以得到待检测液滴12中目标金属离子的浓度。

另外，待检测液滴12中除了包括目标金属离子外，还可能包含其他离子，其他离子可能会影响检测结果的准确性，为了降低其他离子对检测结果的影响，如图1所示，所述检测通道还包括：

用于沉淀待检测液滴12中的非目标金属离子的沉淀区4，所述沉淀区4位于所述第一储液区1和所述检测区5之间。

在沉淀区4中预设置有各种沉淀剂，沉淀剂可以与待检测液滴12中的非目标金属离子发生反应，产生反应物沉淀在沉淀区4，这样移动至检测区5的液滴将不再包含非目标金属离子，能够排除非目标金属离子的干扰。

为了使得液滴更容易在检测通道内移动，降低驱动液滴移动的驱动电压，如图2所示，所述液滴容置空间内填充有驱动液11，所述待检测液滴12能够在所述驱动液11内移动，降低待检测液滴12移动的阻力。具体地，驱动液11可以采用油性液体。

为了降低用于离子检测的微流控芯片所需电压，提高金属离子检测的安全性，如图2所示，位于所述检测区5的第二电极单元18包括主电极17和位于所述主电极17两侧的副电极16，所述主电极17和所述副电极16之间具有间隙。

通过模拟可知，当液滴仅覆盖主电极17时，介电层14两侧的电势差相对较小，一具体示例中，当主电极17所加电压为60V，副电极16保持0电位，第一电极单元2接地，液滴仅覆盖主电极17时，介电层14两侧的电势差约为20V；而当液滴覆盖主电极17的同时还覆盖部分副电极16时，介电层14两侧的电势差可以达到32V，这样在保证介电层14两侧的电势差达到其电击穿的临界值的情况下，通过控制液滴同时覆盖主电极17和副电极16，可以降低施加到主电极17上的电压。另外，在副电极16的作用下，液滴对应范围外介电层14电势会迅速减小，因此副电极16的设计可有效调控微流控芯片的电场分布，达到对主电极17对应范围外介电层14的保护作用。

本实施例中，在检测区5利用介电层14的可逆介电击穿，实现对待检测液滴12中金属离子的置换，之后利用溶出循环伏安法实现对金属离子浓度的检测。介电层14的介电击穿分为热击穿与电击穿两种类型，其中热击穿是一种不可逆的破坏性的介电击穿，而电击穿则为一种可逆的非破坏性的介电击穿。每种电介质的电击穿临界电压与厚度的比值均为固定值，一具体示例中，可以采用电击穿临界电压约为233kV/cm的树脂作为介电层14，通过控制介电层14的厚度，当主电极17所加电压为60V，副电极16保持0电位，第一电极单元2接地时，介电层14两侧的电势差ΔU＝32V可以基本达到其电击穿的临界值。

本发明实施例还提供了一种金属离子检测装置，包括如上所述的微流控芯片。通过本实施例的金属离子检测装置可以提高金属离子的检测速度，并降低检测金属离子的驱动电压。

本发明实施例还提供了一种微流控芯片的工作方法，应用于上述微流控芯片，包括：

将待检测液滴12导入所述液滴容置空间；

对相对设置的第一电极和第二电极依次施加多组驱动信号，以使得所述待检测液滴12移动，其中，施加每一组驱动信号包括：在所述待检测液滴12的移动方向侧的、距离所述待检测液滴12最近的第一电极单元2和第二电极单元18上施加电性相同的驱动电压，和在其余的第一电极单元2和第二电极单元18上施加接地电压。

在对金属离子进行检测时，所述工作方法包括：

驱动所述第一储液区1的待检测液滴12进入所述检测区5，调整待检测液滴12的位置，使得待检测液滴12的中心与所述主电极17的中心重合，且所述待检测液滴12的下表面覆盖部分所述副电极16；

调整所述主电极17和所述副电极16上的电压，使得所述介电层14两侧的电势差大于所述介电层14电击穿的临界值，利用氧化还原反应完成待检测液滴12中金属离子的置换，置换出的金属沉积在所述第二疏水层13表面；

驱动完成金属离子置换的待检测液滴12进入所述废液区7；

驱动所述第二储液区6的样本液滴进入所述检测区5；

调整所述主电极17和所述副电极16上的电压，利用氧化还原反应使得所述样本液滴溶解置换出的金属；

监控所述样本液滴的电流信号的变化，确定所述样本液中金属离子的浓度。

另外，待检测液滴12中除了包括目标金属离子外，还可能包含其他离子，其他离子可能会影响检测结果的准确性，为了降低其他离子对检测结果的影响，所述工作方法还包括：

驱动所述第一储液区1的待检测液滴12进入所述沉淀区4，完成待检测液滴12中非目标金属离子的沉淀。在沉淀区4中预设置有各种沉淀剂，沉淀剂可以与待检测液滴12中的非目标金属离子发生反应，产生反应物沉淀在沉淀区4，这样移动至检测区5的液滴将不再包含非目标金属离子，可以排除非目标金属离子的干扰。

一具体示例中，金属离子的检测方法包括以下步骤：

步骤1、微流控芯片整体断电，向第一储液区1中通入待检测液体，待检测液体中目标金属离子的浓度未知；

步骤2、通过介电润湿效应，在第一储液区1中生成待检测液滴12，并控制待检测液滴12移动到沉淀区4，于此处完成待检测液滴12中非目标金属离子的沉淀；

步骤3、待非目标金属离子沉淀完成后，驱动液滴至检测区5，并调整液滴中心与主电极17中心重合，如图2所示，保证液滴下表面跨越主电极17区域并覆盖部分副电极16区域；

步骤4、调节两个副电极16电压，保持其电势为0V，调节主电极17电压至-60V，使介电层14两侧电势差大于所用介电层14电击穿的临界值，并且调节上基板的第一电极单元2的电压至0V，利用氧化还原反应完成目标金属离子的置换，置换出的金属沉积于第二疏水层表面；

步骤5、反应完全后，驱动液滴至废液区7；

步骤6、从第二储液区6获得样本液滴，并驱动其至检测区5；

步骤7、调整主电极17电压至+60V，利用氧化还原反应溶解置换出的金属，之后监控检测区5液滴的电流信号的变化，得到其中目标金属离子的浓度根据样本液滴中原有的目标金属离子浓度即可得到置换出的金属的数量，进而可以得到待检测液滴12中目标金属离子的浓度。

通过模拟可知，当液滴仅覆盖主电极17时，介电层14两侧的电势差相对较小，一具体示例中，当主电极17所加电压为60V，副电极16保持0电位，第一电极单元2接地，液滴仅覆盖主电极17时，介电层14两侧的电势差约为20V；而当液滴覆盖主电极17的同时还覆盖部分副电极16时，介电层14两侧的电势差可以达到32V，这样在保证介电层14两侧的电势差达到其电击穿的临界值的情况下，通过控制液滴同时覆盖主电极17和副电极16，可以降低施加到主电极17上的电压。另外，在副电极16的作用下，液滴对应范围外介电层14电势会迅速减小，因此副电极16的设计可有效调控微流控芯片的电场分布，达到对主电极17对应范围外介电层14的保护作用。

本实施例利用电压调控介电层14的可逆介电击穿，通过氧化还原反应实现基于微流控芯片的金属离子检测，解决了传统金属离子检测速度慢、驱动电压高，无法实时检测的问题。并且通过主副电极16组的设计，实现了对介电层14可逆介电击穿的范围的调控。本实施例的方案可用于环境、生物、化学、医学分析过程中的流体样品金属离子浓度的检测，对于生物医疗、药物诊断、环境监测以及生物学等领域的发展具有重要的意义

在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。

需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

所述第一基板和所述第二基板之间形成至少一个检测通道，每一检测通道包括：

相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极包括多个间隔开的第一电极单元，所述第二电极包括多个间隔开的第二电极单元，其中，每个第一电极单元和相应的第二电极单元相对设置；

位于所述第二电极朝向所述第一电极一侧的介电层，所述介电层采用有机树脂；以及

位于所述第一电极和所述介电层之间的第一疏水层和第二疏水层，其中，所述第一疏水层和所述第二疏水层之间具有间隙，形成液滴容置空间；

所述检测通道包括：

用于存储待检测液滴的第一储液区；

用于对待检测液滴中的目标金属离子进行检测的检测区；

用于存储样本液滴的第二储液区；

用于存储废液的废液区；

所述第一储液区与所述检测区连通，所述第二储液区与所述检测区连通，所述废液区与所述检测区连通；

位于所述检测区的第二电极单元包括主电极和位于所述主电极两侧的副电极，所述主电极和所述副电极之间具有间隙；调整所述主电极和所述副电极上的电压，使得所述介电层两侧的电势差大于所述介电层电击穿的临界值，利用氧化还原反应完成待检测液滴中金属离子的置换。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述介电层的厚度小于2微米。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述检测通道还包括：

用于沉淀待检测液滴中的非目标金属离子的沉淀区，所述沉淀区位于所述第一储液区和所述检测区之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴容置空间内填充有驱动液，所述待检测液滴能够在所述驱动液内移动。

5.一种金属离子检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片。

6.一种微流控芯片的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4中任一项所述的微流控芯片，包括：

将待检测液滴导入所述液滴容置空间；

对相对设置的第一电极和第二电极依次施加多组驱动信号，以使得所述待检测液滴移动，其中，施加每一组驱动信号包括：在所述待检测液滴的移动方向侧的、距离所述待检测液滴最近的第一电极单元和第二电极单元上施加电性相同的驱动电压，和在其余的第一电极单元和第二电极单元上施加接地电压。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的微流控芯片，包括：

驱动所述第一储液区的待检测液滴进入所述检测区，调整待检测液滴的位置，使得待检测液滴的中心与所述主电极的中心重合，且所述待检测液滴的下表面覆盖部分所述副电极；

调整所述主电极和所述副电极上的电压，使得所述介电层两侧的电势差大于所述介电层电击穿的临界值，利用氧化还原反应完成待检测液滴中金属离子的置换，置换出的金属沉积在所述第二疏水层表面；

驱动完成金属离子置换的待检测液滴进入所述废液区；

驱动所述第二储液区的样本液滴进入所述检测区；

调整所述主电极和所述副电极上的电压，利用氧化还原反应使得所述样本液滴溶解置换出的金属；

监控所述样本液滴的电流信号的变化，确定所述样本液中金属离子的浓度。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求3所述的微流控芯片，驱动所述第一储液区的待检测液滴进入所述检测区之前，所述方法还包括：

驱动所述第一储液区的待检测液滴进入所述沉淀区，完成待检测液滴中非目标金属离子的沉淀。

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