CN111744563A - 微流体控制系统及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种微流体控制系统，包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，用于使样本从所述开口进入进样区域。本申请还提供了所述微流体控制系统的制作方法和使用所述微流体控制系统的检测方法。

Description

微流体控制系统及其制作方法
技术领域
本申请涉及自动生物化学检测技术领域，更具体地，本申请涉及微流体控制系统及其制作方法。
背景技术
微流体控制技术能够实现对微小液滴的精准控制和操控。基于介电润湿技术的数字微流体控制采用电学信号驱动，具有驱动力强、操控简便、芯片结构简单、自动化程度高等优点, 是片上实验室系统的重要组成部分。
电流体动力驱动是一种利用交变电场来驱动流体运动的技术。根据驱动原理的不同，又可分为交流电渗效应和交流电热效应。交流电渗效应作用于流体中位于电极表面的离子和可被极化的粒子，通过粒子的运动来带动流体的移动。交流电热效应利用导电流体产生焦耳热效应，导致溶液电属性的变化，在不均匀电场的作用下，流体中产生净电荷，引发电场作用力，带动流体运动。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种微流体控制系统，包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，用于使样本从所述开口进入进样区域。
在一个实施例中，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，用于驱动所述样本。
在一个实施例中，所述驱动电极包括两组相对设置的指状电极。
在一个实施例中，在所述下基板的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域的表面上设置上亲水层。
在一个实施例中，在所述下基板上的检测区域设置储液区，所述储液区与所述进样区域相邻设置，并且在所述储液区设置有电极。
在一个实施例中，在所述下基板上的检测区域设置有控制电极，所述控制电极是正方形块状电极。
在一个实施例中，在所述下基板上的检测区域的与上基板相对的表面上设置有介电层，在所述介电层上设置下疏水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的检测区域相对应的区域的表面上设置上疏水层。
根据本申请的另一个方面，提供一种微流体控制系统的制作方法，包括：将下基板划分为进样区域和检测区域，在所述进样区域设置驱动电极，并且在所述检测区域设置控制电极；以及在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口。
在一个实施例中，所述微流体控制系统的制作方法还包括：在所述下基板上的检测区域的与上基板相对的表面上设置介电层，在所述介电层上设置下疏水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的检测区域相对应的区域的表面上设置上疏水层；以及在所述下基板上的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域的表面上设置上亲水层。
根据本申请的另一个方面，提供一种使用微流体控制系统的检测方法，所述微流体控制系统包括上基板和下基板，所述下基板划分为检测区域和进样区域，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，在所述下基板上的检测区域设置储液区电极和控制电极，所述储液区电极与驱动电极相邻，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置加样口，所述检测方法包括：将流体样本通过所述加样口注入到微流体控制系统中；通过施加到所述驱动电极的电压控制所述流体样本向检测区域移动；通过施加到储液区电极的电压控制流体样本进入储液区；以及通过施加到控制电极的电压控制流体样本的检测。
根据本申请的另一个方面，提供一种微流体控制系统的制作方法，所述微流体控制系统包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，在所述下基板上的检测区域设置储液区和控制电极，所述储液区与进样区域相邻设置并且设置有电极，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，所述检测方法包括：将流体样本通过所述开口注入到微流体控制系统中；通过施加到位于进样区域的驱动电极的电压控制所述流体样本向检测区域移动；通过施加到位于储液区的电极的电压控制流体样本进入储液区；以及通过施加到控制电极的电压控制流体样本的检测。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更加清楚地理解以上和其它方面、特征和其它优点，其中：
图1是根据本申请一个实施例的微流体控制系统的示意图；
图2是图1所示的微流体控制系统的侧视图；
图3是图1所示的微流体控制系统的工作示意图；
图4是根据本申请一个实施例的微流体控制系统的制作方法的流程图；
图5是根据本申请一个实施例的使用微流体控制系统的检测方法的流程图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本公开构思的示例性实施例。
然而，本公开构思可按照许多不同形式例示，并且不应理解为限于本文阐述的特定实施例。此外，提供这些实施例是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本公开构思的范围完全传递给本领域技术人员。
为了清楚起见，在附图中可夸大示出元件的形状和尺寸。并且相同的附图标记将用于始终指代相同或相似的元件。
微流体控制器件是芯片上实验室（lab-on-a-chip）的关键部件，应用于要求精密流体控制的各种器件，诸如蛋白质芯片、DNA芯片、药物输送系统、微型综合分析系统和微反应器等。然而，由于数字微流体控制芯片的表面和盖板均采用疏水处理，导致从外部加样十分困难。
本申请的目的在于提供一种可实现自动加样的数字微流体控制系统，用以解决封闭式数字微流体控制器件难以从外部加样的技术问题。
图1是根据本申请一个实施例的微流体控制系统的示意图。
如图1所示，左侧虚线框为进样区域，右侧虚线框为检测区域。
所述进样区域包括两组相对设置的驱动电极，可对这两组驱动电极施加交流电信号。驱动电极可以是非对称的指状电极结构，两组驱动电极中的电极条的宽度可以不同。两组驱动电极中的电极条交叉排列。较窄的驱动电极的每个电极条的宽度可以为5-10μm，长度为8mm。较宽的驱动电极的每个电极条的宽度可以为较窄的电极条的五倍左右，大约在50-100μm，长度与较窄的电极条相同。交叉排列的较窄的电极条与较宽的电极条之间的间距可以为5-10μm。上面给出的数值仅作为举例，而不是具体限定，本领域技术人员可以根据具体的产品需求调整数值范围。
所述检测区域包括储液区和控制电极。所述储液区与进样区域相邻设置，并且在所述储液区设置有电极。所述控制电极可以由多个正方形的块状电极组成，每个块状电极的边长可以为3mm。储液区的长度可以为控制电极的总长度的3倍左右，大约9-10mm，宽度可以为5-10mm。上面给出的数值仅作为举例，而不是具体限定，本领域技术人员可以根据具体的产品需求调整数值范围。
根据本申请实施例的微流体控制系统的加样口位于进样区域，用于使流体样本从外部通过加样口进入所述微流体控制系统中。
图2是图1所示的微流体控制系统的侧视图。
如图2所示，左侧虚线框为进样区域，右侧虚线框为检测区域。
进样区域从下至上依次为：下基板、驱动电极、下亲水层、流体通道、上亲水层、上基板。加样口位于与进样区域相对应的上基板处，用于使流体样本从外部进入所述微流体控制系统中。具体地，可以在与进样区域相对应的上基板处形成开口以作为加样口。
检测区域从下至上依次为：下基板、金属电极阵列、介电层、下疏水层、流体通道、上疏水层和上基板。所述金属电极阵列包括位于储液区的电极和控制电极。
可替换地，上基板和下基板可以采用具有亲水性的材料制作，在进样区域的上基板和下基板处就不需要形成亲水层。这样，可以减少制作微流体控制系统的工艺步骤。
图3是图1所示的微流体控制系统的工作示意图。
如图3所示，描述了根据本申请实施例的微流体控制系统完成加样的完整工作方式。
首先，利用移液器将流体样本通过位于进样区域的加样口注入到封闭的微流体控制系统中。由于加样口位于与进样区域相对应的上基板处，并且与进样区域相对应的上基板的表面具有亲水性，因此流体样本能够容易地进入微流体控制系统中。
接着，给两组相对设置的驱动电极施加交流信号。交流电信号的幅值可以为1-10V，频率可以为1-100kHz，具体数值可以根据所驱动的流体样本的性质和选用的电极材料决定。在交流信号的驱动下，流体样本将会产生向右侧的横向移动，逐渐移动到位于检测区域的储液区。
与具有亲水表面的进样区域不同，检测区域具有疏水表面，因此当流体样本靠近检测区域的储液区时，需要给位于储液区的电极施加50-100V的电压，使其表面改变成具有亲水性，从而使流体样本能够顺利地流入储液区中。
在流体样本进入储液区后，就完成了微流体控制系统的自动加样。然后可以进行液滴生成、驱动、检测等各种操控。在此不再赘述。
图4是根据本申请一个实施例的微流体控制系统的制作方法的流程图。
如图4所示，根据本申请一个实施例的微流体控制系统的制作方法包括步骤S41至S42。
在步骤S41，将下基板划分为检测区域和进样区域，在所述进样区域设置驱动电极，并且在所述检测区域设置储液区和控制电极，所述储液区与进样区域相邻设置并且设置有电极。
在步骤S42，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，用于使样本从外部通过所述开口进入所述微流体控制系统中。
在步骤S41中，可以通过同一构图工艺在下基板上形成驱动电极、控制电极和位于储液区的电极。驱动电极、控制电极和位于储液区的电极可以使用相同的材料形成，并且可以包括（但不限于）镍（Ni）、铜（Cu）、铅（Pb）、铂（Pt）、金（Au）、钛（Ti）及其合金。根据本申请的其他实施例，驱动电极、控制电极和位于储液区的电极可以通过不同的构图工艺形成和/或包括不同的材料。
根据本申请实施例的微流体控制系统的制作方法还可以包括：在所述下基板上的检测区域的与上基板相对的表面上设置介电层，在所述介电层上设置下疏水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的检测区域相对应的区域的表面上设置上疏水层；以及在所述下基板上的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域的表面上设置上亲水层。
可替换地，如果上基板和下基板采用具有亲水性的材料形成，那么可以省略在所述下基板上的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层以及在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置上亲水层的工艺步骤。
图5是根据本申请一个实施例的使用微流体控制系统的检测方法的流程图。
如图5所示，根据本申请一个实施例的使用微流体控制系统的检测方法包括步骤S51-S54。
所述微流体控制系统包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，在所述下基板上的检测区域设置储液区和控制电极，所述储液区与进样区域相邻设置并且设置有电极，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口。
在步骤S51，将流体样本通过所述开口注入到微流体控制系统中。
在步骤S52，通过施加到位于进样区域的驱动电极的电压控制所述流体样本向检测区域移动。
在步骤S53，通过施加到位于储液区的电极的电压控制流体样本进入储液区。
在步骤S54，通过施加到位于检测区域的控制电极的电压控制流体样本的检测。
为了克服由于表面具有疏水性而导致的流体样本难以进入微流体控制系统中的问题，本申请提出了一种微流体控制系统，将驱动电极结构与微流体控制电极结构集成到同一芯片上，利用电流体动力学中对流体的驱动效应将流体样本输运至检测区域，从而实现了微流体控制系统的自动加样过程。
本申请在不改变现有的微流体控制芯片结构的前提下，将驱动电极结构与微流体控制电极结构集成在一起，利用驱动电极表面不需要进行疏水处理的优势，将流体样本首先加入进样区域，然后再利用交流电渗和交流电热效应将流体样本驱动至检测区域，为微流体控制系统增加了自动加样的功能。
此外，本申请涉及到的驱动电极的结构设计简单，无需任何特殊工艺，只需通过施加特定的电压信号来实现流体驱动，并不会影响微流体控制系统的功能性和完整性。
虽然已经示出并说明了根据本公开的各个实施例，但本领域普通技术人员应当理解的是，可以对这些示例性实施例在形式和细节方面做出各种改变而不背离由所附权利要求书限定的本公开构思的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微流体控制系统，包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，用于使样本从所述开口进入进样区域。
2.如权利要求1所述的微流体控制系统，其中，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，用于驱动所述样本。
3.如权利要求2所述的微流体控制系统，其中，所述驱动电极包括两组相对设置的指状电极。
4.如权利要求1所述的微流体控制系统，其中，在所述下基板的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域的表面上设置上亲水层。
5.如权利要求1所述的微流体控制系统，其中，在所述下基板上的检测区域设置储液区，所述储液区与所述进样区域相邻设置，并且在所述储液区设置有电极。
6.如权利要求1所述的微流体控制系统，其中，在所述下基板上的检测区域设置有控制电极，所述控制电极是正方形块状电极。
7.如权利要求1所述的微流体控制系统，其中，在所述下基板上的检测区域的与上基板相对的表面上设置有介电层，在所述介电层上设置下疏水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的检测区域相对应的区域的表面上设置上疏水层。
8. 一种微流体控制系统的制作方法，包括：
将下基板划分为进样区域和检测区域，在所述进样区域设置驱动电极，并且在所述检测区域设置储液区和控制电极，所述储液区与进样区域相邻设置并且设置有电极；以及
在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口。
9. 如权利要求8所述的微流体控制系统的制作方法，还包括：
在所述下基板上的检测区域的与上基板相对的表面上设置介电层，在所述介电层上设置下疏水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的检测区域相对应的区域的表面上设置上疏水层；以及
在所述下基板上的进样区域的与上基板相对的表面上设置下亲水层，并且在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域的表面上设置上亲水层。
10.一种使用微流体控制系统的检测方法，所述微流体控制系统包括上基板和下基板，所述下基板划分为进样区域和检测区域，在所述下基板上的进样区域设置驱动电极，在所述下基板上的检测区域设置储液区和控制电极，所述储液区与进样区域相邻设置并且设置有电极，在所述上基板的与所述下基板上的进样区域相对应的区域设置开口，所述检测方法包括：
将流体样本通过所述开口注入到微流体控制系统中；
通过施加到位于进样区域的驱动电极的电压控制所述流体样本向检测区域移动；
通过施加到位于储液区的电极的电压控制流体样本进入储液区；以及
通过施加到控制电极的电压控制流体样本的检测。
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