CN113522381A - 基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，包括：基底、PDMS盖片和若干电极组件，其中，PDMS盖片覆盖在基底上，PDMS盖片上开设有第一PDMS通道，第一PDMS通道包括第一支路、第二支路、混合通道、第三支路和第四支路；若干电极组件沿着混合通道的方向依次设置在基底上，且均位于混合通道的下方，电极组件包括第一激发电极、第二激发电极和悬浮电极，通过改变悬浮电极上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对待混合的水相溶液进行混合。本发明的液滴产生芯片，通过改悬浮电极上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对待混合的水相溶液进行混合，相比于其他的微混合器，不需要在混合通道中布置复杂的三维导体障碍物。
Description
技术领域
本发明属于细胞分析技术领域，具体涉及一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片。
背景技术
近年来，微流控芯片(Micro-fluidic Chip)在诸如单细胞分析、医疗诊断和高通量筛选等多个领域中获得了越来越多的关注，其主要优势在于加工过程简单快速，样本容量少且反应灵敏度高，分析时间短，原地操作的可能性强等，而在这个过程中，如何对微流控芯片的微流体进行精准的混合从而产生具有不同的环境浓度的微液滴，在医学分析、细胞分析等领域是仍然是一个热点话题。
各式各样的不同环境浓度液滴产生芯片如今依旧是一个热门的研究领域。要想实现差异化的环境浓度，就必须要对液体进行有效的混合，目前微型混合器主要分为主动型和被动型两大类。被动型混合器凭借复杂的结构设计(如类似树形的多分支结构)，或者通过对微通道进行表面处理实现混合目的。主动式的微混合器则需要外部能量，比如声场、电场等，其中应用比较多的是依靠电场下的微混合器。
电驱动微混合器具有结构简单，易于集合等优势。感应电荷电渗现象由 Bazant和Squire等人提出，激发电场在可极化的导体表面感应出电荷后，由该激发电场驱动导体表面双电层中电荷的移动，促使微流体的流动。在该机理的启发下，许多学者设计了众多的高效微混合器，主要手段是借助在微混合通道中设置障碍物，来产生感应电渗流，促进混合，但是由于在微通道中设计了复杂的三维结构，对加工要求较高，是一个巨大的挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，包括：基底、PDMS盖片和若干电极组件，其中，
所述PDMS盖片覆盖在所述基底上，所述PDMS盖片上开设有第一 PDMS通道，所述第一PDMS通道包括第一支路、第二支路、混合通道、第三支路和第四支路，其中，所述第一支路的入口和所述第二支路的入口通入待混合的水相溶液，所述第一支路的出口和所述第二支路的出口均与所述混合通道的入口连接，所述混合通道的出口分别连接所述第三支路的入口和所述第四支路的入口；
若干所述电极组件沿着所述混合通道的方向依次设置在所述基底上，且均位于所述混合通道的下方，所述电极组件包括第一激发电极、第二激发电极和悬浮电极，其中，所述第一激发电极和所述第二激发电极相对设置且平行于所述混合通道的两侧边，所述悬浮电极位于所述第一激发电极和所述第二激发电极之间，通过改变所述悬浮电极上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对所述待混合的水相溶液进行混合。
在本发明的一个实施例中，所述悬浮电极上的电渗滑移的时均流速为：
其中，<uslip>为电渗流滑移的时均流速，εf为溶液介电常数，η为溶液粘度，ζ为诱导zeta电势，
为激发电极表面电势，
为双电层外侧电势，E为激发电极上施加的电场强度，Et为电场切向分量，*为共轭复数，～为复振幅，n为法向量，δ为扩散层电容与Stern层电容之比，Re表示实部。
在本发明的一个实施例中，还包括多个液滴产生结构，多个所述液滴产生结构分别与所述第三支路的出口和所述第四支路的出口一一对应连接，所述液滴产生结构利用流动聚焦法将流入的水相溶液混合溶液，剪切生成液滴，并将所述液滴进行储存。
在本发明的一个实施例中，所述液滴产生结构包括第二PDMS通道和液滴存储腔，所述第二PDMS通道和所述液滴存储腔均开设在所述PDMS 盖片上，所述第二PDMS通道包括油相溶液通路、第一油相支路和第二油相支路，所述液滴存储腔包括液滴通路和存储腔本体，其中，
所述液滴通路的入口与所述第一PDMS通道的出口连接，所述液滴通路的出口与所述存储腔本体连接；
所述油相溶液通路的入口通入油相溶液，出口分别与所述第一油相支路的入口和所述第二油相支路的入口连接；
所述第一油相支路的出口和所述第二油相支路的出口均与所述液滴通路连接，且位于所述液滴通路的相对应的两侧，以对流入所述液滴通路的水相溶液混合溶液剪切生成液滴。
在本发明的一个实施例中，所述第一激发电极、所述第二激发电极和所述悬浮电极均为ITO电极。
在本发明的一个实施例中，相邻所述电极组件之间存在间隙，相邻所述第一激发电极之间的距离与相邻所述第二激发电极之间的距离相等，相邻所述第一激发电极之间的距离大于相邻所述悬浮电极之间的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，基于固定电势的感应电荷电渗的混合通道设计方法，通过引入悬浮电极，改悬浮电极上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对待混合的水相溶液进行混合，相比于其他的微混合器，采用了平面电极，不需要在混合通道中布置复杂的三维导体障碍物。
2.本发明的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，加工更加简单，降低了芯片生产成本，只需在电极上施加较小的电压，就可以实现水相溶液的高效混合，功耗小，而且具有生物适应性，更有利于细胞培养应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电极组件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的溶液混合原理示意图；
图4是本发明实施例提供的荧光素溶液的混合流场图；
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片的结构示意图，图2是本发明实施例提供的电极组件的结构示意图，如图所示，本实施例的的一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，包括基底1、PDMS盖片2和若干电极组件。其中，PDMS盖片2覆盖在基底1上，PDMS盖片2上开设有第一PDMS通道，第一PDMS通道包括第一支路3、第二支路4、混合通道5、第三支路6和第四支路7。
其中，第一支路3的入口和第二支路4的入口通入待混合的水相溶液，第一支路3的出口和第二支路4的出口均与混合通道5的入口连接，混合通道5 的出口分别连接第三支路6的入口和第四支路7的入口。
进一步地，若干电极组件沿着混合通道5的方向依次设置在基底1上，且均位于混合通道5的下方，具体地，电极组件包括第一激发电极8、第二激发电极9和悬浮电极10，其中，第一激发电极8和第二激发电极9相对设置且平行于混合通道5的两侧边，悬浮电极10位于第一激发电极8和第二激发电极9 之间，通过改变悬浮电极10上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对待混合的水相溶液进行混合。
需要说明的是，在本实施例中，第一激发电极8和第二激发电极9上施加有电压形成电场，通过外接引线(图中未示出)对悬浮电极10上施加电场。
在本实施例中，第一激发电极8、第二激发电极9和悬浮电极10均为 ITO电极。相邻电极组件之间存在间隙，相邻第一激发电极8之间的距离与相邻第二激发电极9之间的距离相等，相邻第一激发电极8之间的距离大于相邻悬浮电极10之间的距离。
如图2所示，在本实施例中，沿着混合通道5的方向依次设置有两个电极组件。本实施例的混合通道5以及电极组件的尺寸数据参见表1。
表1微混合芯片结构的尺寸数据
进一步地，在本实施例中，悬浮电极10上的电渗滑移的时均流速为：
其中，<uslip>为电渗流滑移的时均流速，εf为溶液介电常数，η为溶液粘度，ζ为诱导zeta电势，
为激发电极表面电势，
为双电层外侧电势，E为激发电极上施加的电场强度，Et为电场切向分量，*为共轭复数，～为复振幅，n为法向量，δ为扩散层电容与Stern层电容之比，Re表示实部。
进一步地，请结合参见图3，对本实施例的溶液混合原理进行说明，图 3是本发明实施例提供的溶液混合原理示意图，如图3所示，当改变悬浮电极10上的电压，混合通道5内的液体受到的电场力发生改变，产生旋涡，从而带动流体发生旋转，以达到对两种溶液混合的目的，流体总是朝向与悬浮电极10上的电压更加接近的激发电极的方向发生旋转。
进一步地，本实施例的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，还包括多个液滴产生结构，多个液滴产生结构分别与第三支路6的出口和第四支路7的出口一一对应连接，液滴产生结构利用流动聚焦法将流入的水相溶液混合溶液，剪切生成液滴，并将液滴进行储存。
在本实施例中，设置有两个液滴产生结构，分别与第三支路6的出口和第四支路7的出口一一对应连接，需要说明的，在实际混合过程中，由于第三支路6和第四支路7中的溶液平均浓度不一致，通过两个液滴产生结构剪切生成的液滴具有不同环境浓度。
进一步地，以与第三支路6连接的液滴产生结构为例对其具体结构进行说明。具体地，液滴产生结构包括第二PDMS通道和液滴存储腔，第二 PDMS通道和液滴存储腔均开设在PDMS盖片2上，第二PDMS通道包括油相溶液通路11、第一油相支路12和第二油相支路13，液滴存储腔包括液滴通路14和存储腔本体15。
其中，液滴通路14的入口与第一PDMS通道的出口(在本实施例中为第三支路6的出口)连接，液滴通路14的出口与存储腔本体15连接。油相溶液通路11的入口通入油相溶液，出口分别与第一油相支路12的入口和第二油相支路13的入口连接；第一油相支路12的出口和第二油相支路 13的出口均与液滴通路14连接，且位于液滴通路14的相对应的两侧，以对流入液滴通路14的水相溶液混合溶液剪切生成液滴。
在本实施例中，第一油相支路12与第二油相支路13与液滴通路14形成十字形交界，当流动相(第一油相支路12与第二油相支路13中的油相溶液)和分散相(流入液滴通路14的水相溶液混合溶液)汇合在十字交界处时，流动相相向流动，剪切分散相从而在交界处后端得到液滴，通过该基于流动聚焦法的液滴产生结构能够快速生成均一性好、大小可调的液滴。
本实施例的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，基于固定电势的感应电荷电渗的混合通道设计方法，通过引入悬浮电极，改悬浮电极上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对待混合的水相溶液进行混合，相比于其他的微混合器，采用了平面电极，不需要在混合通道中布置复杂的三维导体障碍物。而且，本发明的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，加工更加简单，降低了芯片生产成本，只需在电极上施加较小的电压，就可以实现水相溶液的高效混合，降低了功耗，而且具有生物适应性，有利于单细胞培养等方面的应用。
实施例二
本实施例对实施例一的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，进行了实验验证。本实施例的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片的混合通道5以及电极组件的尺寸数据参见表1。
在实验验证过程中，首先制作PDMS疏水处理剂：配置硅烷偶联剂，硅烷偶联剂为质量分数为5％的异丙醇混合溶液，并加入适量冰乙酸催化剂，混合搅拌均匀。再配置浓度为50wt％的硅油作为油相溶液；配制1wt％的 PVA溶液，取适量后加入水相，以避免发生粘壁、液滴破裂等问题。
之后配置所需要的待混合的水相溶液，包括带有荧光标记的水相A溶液与不带荧光标记的水相B溶液，方便在实验中观察两种溶液的混合程度，需要注意的是，待混合的水相溶液中均要加入适量PVA溶液，以保持液滴的完整性，方便长时间储存液滴。
然后，进行实验操作，具体步骤包括：
步骤1：打开计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD 以及荧光灯开关等，观察设备运转是否正常；随后打击开电脑上的 ImageView图像采集软件，实时观察显微镜载物台上的情景。
步骤2：将本实施例的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片固定在载物台上，调好芯片位置和焦距，在显微镜下观察，保证PDMS通道完全润湿。随后先将一个25微升的微量进样器固定在注射泵上，吸入一定量的硅烷偶联剂溶液，通入PDMS通道30min。再将装有水相A溶液的注射器、装有水相B溶液的注射器与油相注射器，分别其插入相应的入口，并保证密封良好。
步骤3：将从芯片ITO电极上引出的电导线和信号放大器连接好，并调整好信号发生器上的信号电压、相位差和频率等参数以及注射泵上的流量控制参数。
步骤4：启动注射泵，让水相A溶液、水相B溶液与油相按照控制好的流速在入口分别流入，当通道内流体流动速度稳定时，按下信号发生器上的施加信号按钮。
步骤5：在显微镜下进行观察，并再次调整好焦距和芯片的位置，选择粒子最清晰，稳定的高度进行视频的检测和录制。
步骤6：重复3-5步，不断调整电压、频率和流速，观察实验现象并记录，并进行实验数据的处理和分析
请参见图4，图4是本发明实施例提供的荧光素溶液的混合流场图。在本实施例中，第一支路3的入口通入带有荧光标记的待混合的水相溶液(水相A溶液)，第二支路4的入口通入不带荧光标记的待混合的水相溶液(水相B溶液)。第一激发电极8和第二激发电极9上分别施加10Vpp和0Vpp 电压，两个电极组件中的悬浮电极10上分别施加8Vpp和2Vpp的电压，频率为500Hz。如图4所示，从图中可以看出，随着远离第一支路3和第二支路4的入口，通入的待混合的水相溶液逐渐混合，说明本实施例的结构可以对溶液进行有效的混合。
实施例三
本实施例提供了一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片的制备方法，该方法包括：
步骤一：PDMS通道加工，在本实施例中，通道深度为100μm。
具体包括以下步骤：
1)玻璃基底的前处理：首先，采用清洗剂手洗，然后依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗10min，再离子水冲洗，用氮气吹干；最后，将吹干后的玻璃基底置于烘烤箱中，在80℃下，加热15min。
2)光刻胶的覆盖：为了得到深度为50μm的通道，采用了杜邦感光干膜ST925这一型号光刻胶，由于单层光刻胶厚25μm，故此处选用两层干膜覆盖。
首先，选用已经洗净的玻璃，在表面滴上少量水滴，方便排除光刻胶与玻璃间的气泡；之后，通过热过塑机覆盖光刻胶。完成后，先进行前烘，即将贴好光刻胶的玻璃基底放在60℃的热板上，前烘时长30min。
3)曝光：在UV灯下，将通道MASK放置在光刻胶上面，注意，让MASK带有墨的那一侧紧贴光刻胶，然后用透光板将其压紧，置于UV灯下，进行曝光。
4)显影：显影之前，需要进行后烘，即在热板上加热，从60℃递增到 95℃后，在95℃保持35min。接下来将冷却后的模具放置于1wt％浓度的 Na2CO3显影液中进行显影。显影十分钟后取出，再用等离子水清洗，氮气吹干，随后烘烤箱中80℃下烘烤10～20min。
5)浇筑PDMS：将PDMS与固化剂按照10：1的质量比配好，用洁净的玻璃棒搅拌15～20min，抽真空30min保证搅拌均匀的混合物中气泡完全消失，然后将通道干膜硅烷化处理，使通道模子表面沉积一层硅烷，有助于 PDMS与通道模子不粘连，容易将PDMS通道从模具上脱离。最后，在浇筑硅烷处理后的通道模具上浇筑PDMS，再抽真空20min，保证无气泡后，置于烘烤箱中，在80℃下加热2h。即可固化。
6)PDMS通道处理：将固化后的PDMS从模具上缓慢揭下，并用刀片将其切割成规则的形状，根据不同浓度液滴产生芯片的设计结构，用打孔器打孔形成PDMS通道出入口。
步骤二：ITO电极的加工
具体包括以下步骤：
1)清洗具有一层ITO导电膜的玻璃基底，具体步骤与PDMS通道加工中的玻璃基底的前处理步骤一致；
2)光刻胶的覆盖：此处的光刻胶只用来保护ITO层不被腐蚀；在该实验中采用的是杜邦感光干膜ST925，具体步骤与PDMS通道加工中的光刻胶的覆盖步骤一致；
3)曝光：根据不同浓度液滴产生芯片的参数，在UV灯下曝光。
4)显影：将曝光后的ITO放置于专用的1wt％浓度的Na2CO3显影液中，显影2-3min。
5)刻蚀ITO导电薄膜：将曝光显影后的ITO置于质量比为60％的盐酸溶液中，并加入一定的氯化铁作为催化剂，刻蚀时间30min。
6)去除光刻胶：刻蚀完成后，在质量比为5％的NaOH溶液中浸泡，去除固化的干膜，得到完整的ITO电极结构(图中的激发电极和悬浮电极)。
步骤三：实验芯片的键合。
将玻璃基底设有ITO电极的一侧与PDMS盖片设有PDMS通道的一侧朝上，并列放在等离子机的腔室内，按照等离子机的相应步骤进行等离子化处理；随后取出，在显微镜下，进行对准，可以在ITO电极上滴入少量水，方便微调；对准后，用力按压几分钟，接着放置在烘烤箱中在60℃下加热 40min。
需要注意的是，在对准的过程中需要微调整时，不要用力按压，尽量轻拿轻放，以免键合在一起无法移动。键合是十分关键的一步，键合的好坏直接影响到最后的芯片中通道的密封效果，进而影响到实验结果的可靠性和准确性。在键合前注意保证先将PDMS通道打好孔，一旦键合后，将无法再进行打孔。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“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”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，包括：基底(1)、PDMS盖片(2)和若干电极组件，其中，
所述PDMS盖片(2)覆盖在所述基底(1)上，所述PDMS盖片(2)上开设有第一PDMS通道，所述第一PDMS通道包括第一支路(3)、第二支路(4)、混合通道(5)、第三支路(6)和第四支路(7)，其中，所述第一支路(3)的入口和所述第二支路(4)的入口通入待混合的水相溶液，所述第一支路(3)的出口和所述第二支路(4)的出口均与所述混合通道(5)的入口连接，所述混合通道(5)的出口分别连接所述第三支路(6)的入口和所述第四支路(7)的入口；
若干所述电极组件沿着所述混合通道(5)的方向依次设置在所述基底(1)上，且均位于所述混合通道(5)的下方，所述电极组件包括第一激发电极(8)、第二激发电极(9)和悬浮电极(10)，其中，所述第一激发电极(8)和所述第二激发电极(9)相对设置且平行于所述混合通道(5)的两侧边，所述悬浮电极(10)位于所述第一激发电极(8)和所述第二激发电极(9)之间，通过改变所述悬浮电极(10)上施加的电场，产生非对称的感应电渗流，以实现对所述待混合的水相溶液进行混合。
2.根据权利要求1所述的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，所述悬浮电极(10)上的电渗滑移的时均流速为：
其中，<uslip>为电渗流滑移的时均流速，εf为溶液介电常数，η为溶液粘度，ζ为诱导zeta电势，
为激发电极表面电势，
为双电层外侧电势，E为激发电极上施加的电场强度，Et为电场切向分量，*为共轭复数，～为复振幅，n为法向量，δ为扩散层电容与Stern层电容之比，Re表示实部。
3.根据权利要求1所述的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，还包括多个液滴产生结构，多个所述液滴产生结构分别与所述第三支路(6)的出口和所述第四支路(7)的出口一一对应连接，所述液滴产生结构利用流动聚焦法将流入的水相溶液混合溶液，剪切生成液滴，并将所述液滴进行储存。
4.根据权利要求3所述的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，所述液滴产生结构包括第二PDMS通道和液滴存储腔，所述第二PDMS通道和所述液滴存储腔均开设在所述PDMS盖片(2)上，所述第二PDMS通道包括油相溶液通路(11)、第一油相支路(12)和第二油相支路(13)，所述液滴存储腔包括液滴通路(14)和存储腔本体(15)，其中，
所述液滴通路(14)的入口与所述第一PDMS通道的出口连接，所述液滴通路(14)的出口与所述存储腔本体(15)连接；
所述油相溶液通路(11)的入口通入油相溶液，出口分别与所述第一油相支路(12)的入口和所述第二油相支路(13)的入口连接；
所述第一油相支路(12)的出口和所述第二油相支路(13)的出口均与所述液滴通路(14)连接，且位于所述液滴通路(14)的相对应的两侧，以对流入所述液滴通路(14)的水相溶液混合溶液剪切生成液滴。
5.根据权利要求1所述的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，所述第一激发电极(8)、所述第二激发电极(9)和所述悬浮电极(10)均为ITO电极。
6.根据权利要求1所述的基于感应电荷电渗的不同浓度液滴产生芯片，其特征在于，相邻所述电极组件之间存在间隙，相邻所述第一激发电极(8)之间的距离与相邻所述第二激发电极(9)之间的距离相等，相邻所述第一激发电极(8)之间的距离大于相邻所述悬浮电极(10)之间的距离。
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