CN114632561A - 混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法 - Google Patents

混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法 Download PDF

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CN114632561A CN202210273525.7A CN202210273525A CN114632561A CN 114632561 A CN114632561 A CN 114632561A CN 202210273525 A CN202210273525 A CN 202210273525A CN 114632561 A CN114632561 A CN 114632561A
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Abstract

本发明公开了一种混合式数字微流控芯片，包括：下极板，下极板包括从下往上依次设置的下基底、电极层、介电层和下疏水层；上极板，位于下极板的上方且与下极板之间具有间距，上极板在下极板上的投影覆盖部分下极板，以将下极板分隔为封闭区和开放区，上极板包括上导电基底、设置在所述上导电基底下表面的上疏水层。本发明还公开了一种液滴驱动方法。本发明将数字微流控芯片的封闭式和开放式结构集成在同一个芯片上，弥补了两种结构的不足，使其在液滴物理操作中既具有封闭式结构的通用性又具有开放式结构对检测系统的易集成性；降低液滴驱动电压，减小对液滴内生化物质的损坏；简化并自动化基于数字微流控的生化分析实验，保证实验的可重复性。

Description

混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，尤其涉及一种混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法。
背景技术
数字微流控是一种用以处理和操纵体积在皮升至微升的流体控制技术。在厘米级的平面芯片上，通过一定的驱动方式操控含有细胞、蛋白质、DNA或其它样本、试剂的液滴以完成分配、输运、混合和分裂等四种基本操作，用于常规生物医学实验室的各种分析和检测。数字微流控芯片的结构主要有两种，分别是封闭式和开放式结构，两者各有独特的优势。前者不仅可以实现四种液滴基本操作，还能够提供可靠且可重复的液滴体积控制；后者虽然不易实现液滴分配和分裂，但却便于与其他液体处理和操控工具以及表面分析设备进行集成，而且液滴的混合和蒸发(用于样品的浓缩)也更容易实施。虽然可以通过将封闭式结构与在线分析方法加以集成来实现许多应用，但是实施起来往往比较麻烦，而且对于某些复杂的应用来说，需要将液滴从片上移走以便进行离线处理，如净化、生物培养或质谱评估。对于开放式结构，则需要一个非常关键的离线操作——样品加载，即需要使用微注射器将液滴加载到芯片上，该操作不仅繁琐还会影响可重复性。
因此，需要一种技术将两者优点加以整合，使其在液滴物理操作中既具有封闭式结构的通用性又具有开放式结构对检测系统的易集成性。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种混合式数字微流控芯片及液滴驱动方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种混合式数字微流控芯片，包括：
下极板，所述下极板包括从下往上依次设置的下基底、电极层、介电层和下疏水层；
上极板，位于所述下极板的上方且与所述下极板之间具有间距，所述上极板在所述下极板上的投影覆盖部分所述下极板，以将所述下极板分隔为封闭区和开放区，所述上极板包括上导电基底、设置在所述上导电基底下表面的上疏水层。
作为本发明的进一步改进，所述上导电基底的侧面设置有侧疏水层。
作为本发明的进一步改进，所述上疏水层与下疏水层之间设置有隔离件。
作为本发明的进一步改进，所述电极层包括多个封闭区驱动电极、多个开放区驱动电极和开放区共面接地电极。
作为本发明的进一步改进，所述上极板的右横向边缘的投影位于最右边的所述封闭区驱动电极与最左边的所述开放区驱动电极之间或者所述上极板的右横向边缘的投影位于最左边的所述开放区驱动电极上或者所述上极板的右横向边缘的投影位于最右边的所述封闭区驱动电极上。
作为本发明的进一步改进，所述上导电基底的厚度为0.5-2.0mm。
作为本发明的进一步改进，所述介电层与所述电极层之间设置有硅油。
一种液滴驱动方法，使用上述混合式数字微流控芯片，建立液滴运动至封闭区与开放区边界处的机电模型，分析液滴在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴上的总界面力，来确定液滴在封闭区与开放区之间运动的条件，控制液滴在封闭区与开放区之间运动。
作为本发明的进一步改进，分析液滴在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴上的总界面力包括分析液滴从封闭区向开放区运动至两区边界处时作用在液滴上的总界面力、分析液滴从封闭区进入开放区但粘附在上极板侧面时作用在液滴上的总界面力和分析液滴从开放区向封闭区运动到两区边界处时作用在液滴上的总界面力。
作为本发明的进一步改进，对于指定体积的液滴，所述条件包括上极板与下极板之间的纵向间距和/或上极板在下极板上方的不同横向位置和/或上极板的厚度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将数字微流控芯片的封闭式和开放式结构集成在同一个芯片上，弥补了两种结构的不足，使其在液滴物理操作中既具有封闭式结构的通用性又具有开放式结构对检测系统的易集成性。
(2)通过建立机电模型，根据力平衡分析法分析得到有利于液滴在封闭区与开放区自由往返运动的条件，确定上下极板的纵向间距、上极板的横向位置以及厚度，控制液滴在芯片的封闭区和开放区之间自由往返运动，降低液滴驱动电压，减小对液滴内生化物质的损坏。
(3)简化并自动化基于数字微流控的生化分析实验，保证实验的可重复性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的混合式数字微流控芯片的主视结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的混合式数字微流控芯片的下极板封闭区和开放区电极结构示意图；
图3为本发明的优选实施例的液滴在封闭区和开放区边界处的界面力分析图；
图4为本发明的优选实施例的三种不同的上极板横向位置示意图；
图5为本发明的优选实施例的液滴在上极板的横向位置模式I和模式Ⅱ下在封闭区和开放区之间作自由往返运动图；
图6为本发明的优选实施例的上极板厚度分别为0.5mm和1.5mm的液滴在封闭区与开放区之间的运动图；
图7为本发明的优选实施例的上极板厚度分别为0.5mm和1.5mm的液滴运动到封闭区与开放区边界处的状态图；
图中：1、下极板，11、下基底，12、电极层，121、封闭区驱动电极，122、开放区驱动电极，123、开放区共面接地电极，124、储液池电极，125、电极连接线，126、接触垫电极，13、介电层，14、下疏水层，15、硅油，2、上极板，21、上导电基底，22、上疏水层，23、侧疏水层，3、隔离件，4、液滴。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本申请实施例提供了一种混合式数字微流控芯片，包括下极板1和上极板2。其中，下极板1包括从下往上依次设置的下基底11、电极层12、介电层13和下疏水层14。上极板2位于下极板1的上方且与下极板1之间具有间距，上极板2在下极板1上的投影覆盖部分下极板1，以将下极板1分隔为封闭区和开放区，上极板2包括上导电基底21、设置在上导电基底21下表面的上疏水层22。
具体地，上导电基底21为硬性基底。更具体地，上导电基底21为ITO导电玻璃。上疏水层22为特氟龙疏水层。
为了便于下极板1与上极板2之间的隔离，优选下疏水层14与上疏水层22之间设置有隔离件3，可以通过调整隔离件3的厚度来调整下疏水层14与上疏水层22之间的间距。具体地，隔离件3为双面胶带。
为了使得液滴4能够快速脱离上极板2，优选上导电基底21的侧面设置有侧疏水层23。
在一实施例中，下基底11为柔性基底。具体地，下基底11采用PET片材。
在一实施例中，介电层13为绝缘薄膜。具体地，介电层13为PVDC薄膜或PMP薄膜。
在一实施例中，下疏水层14为特氟龙疏水层。
具体地，介电层13与电极层12之间设置有硅油15。更具体地，电极层12覆盖部分下基底11，下基底11上设置有硅油15。通过硅油15的设置，便于将介电层13更好地贴合在电极层12上，避免产生气泡，同时便于介电层13的更换，提高利用率。
为了降低液滴4的驱动电压，减小对液滴4内生化物质的损坏，优选上导电基底21的厚度为0.5-2.0mm。
在本实施例中，电极层12包括多个封闭区驱动电极121、多个开放区驱动电极122和开放区共面接地电极123。为了便于生成液滴4，还设置有储液池电极124。为了便于封闭区驱动电极121、开放区驱动电极122的得失电，优选封闭区驱动电极121、开放区驱动电极122通过对应的电极连接线125连接对应的接触垫电极126。
其中，上极板2的右横向边缘的投影位于最右边的封闭区驱动电极121与最左边的开放区驱动电极122之间或者上极板2的右横向边缘的投影位于最左边的开放区驱动电极122上或者上极板2的右横向边缘的投影位于最右边的封闭区驱动电极121上。
本申请另一实施例提供了一种混合式数字微流控芯片的液滴驱动方法，使用上述的混合式数字微流控芯片，建立液滴4运动至封闭区与开放区边界处的机电模型，分析液滴4在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴4上的总界面力，来确定液滴4在封闭区与开放区之间运动的条件，控制液滴4在封闭区与开放区之间运动。其中，机电模型是通过杨氏-李普曼方程建立液滴在混合式数字微流控芯片中的数学模型，通过该模型分析液滴在混合式数字微流控芯片中的运动。其中，分析液滴4在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴4上的总界面力是采用力平衡分析法对液滴4进行受力分析。
分析液滴4在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴4上的总界面力包括分析液滴4从封闭区向开放区运动至两区边界处时作用在液滴4上的总界面力、分析液滴4从封闭区进入开放区但粘附在上极板侧面时作用在液滴4上的总界面力和分析液滴4从开放区向封闭区运动到两区边界处时作用在液滴4上的总界面力。当分析液滴4从封闭区向开放区运动至两区边界处时作用在液滴4上的总界面力，从而确定液滴4从封闭区进入开放区的条件，控制液滴从封闭区向开放区运动；当分析液滴从封闭区进入开放区但粘附在上极板2侧面时作用在液滴上的总界面力，从而确定液滴4从封闭区进入开放区并脱离上极板2侧面的粘附力作用的条件，控制液滴4从封闭区向开放区运动并完全进入开放区；当分析液滴4从开放区向封闭区运动到两区边界处时作用在液滴4上的总界面力，从而确定液滴4从开放区进入封闭区的条件，控制液滴4从开放区向封闭区运动。其中两区指的是封闭区与开放区。
对于指定体积的液滴，所述条件包括上极板2与下极板1之间的纵向间距和/或上极板2在下极板1上方的不同横向位置和/或上极板2的厚度。
以下对本发明的液滴的驱动方法进行详细的说明。
基于液滴4不同位置亲水和疏水状态，本实施例提供了液滴4运动至封闭区与开放区边界处的机电模型，如图3所示，a表示液滴4在封闭区中的三相接触线有效长度；b表示液滴4在开放区中的三相接触线有效长度；t表示上导电基底21的厚度，由于上疏水层22的厚度的远小于上导电基底21的厚度，可以近似将上导电基底21的厚度看成上极板2的厚度；h表示下疏水层14与上疏水层22之间的纵向间距；θ0表示未施加电压时液滴4分别与下极板1、上极板2的接触角，θv表示施加电压V时液滴4分别与下极板1、上极板2的接触角；δ和β则表示液滴4与上极板2侧面的接触角，F1～F6分别表示下极板1和上极板2不同电极处对液滴4施加的界面力。
图3(a)表示的是液滴在封闭区与开放区的俯视状态图。
根据力平衡分析法，分析液滴4从封闭区向开放区运动至两区边界处的总界面力，如图3(b)，具体可以为：
Fc-o＝F3|cosθv|+(F1+F4-F2-F5)|cosθ0|-F6|cosδ
其中，根据气液固之间的表面张力公式得到：F1＝F4＝F5＝γa，F3＝γb，F2＝γ(a-b)，γ指的是气液之间的界面张力。因为接触上极板2侧面那部分液滴4的上方没有位移，所以F6的影响可以忽略不计。作用在液滴4上的总界面力可化简为:
Fc-o＝F3|cosθv|+(F1-F2)|cosθ0|＝γb(cosθv|+|cosθ0|)
F3与(F1-F2)的水平分量的共同作用是有助于将液滴4从封闭区拉入开放区的，必定有Fc-o>0。根据分析结果，推断出液滴4从封闭区顺利进入开放区的条件。具体地，液滴4从封闭区顺利进入开放区的条件可以为，当液滴4从封闭区运动到两区边界处时，即使没有外加电压，即没有电湿润力F3，液滴4也会被排出到开放区的。但考虑到接触角滞后的话，液滴4可能在两区边界处处于亚稳态；然而一旦引入外加电压，产生的电湿润力可以打破这种的亚稳态状态，促使液滴4从封闭区顺利且完全进入开放区。
虽然一旦引入外加电压，在电湿润力的作用下液滴4能够从封闭区完全进入开放区，但是由于上极板2侧面亲水，在液滴4与上极板2侧面之间低表面张力的作用下液滴4会粘附在上极板2的侧面上，难以脱离，如图3(c)。根据液滴从封闭区完全进入开放区但粘附在上极板2侧面上时作用在液滴上的总界面力，具体可以为：
Fo＝F3|cosθv|+F1|cosθ0|-(F5+F6)sinδ
其中，F1＝F3＝γb，F5＝F6＝γ(b+t)。因此，总界面力可以为：
Fo＝γb(|cosθv|+|cosθ0|)-2γ(b+t)sinδ
液滴4要想脱离上极板2的粘附作用，就必须要满足Fo>0，确定四种优化措施可以实现这一目标。具体地，液滴4脱离上极板2的粘附作用的措施可以为：(1)提高外部施加电压值，减小接触角θv；(2)增加开放区三相接触线的有效长度b；(3)减小上极板2的厚度t；(4)对上极板2侧面进行疏水化处理，即在上极板2的侧面涂上一层疏水材料，增大液滴4与上极板2侧面之间的表面张力，增大两者的接触角δ，使得δ>90°。虽然在液滴4接触角达到饱和前，提高电压确实可以使液滴4顺利脱离上极板2，但是外加电压的增大很容易破坏液滴4内的生化物质，影响生化分析结果。因此在不增大驱动电压的情况下，使液滴4从封闭区顺利进入开放区并脱离上极板2侧面粘附作用的措施才是真正适用于微流控技术应用的最佳手段。
在本实施例中，根据力平衡分析法，利用机电模型对液滴4从开放区向封闭区运动至两区边界处进行力平衡分析，如图3(d)，得到作用在液滴4上的总界面力，具体可以为：
Fo-c＝F1|cosθv|+(F2+F3-F4)|cosθ0|-F5|cosβ+F6|cosδ
其中，F1＝F4＝γa，F3＝γb，F2＝γ(a-b)。上极板2侧面为亲水表面，接触角δ较大，F6的作用主要是拉动着液滴4沿上导电基底21侧面上下移动，其水平分量很小，可以忽略F6水平分量的影响。F5则是液滴4进入封闭区后产生变形造成上极板2对其施加的阻力。粗略估计F5的水平分量约等于F2的水平分量，即F5|cosβ＝F2|cosθ0|。作用在液滴4上的总界面力可以简化为：
Fo-c＝F1|cosθv|+(F3-F4)|cosθ0|＝γa|cosθv|-γ(a-b)|cosθ0|
只有当γa|cosθv|＞γ(a-b)|cosθ0|时，即总界面力Fo-c>0，液滴4才能顺利地从开放区完全进入封闭区。根据分析结果，推断出液滴4从开放区顺利进入封闭区的条件。具体地，液滴4从开放区顺利进入封闭区的条件可以为：适当增大上极板2和下极板1之间的纵向间距h，或者增大开放区三相接触线有效长度b，这些措施都是有利于实现液滴4从开放区向封闭区的运动。
对于液滴4在封闭区和开放区之间的运动，当封闭区内上极板2与下极板1之间的纵向间距h过大时，驱动力过小，会阻碍液滴4由封闭区向开放区的运动；反之，当纵向间距h过小时，液滴由开放区向封闭区的运动也是不可能的，只有向系统输入较大能量才能实现从开放区到封闭区的运动，也就是需要对液滴施加外力以克服阻碍才能实现开放区到封闭区的运动，根据介电湿润原理，通过使下极板1电极依次按一定顺序得电，对液滴施加电湿润力。因此，在封闭区的上极板2与下极板1之间的纵向间距h需要一个合适的间距范围，在这个间距范围内液滴4在两区之间的自由往返运动都是可行的。这个间距范围与液滴4体积、电极尺寸等多个参数相关。具体地，对于0.8～1.2μL的液滴4来说，在PET片材作为下极板1的下基底11的混合式数字微流控芯片上该间距范围为150～350μm。
根据得到的优化措施，设计合适的封闭区驱动电极121、开放区驱动电极122、开放区共面接地电极123的尺寸，并在上极板2的侧面涂覆一层疏水材料。在此基础上，根据上极板2相对于下极板1的三种不同横向位置，如图4所示，控制液滴4在两区之间进行往返运动，确定在降低液滴驱动电压的前提下适合液滴4两区自由往返运动的上极板2的横向位置。具体地，请参阅图4，适合液滴4两区自由往返运动的上极板2的横向位置可以为：上极板2的横向位置模式Ⅰ和模式Ⅱ，其中，上极板2的横向位置模式Ⅰ指的是上极板2的右横向边缘的投影位于最右边的封闭区驱动电极121与最左边的开放区驱动电极122之间，上极板2的横向位置模式Ⅱ指的是上极板2的右横向边缘的投影位于最左边的开放区驱动电极122上。其中模式Ⅱ的液滴驱动电压要明显低于模式Ⅰ。上极板2的横向位置模式Ⅲ指的是上极板2的右横向边缘的投影位于最右边的封闭区驱动电极121上，上极板2的横向位置模式Ⅲ只能完成液滴4从开放区向封闭区的运动，反向运动无法实现。具体地，上极板2的横向位置模式Ⅱ中，上极板2在下极板1上的投影与位于最左边的开放区驱动电极122的重叠宽度为100μm。具体地，上极板2的横向位置模式Ⅲ中，位于最右边的封闭区驱动电极121最右侧面超过上极板2的右横向边缘的投影100μm。
根据确定的封闭区上下极板纵向间距h以及上极板2相对于下极板1的横向位置，分析上极板2的厚度t对液滴4在两区之间运动的影响，在降低液滴驱动电压的前提下，确定有利于液滴4两区自由往返运动的上极板2的厚度t。具体地，有利于液滴4两区自由往返运动的上极板2厚度可以为：厚度薄的上极板2，可以大大减少上极板2侧面对液滴4的粘附阻力。
为了更好地说明本发明实施例，还提供了如下液滴4运动实验，具体地利用上极板2不同的横向位置模式和厚度进行了液滴4在封闭区和开放区之间往返运动的分析实验。本发明实施例的运动实验均是以PET片材作为下极板1的下基底11制作的如图1所示的混合式数字微流控芯片。如图2所示，封闭区的单个封闭区驱动电极121尺寸为1mm×1mm，呈单排阵列布局；开放区的驱动电极包含一组尺寸为0.8mm×0.5mm的开放区驱动电极122以及一个与开放区驱动电极122平行且宽度为0.8mm的共面接地电极123；所有电极之间的间距设计值为180μm，所有电极之间的间距指的是相邻封闭区驱动电极121之间的间距、相邻开放区驱动电极122之间的间距、开放区驱动电极122与共面接地电极123之间的间距以及开放区驱动电极122与封闭区驱动电极121之间的间距。开放区驱动电极122和共面接地电极123的总宽度大于封闭区的单个封闭区驱动电极121的宽度，增大了液滴4在开放区的三相接触线的有效长度b。采用高锰酸钾紫红色液滴作为实验对象，液滴处于空气媒介中，上极板2侧面也进行疏水化处理。实验中，用介电湿润法通过封闭区驱动电极121按一定顺序得电从储液池电极124中分配出一个小液滴。
一、基于上极板2横向位置模式Ⅰ和模式Ⅱ的液滴两区运动实验
液滴4在上极板2的横向位置模式I和模式Ⅱ下都可以顺利地在封闭区和开放区之间作自由往返运动，如图5所示。
在模式Ⅱ中，封闭区上极板2不仅在整个封闭区充当接地电极的作用，而且在开放区入口处也可起到部分接地电极的作用，因为上极板2有一小部分位于开放区的最左边的开放区驱动电极122的上方，所以这部分上极板2便与开放区的共面接地电极123一起充当开放区接地电极的角色，上极板2接地，下极板1上的电极依次得电，在上极板2与下极板1之间形成电压差，改变了液滴4的接触角，进而对液滴4产生了足够大的电湿润力，这样就能很好地触发滴液4从一个区域跨越两区边界并运动到另一个区域。因此，在模式Ⅱ下的液滴两区运动更容易实现。
表1给出了液滴两区运动的最低驱动电压，其中从封闭区向开放区的驱动电压更低一些。不论是液滴从封闭区向开放区的运动，还是从开放区向封闭区的运动，在上极板2横向位置模式Ⅱ下液滴的最低驱动电压都低于模式I。
表1上极板2横向位置下液滴两区运动最低驱动电压
Figure BDA0003554802060000111
二、基于不同厚度上极板2的液滴两区运动实验
在上极板2横向位置模式Ⅱ下，上极板2的厚度分别为0.5mm、1.1mm、1.5mm和2mm，液滴4都可以在封闭区和开放区之间顺利地完成自由往返运动。图6显示了上极板2厚度分别为0.5mm和1.5mm的液滴两区运动。图7显示了上极板2厚度分别为0.5mm和1.5mm时液滴运动至两区边界处的状态图。将上极板2侧面疏水化处理且对4种不同厚度上极板2下的液滴两区运动的最低驱动电压进行比较，如表2所示，其中从封闭区到开放区的最低驱动电压是指液滴从封闭区跨越两区边界运动到开放区并能彻底脱离上极板2侧面时所对应的电压值。
随着上极板2厚度的增加，液滴在两区之间往返运动的驱动电压有所增大。对于较薄的上极板2，其厚度比如0.5mm，有利于降低液滴两区运动的驱动电压。
表2上极板厚度对液滴两区运动最低驱动电压的影响
Figure BDA0003554802060000121
三、基于上极板2亲水/疏水化处理的液滴两区运动实验
在上极板2侧面未做疏水化处理即上极板侧面亲水且厚度为1.1mm的情况下，进行液滴两区实验，得到液滴从封闭区运动到开放区的最低驱动电压高达300Vrms。将表2中的数据与之对比，在上极板2侧面疏水化处理的情况下，即使是2.0mm厚的上极板，其驱动电压也明显低于上极板侧面未做疏水化处理且厚度为1.1mm的液滴最低驱动电压。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种混合式数字微流控芯片，其特征在于，包括：
下极板，所述下极板包括从下往上依次设置的下基底、电极层、介电层和下疏水层；
上极板，位于所述下极板的上方且与所述下极板之间具有间距，所述上极板在所述下极板上的投影覆盖部分所述下极板，以将所述下极板分隔为封闭区和开放区，所述上极板包括上导电基底、设置在所述上导电基底下表面的上疏水层。
2.根据权利要求1所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述上导电基底的侧面设置有侧疏水层。
3.根据权利要求1所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述上疏水层与下疏水层之间设置有隔离件。
4.根据权利要求1所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述电极层包括多个封闭区驱动电极、多个开放区驱动电极和开放区共面接地电极。
5.根据权利要求4所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述上极板的右横向边缘的投影位于最右边的所述封闭区驱动电极与最左边的所述开放区驱动电极之间或者所述上极板的右横向边缘的投影位于最左边的所述开放区驱动电极上或者所述上极板的右横向边缘的投影位于最右边的所述封闭区驱动电极上。
6.根据权利要求1所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述上导电基底的厚度为0.5-2.0mm。
7.根据权利要求1所述的混合式数字微流控芯片，其特征在于，所述介电层与所述电极层之间设置有硅油。
8.一种液滴驱动方法，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的混合式数字微流控芯片，建立液滴运动至封闭区与开放区边界处的机电模型，分析液滴在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴上的总界面力，来确定液滴在封闭区与开放区之间运动的条件，控制液滴在封闭区与开放区之间运动。
9.根据权利要求8所述的液滴驱动方法，其特征在于，分析液滴在运动至封闭区与开放区边界处时作用在液滴上的总界面力包括分析液滴从封闭区向开放区运动至两区边界处时作用在液滴上的总界面力、分析液滴从封闭区进入开放区但粘附在上极板侧面时作用在液滴上的总界面力和分析液滴从开放区向封闭区运动到两区边界处时作用在液滴上的总界面力。
10.根据权利要求8所述的液滴驱动方法，其特征在于，对于指定体积的液滴，所述条件包括上极板与下极板之间的纵向间距和/或上极板在下极板上方的不同横向位置和/或上极板的厚度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115337968A (zh) * 2022-08-13 2022-11-15 兰州大学 一种基于slips绝缘疏水膜的半封闭数字微流控系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103412023A (zh) * 2013-07-05 2013-11-27 复旦大学 一种基于数字微流技术的电化学集成传感芯片
CN108026494A (zh) * 2015-06-05 2018-05-11 米罗库鲁斯公司 限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法
CN108940392A (zh) * 2018-07-13 2018-12-07 苏州大学张家港工业技术研究院 用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103412023A (zh) * 2013-07-05 2013-11-27 复旦大学 一种基于数字微流技术的电化学集成传感芯片
CN108026494A (zh) * 2015-06-05 2018-05-11 米罗库鲁斯公司 限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法
CN108940392A (zh) * 2018-07-13 2018-12-07 苏州大学张家港工业技术研究院 用于复合型数字微流控芯片的液滴驱动方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Moving droplets between closed and open microfluidic systems", LAB ON A CHIP,第15期 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115337968A (zh) * 2022-08-13 2022-11-15 兰州大学 一种基于slips绝缘疏水膜的半封闭数字微流控系统
CN115337968B (zh) * 2022-08-13 2023-08-18 兰州大学 一种基于slips绝缘疏水膜的半封闭数字微流控系统

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