CN115178311A - 一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片及其操控方法，该电润湿驱动芯片包括盖板、边框和底板，盖板通过边框与底板密封并在盖板和底板之间形成液滴流动的空间；底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，盖板上设置注入液滴的注液口，所述注液口的尺寸大于待注入液滴的尺寸，使待注入液滴注入时不与注液口所在盖板区域接触，且所述盖板和所述底板之间的间距大于芯片内已注入液滴的尺寸，使已注入液滴在所述电极驱动下在芯片内移动时不与所述盖板接触。本发明解决了复杂试剂体系下芯片液体注入口过多的问题，节约芯片有效使用空间，提高芯片有效载量，避免交叉污染，从而降低成本，提高系统性能。

Description

一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片及其操控方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片及其操控方法。

背景技术

片上实验室(Lab on a Chip,LOC)研究的终极目标，是将功能各异的多个单元或模块，在微尺度上连接并存，并协同完成样品制备、生物与化学反应、分离检测等一系列复杂的生化分析工作。最终可以把生物和化学等领域中所涉及的所有功能模块集成在一块几平方厘米的芯片上，直接应用于生物化学检测、环境快速检测等。但是，现有已经逐步开展应用的片上实验室，其核心的关键功能实现——微流体驱动，主要以压力驱动、热驱动等方式进行，需要从外界提供动力，驱动的流体量相对较大，流道驱动组件多、功耗高，且驱动方式不具有不同器件间的通用性，无法发挥作为微流体基本操作单元“液滴”的有效功能。因此，形成一种有效、易于操作的微流体平台级液滴操控方法，对后续片上实验室的发展，具有至关重要的作用。

基于介质上的电润湿效应(Electrowetting-On-Dielectric，EWOD)是在金属电极与电解液之间加入一层绝缘层薄膜，当在液体和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固体表面接触角θ的变化。当液滴接触角θ发生对称均匀变化时，液滴在宏观上表现出从球形液滴铺展为液膜的过程。而如果接触角θ发生非对称变化时，就出出现两侧液滴两侧接触线处的表面张力出现梯度，进而使得液滴的发生迁移和运动，这也是在片上实验室中进行液滴操控的理论基础。

由原理可知，利用电润湿效应，通过电极的电压操作，可以在芯片上实现微小液滴的操控，具体的操控形成有迁移、分割、混合和震荡等。通过这些功能的组合，可以将各种生物、化学试验流程迁移到芯片上，从而实现片上实验室系统。生物、化学试验流程是较为复杂的过程，每一个过程都需要很多电极来实现，因此，片上实验室芯片实现的关键技术之一就是形成数量庞大的驱动电极，并按照要求给出驱动信号，用于驱动液滴按照要求进行操作。

电润湿原理与阵列化驱动电极板相结合，形成对液滴具有一定操控能力的数字微流控芯片，以生物液滴代替普通液滴，并将特定功能的生物试剂操作流程映射到数字微流控芯片上，就形成具备一定生物试剂处理功能的数字微流控芯片。如图1所示，为了避免微量试剂蒸发，数字生物芯片由阵列化电极板1、盖板3和边框2组成，三者组成的封闭空间供操纵试剂使用。生物试剂注入需要在盖板3上开特定的注液孔31，为避免交叉污染不同试剂注液孔不能共用，而对于复杂生物流程，一般用到十多种试剂(液滴)注入，对应需要十多个试剂注液孔31，注液孔31垂直投影的电极所处空间不能作为液滴操作空间使用，过多的注液孔作为面积损失，严重压缩芯片在二维面积上的液滴操作空间，并限制芯片的对于多试剂复杂生物流程的适应性。

现有的多孔芯片为了降低多注液孔对液滴操作空间的影响，通常的做法是缩小芯片上设置的注液孔的孔径，孔径一般为2mm左右圆孔，从而降低多注液孔所占空间。由于注液孔的孔径非常小，需要通过移液器手动将液滴从注液孔注入芯片，液滴注入过程需要人工操作无法实现自动化。为了保证每个注液孔注入的液滴均能从注入位置移动至芯片内的操作空间，在芯片内每个注液孔垂直投影处均需要布置驱动液滴所用的电极，注液孔数量越多完成注射所需的电极数量也越多，会增加芯片的制造成本且限制了芯片内的操作空间。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种适用于自动化注液、成本低且芯片内有效操作空间大的用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片。

本发明的另一目的在于提供一种电润湿驱动芯片的操控方法。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片，包括盖板、边框和底板，所述盖板通过所述边框与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成液滴流动的空间；所述底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，所述盖板上设置注入液滴的注液口，所述注液口的尺寸大于待注入液滴的尺寸，使待注入液滴注入时不与注液口所在盖板区域接触，且所述盖板和所述底板之间的间距大于芯片内已注入液滴的尺寸，使已注入液滴在所述电极驱动下在芯片内移动时不与所述盖板接触。

进一步，所述盖板上仅设置一个注液口，所述底板上形成的电极包括操控用电极和注射用电极，所述操控用电极设置在底板操控区，用于按照操控功能需求的路径规划液滴在所述底板上流动路径；所述注射用电极设置在所述注液口垂直投影位置，用于将自所述注液口注入的液滴移动至所述底板操控区。

进一步，所述电极尺寸与所述盖板与所述底板之间的板间距尺寸比小于1:1.866。

进一步，所述注液口为4mm×4mm的方孔。

进一步，所述底板包括基板、电极层、介质层和疏水层，所述基板、电极层、介质层和疏水层依序层叠设置，所述电极层内形成所述电极。

进一步，所述操控用电极在驱动信号控制下加压，驱动液滴按照流动路径在底板操控区流动以实现迁移、分割、混合和震荡操作。

本发明第二方面提供一种上述第一方面的电润湿驱动芯片的操控方法，包括如下步骤：

将生物试剂加注设备定位在注液口处；

控制所述加注设备经所述注液口向芯片内注入试剂；其中，试剂直接从注液口滴落至底板上的注液区而不与注液口接触；

通过电极驱动滴落至注液区的试剂向底板上的操控区移动；

在试剂移动至操控区后按照预定的操控功能进行试剂的操作。

进一步，通过电极驱动滴落至注液区的试剂向底板上的操控区移动包括：

在注射区的注射用电极上施加电压，通过注射用电极所规划的流动路线驱动注液区的试剂向操控区移动，其中试剂液滴的尺寸小于盖板和所述底板之间的板间距，使得所述试剂液滴在向操控区移动过程中不与所述注液口和所述盖板接触。

进一步，在试剂移动至操控区后按照预定的操控功能进行试剂的操作包括：

在试剂移动至操控区后，在操控区的操控用电极上加压，通过操控用电极所规划的流动路线进行迁移、分割、混合和震荡操作。

本发明采用共用注液口向驱动芯片内注入多种试剂，节约芯片二维面积及电极数量，增加了试剂载量且注液口的尺寸大于试剂液滴的尺寸，一方面可以避免多种试剂从同一注液口注入的交叉污染问题，另一方面便于批量自动化注液的实现。此外，增加了芯片盖板和底板之间的板间距，避免试剂在芯片内移动时与盖板和注液口接触，造成交叉污染问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为现有的电润湿驱动芯片的结构示意图；

图2为本发明一实施例的电润湿驱动芯片的结构示意图；

图3为本发明一实施例的电润湿驱动芯片的操控方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，本发明的用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片，包括盖板21、边框22和底板23，所述盖板21通过所述边框22与所述底板23密封并在所述盖板21和所述底板23之间形成液滴流动的空间；所述底板23上形成有用于驱动所述液滴在底板23移动的电极31；其中，所述盖板21上设置注入液滴的注液口211，所述注液口211的尺寸大于待注入液滴的尺寸，使待注入液滴注入时不与注液口211所在盖板21区域接触，且所述盖板21和所述底板23之间的间距大于芯片内已注入液滴的尺寸，使已注入液滴在所述电极31驱动下在芯片内移动时不与所述盖板21接触。

本实施例中多种液滴共用同一注液口注入芯片，降低了盖板上设置注液口的数量，进而减少了注液口对应投影位置所需配置的注射用电极数量，降低了制造成本同时将原有配置注射用电极的注射区空间扩做为操控区使用，增加了操控区的空间，进而增加了操控区所能容纳试剂载量。此外，将注液口的尺寸增大，使得试剂液滴在加注时不会与注液口有任何接触，可以避免多种液滴共用注液口所造成的交叉污染问题。现有的注液孔的孔径一般为2mm左右圆孔，尺寸非常小，由于尺寸限制，现有的自动化加注设备难以精准定位至注液孔，很难实现试剂的自动化注入，通常需要人工进行注液操作，增加了人力成本同时容易出现注液不准等问题。本发明增加了注液孔的尺寸，为自动化加注设备在芯片内批量化自动化加注提供可能，便于自动化向芯片内加注试剂，大大降低了人工成本以及人工操作可能带来的操作不当等问题。此外，本发明增加了盖板和底板之间的板间距，使得试剂液滴在芯片内移动时不会与盖板和注液口接触，避免试剂液滴在进行各种实验操作后残留于盖板或者注液口处，能够进一步避免多种类液滴注入所存在的交叉污染问题。

在本发明一优选实施例中，所述盖板21上仅设置一个注液口211，所述底板23上形成的电极231按功能分包括操控用电极和注射用电极，所述操控用电极设置在底板操控区，用于按照操控功能需求的路径规划液滴在所述底板23上流动路径；所述注射用电极设置在所述注液口211垂直投影位置，用于将自所述注液口211注入的液滴移动至所述底板操控区。电润湿驱动芯片内按照功能被划分为注射区和操控区，注射区用于试剂液滴的注入，操控区用于按照试剂液滴操控功能需求对试剂液滴进行迁移、分割、混合和震荡等操作，以完成生物试剂的各种实验操作。本实施例为了增加操控区的空间，减少了盖板上注液口的设置数量，在盖板上仅设置一个注液口，将原有多注液口所对应的多个注射空间处的注射用电极做为操控用电极使用，亦即将原有多注液口的注射区空间改为操控区空间，在一定程度上增加了操控区空间的大小，节约了芯片二维面积及注射用电极数量，增加了试剂载量。

在本发明一优选实施例中，所述电极231尺寸与所述盖板21与所述底板23之间的板间距尺寸比小于1:1.866。本发明电润湿驱动芯片承载试剂以生物试剂为例，润湿角低于超润湿的150°，以超润湿角150°计算，固液接触面直径与液滴高度比值为1：1.866，电极直径需小于固液接触面直径才能保证对液滴的连续操控驱动，即电极二维直径与液滴高度比需小于1：1.866，如此既保证了电极231能够有效驱动生物试剂液滴连续操控移动要求，又能保证液滴在移动过程中不会与盖板21接触。然而，本发明根据承载试剂种类以及润湿角的不同，电极直接与板间距的尺寸比例并不局限于此。

在本发明一优选实施例中，所述注液口211为4mm×4mm的方孔，该尺寸大小既有助于液滴注入时不与注液口接触，又便于在芯片中集成自动化加注设备，能够实现芯片的自动化加注，大大降低了人工成本以及人工操作可能带来的操作不当等问题。需要说明的是，本发明注液口的尺寸并不局限于此，其可以根据实际需要做相应改变，本发明并不以此为限制。

在本发明一优选实施例中，所述底板23包括基板232、电极层、介质层233和疏水层(图中未示出)，所述基板232、电极层、介质层233和疏水层依序层叠设置，所述电极层内形成所述电极231。其中，电极层内形成电极231安装功能划分为注射用电极和操控用电极，注射用电极设置在注液口211垂直投影位置，操控用电极设置在垂直投影以外的电极层位置。操控用电极在驱动信号控制下施加电压，驱动液滴按照流动路径在底板23操控区流动以实现迁移、分割、混合和震荡操作。

如图3所示，本发明的电润湿驱动芯片的操控方法，包括如下步骤：

步骤S310：将生物试剂加注设备定位在注液口处；

步骤S320：控制所述加注设备经所述注液口向芯片内注入试剂；其中，试剂直接从注液口滴落至底板上的注液区而不与注液口接触；

步骤S330：通过电极驱动滴落至注液区的试剂向底板上的操控区移动；

步骤S340：在试剂移动至操控区后按照预定的操控功能进行试剂的操作。

步骤S330包括：在注射区的注射用电极上施加电压，通过注射用电极所规划的流动路线驱动注液区的试剂液滴向操控区移动，其中试剂液滴的尺寸小于盖板和所述底板之间的板间距，使得所述试剂液滴在向操控区移动过程中不与所述注液口和所述盖板接触。

步骤S340包括：在试剂移动至操控区后，在操控区的操控用电极上加压，通过操控用电极所规划的流动路线进行迁移、分割、混合和震荡操作。

综上，本发明采用共用注液口向驱动芯片内注入多种试剂，节约芯片二维面积及电极数量，增加了试剂载量且注液口的尺寸大于试剂液滴的尺寸，一方面可以避免多种试剂从同一注液口注入的交叉污染问题，另一方面便于批量自动化注液的实现。此外，增加了芯片盖板和底板之间的板间距，避免试剂在芯片内移动时与盖板和注液口接触，造成交叉污染问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于操控多种液滴的电润湿驱动芯片，其特征在于，包括盖板、边框和底板，所述盖板通过所述边框与所述底板密封并在所述盖板和所述底板之间形成液滴流动的空间；所述底板上形成有用于驱动所述液滴在底板移动的电极；其中，所述盖板上设置注入液滴的注液口，所述注液口的尺寸大于待注入液滴的尺寸，使待注入液滴注入时不与注液口所在盖板区域接触，且所述盖板和所述底板之间的间距大于芯片内已注入液滴的尺寸，使已注入液滴在所述电极驱动下在芯片内移动时不与所述盖板接触。

2.如权利要求1所述的电润湿驱动芯片，其特征在于，所述盖板上仅设置一个注液口，所述底板上形成的电极包括操控用电极和注射用电极，所述操控用电极设置在底板操控区，用于按照操控功能需求的路径规划液滴在所述底板上流动路径；所述注射用电极设置在所述注液口垂直投影位置，用于将自所述注液口注入的液滴移动至所述底板操控区。

3.如权利要求1所述的电润湿驱动芯片，其特征在于，所述电极尺寸与所述盖板与所述底板之间的板间距尺寸比小于1:1.866。

4.如权利要求1所述的电润湿驱动芯片，其特征在于，所述注液口为4mm×4mm的方孔。

5.如权利要求1所述的电润湿驱动芯片，其特征在于，所述底板包括基板、电极层、介质层和疏水层，所述基板、电极层、介质层和疏水层依序层叠设置，所述电极层内形成所述电极。

6.如权利要求1所述的电润湿驱动芯片，其特征在于，所述操控用电极在驱动信号控制下施加电压，驱动液滴按照流动路径在底板操控区流动以实现迁移、分割、混合和震荡操作。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的电润湿驱动芯片的操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

将试剂加注设备定位在注液口处；

控制所述加注设备经所述注液口向芯片内按顺序注入多种试剂；其中，试剂直接从注液口滴落至底板上的注液区而不与注液口接触；

通过电极驱动滴落至注液区的试剂向底板上的操控区移动；

在试剂移动至操控区后按照预定的操控功能进行试剂的操作。

8.如权利要求7所述的操控方法，其特征在于，通过电极驱动滴落至注液区的试剂向底板上的操控区移动包括：

在注射区的注射用电极上加压，通过注射用电极所规划的流动路线驱动注液区的试剂向操控区移动，其中试剂液滴的尺寸小于盖板和所述底板之间的板间距，使得所述试剂液滴在向操控区移动过程中不与所述注液口和所述盖板接触。

9.如权利要求7所述的操控方法，其特征在于，在试剂移动至操控区后按照预定的操控功能进行试剂的操作包括：

在试剂移动至操控区后，在操控区的操控用电极上加压，通过操控用电极所规划的流动路线进行迁移、分割、混合和震荡操作。

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