CN115845947A - 基于液体电极的微流道系统、微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液体电极的微流道系统、微流控芯片及其制备方法，所述微流道系统包括：分散相输送流道、第一连续相流道及第二连续相流道、液滴生成流道、液滴输送流道、第一电极流道及第二电极流道；所述第一电极流道及第二电极流道为U型流道，适于对称地分别设于所述液滴输送流道的两侧；当所述第一电极流道及第二电极流道分别通入所述第一导电溶液及第二导电溶液时，所述液滴生成流道及液滴输送流道中的分散相导电溶液适于与所述第一电极流道及第二电极流道中的第一导电溶液及第二导电溶液静电感应，以使所述分散相导电溶液生成带电液滴。本发明技术方案能够改善微流控技术的充电结构，简化微流控芯片制造工艺。

Description

基于液体电极的微流道系统、微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种基于液体电极的微流道系统、一种基于液体电极的微流控芯片以及一种微流控芯片的制备方法。

背景技术

微流控技术拥有诸多优点，譬如：高效率、试剂消耗量小、体积小、无污染等特点使得液滴微流控技术从无到有，发展迅速。基于液滴的微流控技术是微流控领域中一个具有重大潜力的方向，液滴微流控技术旨在通过不相容的多相流体构造离散的微液滴，微液滴相互独立的性质可保证生化反应在像隔室一样的微液体环境中进行，可实现数字化、可编程化，为解决生化医疗方面极具挑战的研究问题提供了平台。

鉴于微液滴技术消耗试剂少，均匀性好，具有较高的比表面积，可独立控制的优点，微液滴已成为生物、化学、医疗、材料制备应用中的重要实验平台。复杂的生化研究往往涉及液滴样品的封装、混合、反应和测量等一系列复杂的处理过程，液滴分选、分裂、融合、捕获、释放等精准液滴操控技术将使这些复杂的处理过程变得更加便捷、简单，为对液滴完成上述操作，目前采用多种方法进行处理，譬如：基于声学的方法、基于磁学的方法、基于热学的方法、基于电学的方法等，其中基于电学的方法由于其响应快、可控性高、兼容性好、容易实施等优点使其成为对液滴操作最有可行性的一种方法。

目前基于电学的方法进行液滴的操作，研究人员已经使用过介电泳法、电湿润法、静电法等来对液滴进行分离、合并、高效分选，其中：介电泳法结构简单但是对液滴的操作效率比较低、产生的介电泳力也较小；电湿润方法是通过改变电压来改变微流控芯片表面的润湿性完成对液滴的操作，操作效率低，难以实现高速稳定的液滴操作；静电法虽然可以稳定的进行液滴操作，但是现阶段中静电法相关芯片对液滴充电结构较为复杂需要设置专门电极接触液滴，难以实施。总的来说，上述液滴操作方法中没有办法同时达到简洁、高效、快速、无污染的效果。

公开号为CN103865795B的中国发明专利于2014年6月18日公开了一种电压控制分选细胞的微流控芯片，涉及一种电压控制分选细胞的微流控芯片，属于微流控芯片领域。该电压控制分选细胞的微流控芯片包括：液滴产生部，充电部，电压控制部和液滴收集部；所述液滴产生部包括海藻酸钠通道和与海藻酸钠通道垂直的油通道；所述充电部包括海藻酸钠通道和分布在海藻酸钠通道两侧的充电电极；所述电压控制部包括两条海藻酸钠子通道，皆与海藻酸钠通道相连，并且连接点有一三角形尖劈；两条海藻酸钠子通道的两侧皆分布充电电极，且海藻酸钠子通道在进入充电电极之前连接一注油管道。

该电压控制分选细胞的微流控芯片虽然提供了一种生成液滴与液滴充电独立进行的结构，可完成液滴生成与充电，但是存在多种不足，具体缺陷为：

一、液滴充电结构复杂，该液滴芯片充电结构是由金属薄膜电极组成，需要在基板上进行金属电极的制备，使得制备工艺复杂，增加芯片制备难度。

二、该技术方案采用非接触式充电，当该发明专利的微流控芯片的充电区域内存在两个或多个液滴时，无法完成对单个液滴的充电，产生的电量少，液滴带电量少，充电效果低；且该微流控芯片难以实现单个液滴的可控按需充电，无法充分控制，使得液滴呈现正电、负电、不带电的特性。

三、该技术方案中液滴微流控芯片生成液滴后难以实现单个液滴充电，液滴的生成与充电结构分离，当区域内存在两个液滴时，充电就是两个同时充，无法做到单个充电。

四、该技术方案对芯片充电与生成液滴分离，无法实现生成液滴与液滴充电同时完成，芯片结构非常复杂。

发明内容

本发明技术方案解决的技术问题为：如何改善微流控技术的充电结构，简化微流控芯片制造工艺。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案提供了一种基于液体电极的微流道系统，包括：分散相输送流道、第一连续相流道及第二连续相流道、液滴生成流道、液滴输送流道、第一电极流道及第二电极流道；所述分散相输送流道适于与分散相入口连接，以输送分散相导电溶液；所述第一连续相流道及第二连续相流道适于分别与第一连续相入口及第二连续相入口连接，以输送第一连续相流体及第二连续相流体；所述分散相输送流道适于与所述第一连续相流道及第二连续相流道交叉连接以形成十字交叉处，所述十字交叉处连接至所述液滴生成流道；所述分散相导电溶液适于与所述第一连续相流体及第二连续相流体在所述十字交叉处交汇以进入所述液滴生成流道，所述分散相导电溶液适于在所述液滴生成流道受到所述第一连续相流体及第二连续相流体的剪切力以在所述液滴生成流道生成被包裹液滴；所述液滴生成流道适于连接至所述液滴输送流道，所述液滴输送流道连接至液滴收集口；所述第一电极流道及第二电极流道为U型流道，适于对称地分别设于所述液滴输送流道的两侧；所述第一电极流道适于与第一导电溶液入口连接，以通入第一导电溶液；所述第二电极流道适于与第二导电溶液入口连接，以通入第一导电溶液；当所述第一电极流道及第二电极流道分别通入所述第一导电溶液及第二导电溶液时，所述液滴生成流道及液滴输送流道中的分散相导电溶液适于与所述第一电极流道及第二电极流道中的第一导电溶液及第二导电溶液静电感应，以使所述分散相导电溶液生成带电液滴。

可选的，所述分散相输送流道为第一矩形流道，该第一矩形流道的宽为50微米、深度为50微米。

可选的，所述第一连续相流道及第二连续相流道分别为第二矩形流道，该第二矩形流道的宽为60微米、深度为50微米。

可选的，所述液滴生成流道为第三矩形流道，该第三矩形流道的宽度为50微米、深度为50微米且长度为50微米。

可选的，所述液滴输送流道为第四矩形流道，该第四矩形流道的宽度为100微米、深度为50微米。

可选的，所述第一电极流道的一端适于与所述第一导电溶液入口连接、另一端适于与第一排气口连接；所述第二电极流道的一端适于与所述第二导电溶液入口连接、另一端适于与第二排气口连接。

可选的，所述基于液体电极的微流道系统还包括：所述分散相入口、第一连续相入口、第二连续相入口、第一导电溶液入口、第一排气口、第二导电溶液入口、第二排气口及液滴收集口。

可选的，所述十字交叉处适于向上连接至所述第一连续相流道、向下连接至所述第二连续相流道、向左连接至所述分散相输送流道、向右依次连接至所述液滴生成流道及液滴输送流道；

所述第一电极流道及第二电极流道的U型端口在配置时相背设置；配置时，所述第一电极流道的U型底部接近于所述液滴输送流道设置，左侧流道接近于所述第一连续相流道设置；所述第二电极流道的U型顶部接近于所述液滴输送流道设置，左侧流道接近于所述第二连续相流道设置。

可选的，所述第一电极流道的U型底部与所述液滴输送流道设置距离为500微米，左侧流道与所述第一连续相流道的设置距离为2毫米；所述第二电极流道的U型顶部与所述液滴输送流道设置距离为500微米，左侧流道与所述第二连续相流道的设置距离为2毫米。

可选的，所述第一电极流道及第二电极流道分别为第五矩形流道，该第五矩形流道的宽度为400微米、深度为50微米；所述第一电极流道及第二电极流道的U型流道宽度为100微米、深度为50微米。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案还提供了一种基于液体电极的微流控芯片，包括：流道基片及封合基片；所述流道基片上设有如上所述的液滴微流道系统，所述封合基片上设有：分散相接头、第一连续相接头、第二连续相接头、第一电极接头、第一电极排气口接头、第二电极接头、第二电极排气口接头及液滴收集口接头；所述分散相接头、第一连续相接头、第二连续相接头、第一电极接头、第一电极排气口接头、第二电极接头、第二电极排气口接头及液滴收集口接头适于在所述封合基片与流道基片键合时对应地与所述流道基片的分散相入口、第一连续相入口、第二连续相入口、第一导电溶液入口、第一排气口、第二导电溶液入口、第二排气口及液滴收集口同轴配合并连接贯通。

可选的，所述流道基片材料为PDMS、玻璃或者PMMA；所述封合基片材料为玻璃或者PMMA。

可选的，所述分散相接头为可导电的接头，适于与外部分散相电极相接以使所述分散相导电溶液导电。

可选的，所述第一电极接头及第二电极接头为可导电的接头，分别适于与外部第一电极及外部第二电极相接以使所述第一导电溶液及第二导电溶液导电。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案还提供了一种微流控芯片的制备方法，包括：

基于单晶硅片进行芯片阳模制备，以获得如上所述的液滴微流道系统阳模；

对所述液滴微流道系统阳模静疏水化处理；

将所制备流道基片的材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备流道基片的微流道系统；

冷却所制备的流道基片并对该流道基片的微流道系统进行切割及打孔，以制备得到所需流道基片；

基于制备得到的流道基片进行流道封装，以得到微流控芯片。

可选的，所述微流控芯片的制备方法还包括：对封合基片进行清洗并进行表面亲水处理；

所述基于制备得到的流道基片进行流道封装包括：

将制备得到的流道基片与所述封合基片键合以流道封装。

可选的，所述对封合基片进行清洗并进行表面亲水处理包括：

将所述封合基片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在温度为常温的热板上，缓慢升温至120℃并加热30min，烘干得到干燥的封合基片；

将所述封合基片放置在等离子体清洗机中进行表面活化。

可选的，所述将制备得到的流道基片与所述封合基片键合以流道封装包括：

将所述流道基片与封合基片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，在超声清洗机里各清洗15min，以去除流道基片与封合基片表面的杂质，保持清洁；

将流道基片放入氧等离子体清洗机中，在120W的功率下轰击2min；

流道基片轰击完毕后，等待腔体内压力上升到大气压，不取出流道基片，将封合基片放入氧等离子体清洗机的腔体中，与流道基片在120W的功率下共同被轰击32s，随后取出；

取出流道基片与封合基片后，在两者待键合的表面滴上几滴无水乙醇作为润滑剂，以便封合基片在流道基片上滑动直至正确对齐，用滚刷按压对准贴合后的芯片，直到把流道基片与封合基片之间的气泡都挤压出去为止；

对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理。

可选的，所述对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理包括：

将部分粘合的流道基片与封合基片放入真空干燥箱内进行抽气，以去除无水乙醇。

可选的，所述对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理包括：

将粘合后的流道基片与封合基片放至95℃的加热平台上进行加热24h。

可选的，所述微流控芯片的制备方法还包括：在基于所述单晶硅片进行芯片阳模制备步骤之前，对单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理。

可选的，所述对单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理包括：

将所述单晶硅片置于食人鱼溶液并加热；

将加热后的单晶硅片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在120°的热板上加热30min使得所述单晶硅片完全干燥；

将清洗后的单晶硅片表面朝上，放置在等离子体清洗机完成清洗处理。

可选的，所述微流控芯片的制备方法还包括：

在所述流道基片流道封装前，对制备得到的流道基片静置、冲洗及烘干，以制备得到所述流道基片。

可选的，所述基于单晶硅片进行芯片阳模制备包括：

将光刻胶注射在所述单晶硅片中心位置并将带有光刻胶的硅片放置在匀胶机吸盘上方，使用匀胶机对光刻胶进行旋涂；

将硅片放置在加热台上进行前烘，将具备预先设计所述液滴微流道系统的掩模置于光刻机腌膜架上；

使用光刻机对硅片进行光刻；

在光刻后对硅片进行后烘及显影，最后氮气吹干，并再次放置在加热台上进行坚模烘烤，以获得所述液滴微流道系统阳模。

可选的，所述液滴微流道系统阳模的厚度为50微米。

可选的，所述对所述液滴微流道系统阳模静疏水化处理包括：

将得到的微流道系统阳模放置于挥发缸中，取三滴全氟基癸基三乙硅烷滴入挥发缸中，密封后，将挥发缸放置于烘箱中进行加热烘烤。

可选的，所述将所制备流道基片的材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备流道基片的微流道系统包括：

将PDMS预聚物与固化剂按重量比10:1均匀混合，搅拌均匀后置于真空干燥箱中脱气30min；

采用注射器吸取一定量的PDMS浇注到微流道系统阳模板上，并放置在真空干燥箱中脱气30min，之后置于加热台加热固化，以制备得到流道基片的微流道系统。

本发明技术方案的有益效果至少包括：

本发明技术方案所提供的微流道系统及微流控芯片采用了液体电极，结构较为简单，且利用液体电极可实现生成液滴与液滴充电同时进行，大大简化了液滴充电微流控芯片的制备工艺，为液滴微流控提供高效的操作方式，大大提高了制造与使用的效率。

本发明技术方案提供的微流控芯片在生成液滴后可按需充电，使得生成的液滴可于表面带有电荷；本发明技术方案能够大大增强了液滴类微流控芯片的操作性，极大增强了液滴微流控芯片对液滴分裂、偏转、移动、融合等操作性。

本发明技术方案能够使得液滴微流控芯片生成的液滴按照需求带正电、负电或不带电；进一步实现了液滴生成的同时按需为液滴充电，使得相关液滴类产品实用性更强；本发明技术方案可实现液滴生成与液滴充电同时进行，简化了芯片结构；进一步也简化了芯片制备工艺；本发明技术方案无需额外布置电极即可实现对液滴的充电，优化了微流控芯片实现液滴充电的技术方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1-1为本发明技术方案提供的一种微流道系统的结构示意图；

图1-2为本发明技术方案提供矩形流道及电极流道深度示意图；

图2为本发明技术方案提供的微流道系统接电状态下的工作状态示意图；

图3为本发明技术方案提供的一种微流道系统接头结构示意图；

图4为本发明技术方案提供的一种微流控芯片的结构示意图；

图5为本发明技术方案提供的一种微流控芯片的制备方法步骤流程示意图。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1-1所示的一种基于液体电极的微流道系统，可设于微流控芯片的流道基片上，包括：分散相输送流道1、连续相流道2、连续相流道6、液滴生成流道7、液滴输送流道8、电极流道5及电极流道9。分散相输送流道1可与微流控芯片的分散相入口连接，以输送分散相导电溶液。连续相流道2及连续相流道6分别可对应地与微流控芯片的连续相入口连接，以输送对应的连续相流体。

继续参考图1-1，本发明技术方案的微流道系统中，分散相输送流1与连续相流道2及连续相流道6交叉连接以形成十字交叉处，十字交叉处在图1-1中以三角形图形示意。该十字交叉处连接至液滴生成流道7。

因此，在本发明技术方案中，分散相输送流1、连续相流道2、连续相流道6以及液滴生成流道7十字交叉。在面向图1-1方向，分散相输送流1与液滴生成流道7在十字交叉处的左右两侧相对布置，连续相流道2及连续相流道6在十字交叉处的上下两侧相对布置。

继续参考图1-1，在分散相输送流1导入分散相导电溶液，分散相导电溶液适于与连续相流道2、连续相流道6中的连续相流体在十字交叉处交汇以进入所述液滴生成流道。图1-1中，示意了分散相导电溶液流动方向a、连续相流道2中连续相流体的流动方向b及连续相流道6中连续相流体的流动方向c。在液滴生成流道中的分散相导电溶液受到来自b向及c向连续相流体的剪切力以及自身的表面张力后，发生断裂将产生一个一个被包裹的液滴。

继续参考图1-1，液滴生成流道7可连接至液滴输送流道8。液滴输送流道8连接液滴收集口。液滴收集口可以设于微流控芯片，也可在液滴输送流道8的端口配置。液滴收集端可连接至微流控芯片的液滴收集口。具体的，液滴输送流道8端口可呈辐射状分成多条分离通道，该多条分离通道适于分别与多个微流控芯片的液滴收集口连接。

继续参考图1-1，电极流道5及电极流道9为对称地设于液滴输送流道8两侧的U型流道。这两个U型流道都具有两个流道端口，一个流道端口为导电溶液端口，另一个流道端口为排气端口。

在本发明技术方案的微流道系统中采用了液体电极，电极流道5及电极流道9的导电溶液端口可与微流控芯片的导电溶液入口对应连接，为电极流道5及电极流道9通入导电溶液。同时，电极流道5及电极流道9的排气端口可与微流控芯片的电极排气口对应连接。当电极流道5及电极流道9的导电溶液端口通入导电溶液，电极流道通电后将分散相流道中的通电流体感应带电，使液滴生成流道7产生的液滴带电。

更为具体的，通过电极流道5及电极流道9构成的液体电极，可对分散相导电溶液的液滴进行充电。结合图2，图2示意了本发明技术方案的上述微流道系统在使用时的通电情况。由于分散相导电溶液导电并在使用时通电(可以是如图2所示对分散相导电溶液接地)，电极流道5及电极流道9可以根据需要在使用时通入导电溶液，并使构成的液体电极接正电或者负电(如图2所示对电极流道5及电极流道9构成的液体电极接正压或者负压)：

当液体电极接负电之后，液体电极与分散相导电溶液中的液滴进行静电感应，在分散相导电溶液表面产生正电荷，此时生成的液滴将带正电，即形成图1-1中带正电液滴(4)；

当充电电极接正电之后，液体电极与分散相导电溶液中的液滴进行静电感应，在分散相导电溶液表面产生负电荷，此时生成的液滴将带负电，即形成图1-1中带负电液滴(3)。

在微流控芯片通电工作时，采用本发明技术方案的微流道系统，因电极流道5及电极流道9是液体电极，且在通电时与十字交叉结构中的液滴生成同时工作，因此本发明技术方案的微流道系统可以实现液滴生成与液滴充电同时工作的技术效果。

本实施例微流道系统的上述十字交叉处在上、下、左及右方向的描述是相对的，即基于十字交叉处向上连接至连续相流道6、向下连接至连续相流道2、向左连接至分散相输送流道1、向右依次连接至液滴生成流道7及液滴输送流道8。

电极流道5及电极流道9的U型端口在配置时相背设置；配置时，电极流道9的U型底部接近于液滴输送流道8设置，左侧流道接近于连续相流道6设置；电极流道5的U型顶部接近于液滴输送流道8设置，左侧流道接近于连续相流道2设置。

在本实施例中，也可以按如下尺寸及形状配置相应的流道系统：

结合图1-1，电极流道9的U型底部与液滴输送流道8设置距离S1为500微米，左侧流道与连续相流道6的设置距离S2为2毫米。同样的，电极流道5的U型顶部与液滴输送流道8设置距离S3为500微米，左侧流道与连续相流道2的设置距离S4为2毫米。

更为具体的，分散相输送流道1为矩形流道，该矩形流道的宽可为50微米、深度为50微米。连续相流道2及连续相流道6分别为矩形流道，该矩形流道的宽可为60微米、深度为50微米。液滴生成流道7为矩形流道，该矩形流道的宽度为50微米、深度为50微米且长度为50微米。液滴输送流道8为矩形流道，该矩形流道的宽度为100微米、深度为50微米。电极流道5及电极流道9分别为矩形流道，该矩形流道的宽度为400微米、深度为50微米；电极流道5及电极流道9的U型流道宽度为100微米、深度为50微米。本实施例对分散相输送流道1、连续相流道2、连续相流道6、液滴输送流道8的长度不作限制。

需要说明的是：

上述微流道系统的尺寸与形状设置为本实施例提供的较佳实例，在其他实施例中，也可以根据需要配置其他尺寸。

矩形流道的宽度指的是图1-1中图示流道的宽度，例如：分散相输送流道1中示意的流道的宽度k1。矩形流道的深度指的是图1-1中流道在流道基片的刻蚀深度(该矩形流道深度详见图1-2中示意的流道深度)。电极流道的深度同样指的是图1-1中电极流道在流道基片的刻蚀深度(电极流道深度详见图1-2中示意的电极流道之流道深度)。液滴生成流道7的长度指的是图1-1中的流道长度k2。

实施例二

基于如图1-1所示的微流道系统，如图3所示的微流道系统，包括：分散相输送流道108、连续相流道110、连续相流道109、液滴生成流道111、液滴输送流道112、电极流道114及电极流道113。分散相输送流道108、连续相流道110、连续相流道109、液滴生成流道111、液滴输送流道112、电极流道114及电极流道113的连接结构与功能与实施例一所述的分散相输送流道1、连续相流道2、连续相流道6、液滴生成流道7、液滴输送流道8、电极流道5及电极流道9一致。

除了上述结构外，图3所示的微流道系统还包括设于流道基片的：分散相入口101、连续相入口103、连续相入口102、导电溶液入口104、排气口105、导电溶液入口106、排气口107及液滴收集口115。

具体的，结合图3，分散相输送流道108的一端与分散相入口101连接，另一端与十字交叉处(图中未示出)连接；连续相流道110的一端与连续相入口103连接，另一端与十字交叉处连接；连续相流道109的一端与连续相入口102连接，另一端与十字交叉处连接连续；液滴生成流道111的一端与十字交叉处连接，另一端连接至液滴输送流道112；液滴输送流道112的一端与液滴生成流道111连接，另一端连接至液滴收集口115；电极流道114的一端连接至导电溶液入口106，另一端连接至排气口107；电极流道113的一端连接至导电溶液入口104，另一端连接至排气口105。

本实施例中，微流道系统不仅包括流道基片的流道系统，也包括流道接口。在其他实施例中，可以根据需要配置流道接口。本实施例不作限制。

实施例三

本实施例提供了一种基于液体电极的微流控芯片，能够同时实现液滴生成与液滴充电，如图3所示，由流道基片及封合基片键合而成，芯片的流道入口处连接相应的接头。具体的：

流道基片上配置有如实施例二所述的微流道系统，即包括：分散相输送流道108、连续相流道110、连续相流道109、液滴生成流道111、液滴输送流道112、电极流道114、电极流道113以及分散相入口101、连续相入口103、连续相入口102、导电溶液入口104、排气口105、导电溶液入口106、排气口107及液滴收集口115。

封合基片上设有：分散相接头201、连续相接头202、连续相接头203、电极接头204、电极排气口接头205、电极接头206、电极排气口接头207及液滴收集口接头208。

具体的，继续参考图4，封合基片上的：分散相接头201与分散相输送流道108的分散相入口101同轴配合并连接贯通；连续相接头202与连续相流道110的连续相入口103同轴配合并连接贯通；连续相接头203与连续相流道109的连续相入口102同轴配合并连接贯通；电极接头204与电极排气口接头205分别位于电极流道113两端，电极接头204与电极流道113的导电溶液入口104同轴配合并连接贯通，电极排气口接头205与电极流道113的排气口105同轴配合并连接贯通；电极接头206与电极排气口接头207分别位于电极流道114两端，电极接头206与电极流道114的导电溶液入口106同轴配合并连接贯通，电极排气口接头207与电极流道114的排气口107同轴配合并连接贯通；液滴收集口接头208与液滴输送流道112连接的液滴收集口115同轴配合并连接贯通。

本实施例制作微流控芯片的流道基片材料可为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、玻璃或者PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。封合基片材料可为玻璃或者PMMA。

图4中的分散相接头201为可导电的接头，适于与外部分散相电极相接以在通电工作时使本发明技术方案通入分散相输送流道的分散相导电溶液导电。具体的，分散相接头201的材质可为导电金属材料如：铝、铜等，也可以是导电非金属材料如：碳管、导电陶瓷等。当所述分散相入口接头201与外部电极相接且电极通电，输送流道108中的导电流体将会导电，并与充电流道(电极流道114、电极流道113)中的导电流体进行静电感应。

对应的，电极接头204与电极接头206也为可导电的接头，分别适于与外部控制电极相接以在通电工作时使液体电极的导电溶液导电，使构成的液体电极接正电或者负电。电极接头204与电极接头206的材质可为导电金属材料如：铝、铜等，也可为导电非金属材料如：碳管、导电陶瓷等。当电极接头204及电极接头206与外部控制电极相接且控制电极通电时，电极流道114、电极流道113中的导电流体都将会导电(正电或负电)，并对液滴生成流道111中的液滴充电，即与电极流道114、电极流道113中的导电流体进行相应静电感应。

实施例四

基于实施例三，本实施例还提供了一种微流控芯片的制备方法，如图5所示包括如下步骤：

步骤S100，基于单晶硅片进行芯片阳模制备，以获得液滴微流道系统阳模。

步骤S100中的液滴微流道系统阳模，其液滴微流道系统可以是实施例一或实施例二记载的液滴微流道系统。

步骤S100中，在对单晶硅片进行芯片阳模制备之前也可以先对单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理，具体过程可以是：

将所述单晶硅片置于食人鱼溶液并加热；

将加热后的单晶硅片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在120°的热板上加热30min使得所述单晶硅片完全干燥；

将清洗后的单晶硅片表面朝上，放置在等离子体清洗机完成清洗处理。

更为具体的，步骤S100中，可通过如下步骤通过单晶硅片进行芯片阳模制备：

将光刻胶注射在所述单晶硅片中心位置并将带有光刻胶的硅片放置在匀胶机吸盘上方，使用匀胶机对光刻胶进行旋涂；

将硅片放置在加热台上进行前烘，将具备预先设计所述液滴微流道系统的掩模置于光刻机腌膜架上；

使用光刻机对硅片进行光刻；

在光刻后对硅片进行后烘及显影，最后氮气吹干，并再次放置在加热台上进行坚模烘烤，以获得所述液滴微流道系统阳模。

上述步骤中所指具备预先设计所述液滴微流道系统的掩模可以是已预先设计好的实施例二所记载的液滴微流道系统掩模。

本实施例中的液滴微流道系统阳模的厚度可以是50微米。

步骤S101，对液滴微流道系统阳模静疏水化处理。

步骤S101中，可通过如下过程对所述液滴微流道系统阳模静疏水化处理：将得到的微流道系统阳模放置于挥发缸中，取三滴全氟基癸基三乙硅烷滴入挥发缸中，密封后，将挥发缸放置于烘箱中进行加热烘烤。

步骤S102，将所制备流道基片的材料浇筑于微流道系统阳模以制备流道基片的微流道系统。

步骤S102中，可通过如下步骤将所制备流道基片的材料浇筑于所述微流道系统阳模：

将PDMS预聚物与固化剂按重量比10:1均匀混合，搅拌均匀后置于真空干燥箱中脱气30min；

采用注射器吸取一定量的PDMS浇注到微流道系统阳模板上，并放置在真空干燥箱中脱气30min，之后置于加热台加热固化，以制备得到流道基片的微流道系统。

制备流道基片的材料可以是上述实施例所称：PDMS、玻璃或者PMMA等材料。

步骤S103，冷却所制备的流道基片并对该流道基片的微流道系统进行切割及打孔，以制备得到所需流道基片。

步骤S104，基于制备得到的流道基片进行流道封装，以得到微流控芯片。

步骤S104中，可预先清洗封合基片，并将封合基片进行表面亲水处理，将制备得到的流道基片与所述封合基片键合以实现流道封装。

流道基片优选地采用实施例二的微流道系统阳模，封合基片上可采用实施例三的接头结构与流道基片配合封装。封合基片具体可以是玻璃基片或者PMMA基片。

可采用如下步骤对封合基片进行清洗并进行表面亲水处理：

将所述封合基片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在温度为常温的热板上，缓慢升温至120℃并加热30min，烘干得到干燥的封合基片；

将所述封合基片放置在等离子体清洗机中进行表面活化。

可采用如下步骤将制备得到的流道基片与封合基片键合以流道封装：

将所述流道基片与封合基片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，在超声清洗机里各清洗15min，以去除流道基片与封合基片表面的杂质，保持清洁；

将流道基片放入氧等离子体清洗机中，在120W的功率下轰击2min；

流道基片轰击完毕后，等待腔体内压力上升到大气压，不取出流道基片，将封合基片放入氧等离子体清洗机的腔体中，与流道基片在120W的功率下共同被轰击32s，随后取出；

取出流道基片与封合基片后，在两者待键合的表面滴上几滴无水乙醇作为润滑剂，以便封合基片在流道基片上滑动直至正确对齐，用滚刷按压对准贴合后的芯片，直到把流道基片与封合基片之间的气泡都挤压出去为止；

对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理。

对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理的方式可采用如下两种方式，具体为：

将部分粘合的流道基片与封合基片放入真空干燥箱内进行抽气，以去除无水乙醇；或者，

将粘合后的流道基片与封合基片放至95℃的加热平台上进行加热24h。

在执行步骤S104之前，也可以先对步骤S103制备的流道基片静置、冲洗及烘干，以制备得到所述流道基片(也可称为流道基底)。

应用例

基于实施例四的应用例，本应用例的微流控芯片的制备方法包括：

对一玻璃基片及一单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理；

在所述玻璃基片用于流道封装；

基于所述单晶硅片进行芯片阳模制备，获得微流道系统阳模(微流道系统阳模基于实施例二所述的微流道系统)；

对所述微流道系统阳模进行疏水化处理；

将制备流道基片的PDMS材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备PDMS微流道系统；

冷却所述PDMS的微流道系统并对所述微流道系统进行切割及打孔，以制备得到PDMS基片；

将具备外部电极的玻璃基片(该玻璃基片具有实施例三所指封合基片上的各接头结构及接头在通电工作时所需连接的外部电极/控制电极)静置、冲洗及烘干，以制备得到所述玻璃基底；

将所述玻璃基底与PDMS基片键合。

可选的，按如下步骤对玻璃基片进行清洗：将所述玻璃基片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在温度为常温的热板上，缓慢升温至120℃并加热30min，烘干得到干燥的玻璃基片。

具体的：

可按如下步骤对玻璃基片进行表面亲水处理：将所述玻璃基片放置在等离子体清洗机中进行表面活化。

可按如下步骤对单晶硅片进行清洗：

将所述单晶硅片置于食人鱼溶液并加热；

将加热后的单晶硅片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在120°的热板上加热30min使得所述单晶硅片完全干燥。

可按如下步骤对单晶硅片进行表面亲水处理：将清洗后的单晶硅片表面朝上，放置在等离子体清洗机完成清洗处理。

所述基于所述单晶硅片进行芯片阳模制备包括：

将光刻胶注射在单晶硅片中心位置并将带有光刻胶的硅片放置在匀胶机吸盘上方，使用匀胶机对光刻胶进行旋涂；

将硅片放置在加热台上进行前烘，将具备预先设计流道系统的掩模置于光刻机腌膜架上；

使用光刻机对硅片进行光刻；

在光刻后对硅片进行后烘及显影，最后氮气吹干，并再次放置在加热台上进行坚模烘烤，以获得芯片阳模。

可通过如下过程对所述微流道系统阳模进行疏水化处理：

将得到的微流道系统阳模放置于挥发缸中，取三滴全氟基癸基三乙硅烷滴入挥发缸中，密封后，将挥发缸放置于烘箱中进行加热烘烤。

可通过如下过程将制备的PDMS材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备PDMS微流道系统：

将PDMS预聚物与固化剂按重量比10:1均匀混合，搅拌均匀后置于真空干燥箱中脱气30min，然后采用注射器吸取一定量的PDMS浇注到微流道系统阳模板上，并放置在真空干燥箱中脱气30min，之后置于加热台加热固化，最后制备得到所述PDMS微流道系统。

可通过如下步骤将所述玻璃基底与PDMS基片键合：

将玻璃基底与PDMS依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，在超声清洗机里各清洗15min，以去除玻璃基底和PDMS表面的杂质，保持清洁；

将玻璃基底放入氧等离子体清洗机中，在120W的功率下轰击2min；

玻璃基底轰击完毕后，等待腔体内压力上升到大气压，不取出玻璃基底，将PDMS放入氧等离子体清洗机的腔体中，与玻璃基底在120W的功率下共同被轰击32s，随后取出；

取出玻璃基底与PDMS后，在两者待键合的表面滴上几滴无水乙醇作为润滑剂，以便PDMS在玻璃基底上滑动直至正确对齐，用滚刷按压对准贴合后的芯片，直到把玻璃基底与PDMS之间的气泡都挤压出去为止；

接着将部分粘合的玻璃基底与PDMS放入真空干燥箱内进行抽气，以去除无水乙醇并增强粘合程度。

也可以选择将上述粘合后的玻璃基底与PDMS基片放至95℃的加热平台上进行加热24h即可增强玻璃基底与PDMS的粘合强度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (27)

1.一种基于液体电极的微流道系统，其特征在于，包括：分散相输送流道、第一连续相流道及第二连续相流道、液滴生成流道、液滴输送流道、第一电极流道及第二电极流道；

所述分散相输送流道适于与分散相入口连接，以输送分散相导电溶液；

所述第一连续相流道及第二连续相流道适于分别与第一连续相入口及第二连续相入口连接，以输送第一连续相流体及第二连续相流体；

所述分散相输送流道适于与所述第一连续相流道及第二连续相流道交叉连接以形成十字交叉处，所述十字交叉处连接至所述液滴生成流道；

所述分散相导电溶液适于与所述第一连续相流体及第二连续相流体在所述十字交叉处交汇以进入所述液滴生成流道，所述分散相导电溶液适于在所述液滴生成流道受到所述第一连续相流体及第二连续相流体的剪切力以在所述液滴生成流道生成被包裹液滴；

所述液滴生成流道适于连接至所述液滴输送流道，所述液滴输送流道连接至液滴收集口；

所述第一电极流道及第二电极流道为U型流道，适于对称地设于所述液滴输送流道的两侧；所述第一电极流道适于与第一导电溶液入口连接，以通入第一导电溶液；所述第二电极流道适于与第二导电溶液入口连接，以通入第二导电溶液；当所述第一电极流道及第二电极流道分别通入所述第一导电溶液及第二导电溶液时，所述液滴生成流道及液滴输送流道中的分散相导电溶液适于与所述第一电极流道及第二电极流道中的第一导电溶液及第二导电溶液静电感应，以使所述分散相导电溶液生成带电液滴。

2.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述分散相输送流道为第一矩形流道，该第一矩形流道的宽为50微米、深度为50微米。

3.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述第一连续相流道及第二连续相流道分别为第二矩形流道，该第二矩形流道的宽为60微米、深度为50微米。

4.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述液滴生成流道为第三矩形流道，该第三矩形流道的宽度为50微米、深度为50微米且长度为50微米。

5.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述液滴输送流道为第四矩形流道，该第四矩形流道的宽度为100微米、深度为50微米。

6.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述第一电极流道的一端适于与所述第一导电溶液入口连接、另一端适于与第一排气口连接；所述第二电极流道的一端适于与所述第二导电溶液入口连接、另一端适于与第二排气口连接。

7.如权利要求6所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，还包括：所述分散相入口、第一连续相入口、第二连续相入口、第一导电溶液入口、第一排气口、第二导电溶液入口、第二排气口及液滴收集口。

8.如权利要求1至7任一项所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述十字交叉处适于向上连接至所述第一连续相流道、向下连接至所述第二连续相流道、向左连接至所述分散相输送流道、向右依次连接至所述液滴生成流道及液滴输送流道；

所述第一电极流道及第二电极流道的U型端口在配置时相背设置；配置时，所述第一电极流道的U型底部接近于所述液滴输送流道设置，左侧流道接近于所述第一连续相流道设置；所述第二电极流道的U型顶部接近于所述液滴输送流道设置，左侧流道接近于所述第二连续相流道设置。

9.如权利要求8所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述第一电极流道的U型底部与所述液滴输送流道设置距离为500微米，左侧流道与所述第一连续相流道的设置距离为2毫米；所述第二电极流道的U型顶部与所述液滴输送流道设置距离为500微米，左侧流道与所述第二连续相流道的设置距离为2毫米。

10.如权利要求1所述的基于液体电极的微流道系统，其特征在于，所述第一电极流道及第二电极流道分别为第五矩形流道，该第五矩形流道的宽度为400微米、深度为50微米；所述第一电极流道及第二电极流道的U型流道宽度为100微米、深度为50微米。

11.一种基于液体电极的微流控芯片，包括：流道基片及封合基片，其特征在于，所述流道基片上设有如权利要求1至10任一项所述的液滴微流道系统，所述封合基片上设有：分散相接头、第一连续相接头、第二连续相接头、第一电极接头、第一电极排气口接头、第二电极接头、第二电极排气口接头及液滴收集口接头；所述分散相接头、第一连续相接头、第二连续相接头、第一电极接头、第一电极排气口接头、第二电极接头、第二电极排气口接头及液滴收集口接头适于在所述封合基片与流道基片键合时对应地与所述流道基片的分散相入口、第一连续相入口、第二连续相入口、第一导电溶液入口、第一排气口、第二导电溶液入口、第二排气口及液滴收集口同轴配合并连接贯通。

12.如权利要求11所述的基于液体电极的微流控芯片，其特征在于，所述流道基片材料为PDMS、玻璃或者PMMA；所述封合基片材料为玻璃或者PMMA。

13.如权利要求11所述的基于液体电极的微流控芯片，其特征在于，所述分散相接头为可导电的接头，适于与外部分散相电极相接以使所述分散相导电溶液导电。

14.如权利要求11所述的基于液体电极的微流控芯片，其特征在于，所述第一电极接头及第二电极接头为可导电的接头，分别适于与外部第一电极及外部第二电极相接以使所述第一导电溶液及第二导电溶液导电。

15.一种微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括：

基于单晶硅片进行芯片阳模制备，以获得如权利要求1至10任一项所述的液滴微流道系统阳模；

对所述液滴微流道系统阳模进行疏水化处理；

将所制备流道基片的材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备流道基片的微流道系统；

冷却所制备的流道基片并对该流道基片的微流道系统进行切割及打孔，以制备得到所需流道基片；

基于制备得到的流道基片进行流道封装，以得到微流控芯片。

16.如权利要求15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，还包括：对封合基片进行清洗并进行表面亲水处理；

所述基于制备得到的流道基片进行流道封装包括：

将制备得到的流道基片与所述封合基片键合以流道封装。

17.如权利要求16所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述对封合基片进行清洗并进行表面亲水处理包括：

将所述封合基片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在温度为常温的热板上，缓慢升温至120℃并加热30min，烘干得到干燥的封合基片；

将所述封合基片放置在等离子体清洗机中进行表面活化。

18.如权利要求16所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述将制备得到的流道基片与所述封合基片键合以流道封装包括：

将所述流道基片与封合基片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，在超声清洗机里各清洗15min，以去除流道基片与封合基片表面的杂质，保持清洁；

将流道基片放入氧等离子体清洗机中，在120W的功率下轰击2min；

流道基片轰击完毕后，等待腔体内压力上升到大气压，不取出流道基片，将封合基片放入氧等离子体清洗机的腔体中，与流道基片在120W的功率下共同被轰击32s，随后取出；

取出流道基片与封合基片后，在两者待键合的表面滴上几滴无水乙醇作为润滑剂，以便封合基片在流道基片上滑动直至正确对齐，用滚刷按压对准贴合后的芯片，直到把流道基片与封合基片之间的气泡都挤压出去为止；

对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理。

19.如权利要求18所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理包括：

将部分粘合的流道基片与封合基片放入真空干燥箱内进行抽气，以去除无水乙醇。

20.如权利要求18所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述对所述粘合后的流道基片与封合基片进行增强粘合处理包括：

将粘合后的流道基片与封合基片放至95℃的加热平台上进行加热24h。

21.如权利要15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，还包括：在基于所述单晶硅片进行芯片阳模制备步骤之前，对单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理。

22.如权利要21所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述对单晶硅片进行清洗并进行表面亲水处理包括：

将所述单晶硅片置于食人鱼溶液并加热；

将加热后的单晶硅片用丙酮、无水乙醇以及去离子水分别在超声清洗15min，取出用氮气枪吹干，放置在120°的热板上加热30min使得所述单晶硅片完全干燥；

将清洗后的单晶硅片表面朝上，放置在等离子体清洗机完成清洗处理。

23.如权利要求15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，还包括：

在所述流道基片流道封装前，对制备得到的流道基片静置、冲洗及烘干，以制备得到所述流道基片。

24.如权利要求15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述基于单晶硅片进行芯片阳模制备包括：

将光刻胶注射在所述单晶硅片中心位置并将带有光刻胶的硅片放置在匀胶机吸盘上方，使用匀胶机对光刻胶进行旋涂；

将硅片放置在加热台上进行前烘，将具备预先设计所述液滴微流道系统的掩模置于光刻机腌膜架上；

使用光刻机对硅片进行光刻；

在光刻后对硅片进行后烘及显影，最后氮气吹干，并再次放置在加热台上进行坚模烘烤，以获得所述液滴微流道系统阳模。

25.如权利要求24所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述液滴微流道系统阳模的厚度为50微米。

26.如权利要求15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述对所述液滴微流道系统阳模静疏水化处理包括：

将得到的微流道系统阳模放置于挥发缸中，取三滴全氟基癸基三乙硅烷滴入挥发缸中，密封后，将挥发缸放置于烘箱中进行加热烘烤。

27.如权利要求15所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述将所制备流道基片的材料浇筑于所述微流道系统阳模以制备流道基片的微流道系统包括：

将PDMS预聚物与固化剂按重量比10:1均匀混合，搅拌均匀后置于真空干燥箱中脱气30min；

采用注射器吸取一定量的PDMS浇注到微流道系统阳模板上，并放置在真空干燥箱中脱气30min，之后置于加热台加热固化，以制备得到流道基片的微流道系统。

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