CN116062679A - 一种开放式可重构流体芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式可重构流体芯片，包括基板，基板上设置阵列排布的微柱，微柱与其相邻的能够连成正方形的微柱围合而成的区域用于滴加液滴，液滴包括水滴、油相液滴、双亲性液滴、双疏液滴和液态金属液滴，液滴与其相邻的液滴发生融合或打断，通过不断的创建相邻的液滴，形成流体通道。本发明的流体芯片基板不存在预设的亲疏水图案，因此流道的形状设计不受限制，可以在基板上即时的根据需要随时制造出目标流体结构，能够被快速制造，具有很好的灵活性；可用于形成水相、油相、液态金属等各种液体的流道，具有很强的普适性，各种液体都可以在本发明提出的流体芯片基板中使用，这是其它的开放式流体芯片构建方案无法实现的。

Description

一种开放式可重构流体芯片

技术领域

本发明涉及流体芯片，具体为一种开放式可重构流体芯片。

背景技术

(微)流体器件在近年来得到了快速的发展，已成为科学研究、微量合成、微纳制造、生物分析器件等领域不可或缺的工具。常规的流体器件是利用各种制造技术在固态的基板上(如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等)制备出毫米、微米宽度的流道结构，然后对基板进行封装，形成具有入口和出口的封闭流体系统。这种构建方式存在制造时间长，流道结构无法原位调整，使用过程中漏液、气泡难以排除、缺乏灵活性的问题。

为了解决这些问题，人们提出了开放式流体芯片的概念，其主要理念是通过制造具有图案化亲疏水性的基板实现水的区域性吸附，从而可以在没有固态外壳的情况下构建出流道结构，大大简化了流体芯片的制造流程并一定程度上解决了传统流体芯片漏液、气泡排除、缺乏灵活性的问题。但目前的开放式流体芯片存在最大流速低(通常低于20mL/h)、流道设计高度受限于基板亲疏图案、无法构建三维流道、非水相流道难以构建、原位调整困难等一系列问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种流道形状设计不受限制、灵活性好的开放式可重构流体芯片。

技术方案：本发明所述的一种开放式可重构流体芯片，包括基板，基板上设置阵列排布的微柱，微柱与其相邻的能够连成正方形的微柱围合而成的区域用于滴加液滴，液滴包括水滴、油相液滴、双亲性液滴、双疏液滴和液态金属液滴，液滴与其相邻的液滴发生融合或打断，通过不断的创建相邻的液滴，形成流体通道。由于拉普拉斯压强的作用，液滴会被困于微柱间，形成稳定的液滴单元。

进一步地，微柱的直径为0.05～2mm，高度为0.25～10mm，间距为其直径的1.2～4倍，数量为25根～1千万根。

进一步地，微柱的形状为圆柱形、方柱形、六边柱形或八边柱形。

进一步地，微柱上设置能够构建三维空间液滴的托盘，托盘的中心与微柱的中心重合。托盘直径为微柱直径的1.2～2倍，厚度为微柱高度的0.02～0.2倍，数量为1～10。

进一步地，基板的材料在空气中的水接触角为60度～120度，否则无法形成稳定的液滴单元。基板在制作流体流道时，能够置于空气或油相中。

进一步地，油相液滴由正己烷或食用油制成，液态金属液滴由镓铟合金制成。双亲性液滴由二甲亚砜、乙醇或二甲基甲酰胺制成，双疏液滴由液态全氟聚合物或聚硅氧烷制成。

进一步地，微柱之间设置用于切断液滴的疏水薄膜，包括特氟龙膜、氟化处理的滤纸，液滴被切断，拉普拉斯压强会将该液滴拉回到相邻的两个液滴单元中，使得流道从该处被打断。

制备原理：通过制造具有特殊设计的柱状阵列基板，利用在液体界面上普遍存在的拉普拉斯压强，可将液滴稳定的困于微柱之间，形成液滴单元。相邻的液滴单元的交界面会自动融合，因此通过不断形成相邻的液滴单元，就可以构建出各种各样的流道，形成流体芯片。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、流体芯片基板不存在预设的亲疏水图案，因此流道的形状设计不受限制，可以在基板上即时的根据需要随时制造出目标流体结构，能够被快速制造，具有很好的灵活性；

2、可用于形成水相、油相、液态金属等各种液体的流道，具有很强的普适性，各种液体都可以在本发明提出的流体芯片基板中使用，这是其它的开放式流体芯片构建方案无法实现的；

3、本发明的设计方案极大的提升了可用的最大流速，对于1mm的流道，常规的开放式流体芯片最大流速很难超过20mL/h，而用本发明提出的方案制造的1mm流道最大流速在200mL/h以上，可以极大的提升装置用于微量合成时的效率，远高于普通的开放式流体芯片；

4、本发明的方案可以很容易的制造出多层的、三维的流体通道，这是基于亲疏图案表面的开放式流体芯片无法实现的；

5、在已形成的流道的某一单元中插入高疏水/油的薄片，如特氟龙薄膜、氟化处理的滤纸等，就可以在该单元处打断流道，从而实现流道的重构，具有极强的灵活性，这是目前其它方案难以实现的功能。

附图说明

图1是本发明实施例1的俯视图；

图2是本发明实施例1的主视图；

图3是本发明实施例1的制备流体通道的示意图；

图4是本发明实施例1的流体装置实物图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例2微柱的结构示意图；

图7是本发明实施例2流体通道的示意图；

图8是本发明实施例2流体通道打断的示意图；

图9是本发明实施例2在A处的局部放大图。

具体实施方式

实施例1

一种制造带萃取功能的流体芯片的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备流体芯片基板1：

如图1～2，在计算机上设计出芯片基板1模型，基板1为100*100的微柱2阵列，单根微柱2的直径1mm，高度5mm，微柱2间距(指相邻微柱2中心的距离)2mm，微柱2为圆柱形。将模型导入到DLP光固化3D打印机中，使用光敏树脂打印，光敏树脂水接触角68度，显影干燥后将微柱2阵列浸入硅油中，得到流体芯片基板1。

(2)形成流体通道4：

用移液枪向芯片基板1中加入水溶液，创建每个液滴3的用量为10微升，滴加位置为四根微柱2中间。如图3，连续的滴加液滴3即可形成流体通道4(水相通道)，最终制造出长度为30个液滴3的水相通道。

(3)形成油相流体通道4：

用移液枪向芯片基板1中加入二氯甲烷溶液，创建每个液滴3的用量为10微升，二氯甲烷流体通道4长度为30个液滴3，创建在水相流体通道4的邻位，这样可在芯片中形成水-二氯甲烷界面。

(4)器件的形成：

如图4，在水相流体通道4的两端分别插入连接了注射器的针头，将注射器安装到推拉泵上，其中入口端注射器安装在推侧，出口端注射器安装在拉侧。在二氯甲烷流体通道4两端也进行相同的操作。

(5)萃取功能的使用：

在水相流体通道4中通入包含罗丹明6G的溶液，流速2mL/h；在二氯甲烷流体通道4中通入二氯甲烷，流速5mL/h，随后即可观察到水相流体通道4流出液颜色的减淡和收集到的二氯甲烷显淡红色，证明罗丹明6G被从水相萃取到了二氯甲烷中。

本实施例中，圆柱形的微柱2可以替换为方柱形、六边柱形和八边柱形中的任意一种。微柱2的直径可以替换为0.05～2mm中的任意值，高度可以替换为0.25～10mm中的任意值，间距可以替换为微柱2直径1.2～4倍中的任意值，数量可以替换为25根～1千万根中的任意值。

实施例2

一种带有多层流道结构的具备加热功能的流体芯片的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备流体芯片基板1：

如图5，在计算机上设计出芯片基板1模型，基板1为100*100的微柱2阵列，单根微柱2的直径0.5mm，高度2.5mm，微柱2间距(指相邻微柱2中心的距离)1mm。单根微柱2为圆柱形，在其高度为1.25mm处有一直径为0.6mm，厚度为0.1mm的圆盘。将模型导入到挤出式3D打印机中，使用改性的聚苯乙烯进行3D打印(材料水接触角约110度)，得到流体芯片基板1。

如图6，微柱2上设置能够构建三维空间液滴3的托盘5，托盘5的中心与微柱2的中心重合。托盘5直径为微柱2直径的1.2～2倍，厚度为微柱2高度的0.02～0.2倍，数量为1～10。

(2)形成液态金属流体通道4：

如图7，用移液枪向芯片基板1中加入镓铟合金液态金属，创建每个液滴3的用量为4微升，滴加位置为四根微柱2中间，垂直方向上位于微柱2圆盘的下方。连续的滴加液滴3即可形成液态金属流体通道4，最终形成“S”形的长度为50个单元的液态金属流体通道4。

(3)形成水相通道：

用移液枪向芯片基板1中加入水溶液，创建每个液滴3的用量为4微升，滴加位置为四根微柱2中间，垂直方向上位于微柱2圆盘的上方，此时滴加的液滴3将被四根微柱2的圆盘托住，形成悬空的液滴3单元。连续的创建液滴3可形成水相通道。最终形成25个单元的直线形水相通道，其位于液态金属流体通道4上方。

(4)器件的形成：

在液态金属流体通道4的两端插入金属电极，分别连接电源的正负极。

(5)加热功能的使用

在液态金属流体通道4上施加7.5V电压，用红外热成像仪观察水流道的温度变化，发现在180s内水流道温度从28度上升到37度，证明制备的器件具备加热功能。

如图8～9，在三维空间中构建更加复杂的三维流体通道4时，流体通道4没有固态外壳，使用疏水的薄膜(如特氟龙膜、氟化处理的滤纸等)可直接伸入液滴3形成的液滴单元中。此时，由于该液滴单元被从中间切断，拉普拉斯压强会将该单元的液滴3拉回到相邻的两个液滴单元中，使得流道从该处被打断。将液滴单元的构建和流体通道4的打断结合，就可以快速的改变芯片中已成型的流体结构，根据需要重构流体芯片的流路设计。

Claims (10)

1.一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：包括基板(1)，所述基板(1)上设置阵列排布的微柱(2)，所述微柱(2)与其相邻的能够连成正方形的微柱(2)围合而成的区域用于滴加液滴(3)，所述液滴(3)包括水滴、油相液滴、双亲性液滴、双疏液滴和液态金属液滴，所述液滴(3)与其相邻的液滴(3)发生融合或打断，通过不断的创建相邻的液滴(3)，形成流体通道(4)。

2.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述微柱(2)的直径为0.05～2mm，高度为0.25～10mm，间距为其直径的1.2～4倍，数量为25根～1千万根。

3.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述微柱(2)的形状为圆柱形、方柱形、六边柱形或八边柱形。

4.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述微柱(2)上设置能够构建三维空间液滴(3)的托盘(5)，所述托盘(5)的中心与微柱(2)的中心重合。

5.根据权利要求4所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述托盘(5)直径为微柱(2)直径的1.2～2倍，厚度为微柱(2)高度的0.02～0.2倍，数量为1～10。

6.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述基板(1)的材料在空气中的水接触角为60度～120度。

7.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述基板(1)在制作流体流道时，能够置于空气或油相中。

8.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述油相液滴由正己烷或食用油制成，所述液态金属液滴由镓铟合金制成。

9.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述双亲性液滴由二甲亚砜、乙醇或二甲基甲酰胺制成，所述双疏液滴由液态全氟聚合物或聚硅氧烷制成。

10.根据权利要求1所述的一种开放式可重构流体芯片，其特征在于：所述微柱(2)之间设置用于切断液滴(3)的疏水薄膜。

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