CN209049397U - 微流反应芯片及其液滴定位控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微流反应芯片及其液滴定位控制系统，包括数字微流控芯片，该数字微流控芯片包括上极板和下极板，所述上极板和下极板之间形成至少三个液滴流道，每个所述液滴流道的交汇处为反应池；在每个所述液滴流道的上方都设有一个滴定孔，该滴定孔贯穿所述上极板；所述液滴流道中至少一个为输出流道，其余为输入流道。本实用新型将数字微流控芯片的液滴流道中注满不与液滴相溶的黑色液体，并在数字微流控芯片两端加上红外激光模块和光强感应模块，能清晰并准确地观察到微液滴的驱动过程，极大地提高了复杂的微液滴输运应用的成功率。

Description

微流反应芯片及其液滴定位控制系统

技术领域

本实用新型涉及数字微流控技术领域，具体是一种微流反应芯片及其液滴定位控制系统。

背景技术

电润湿是通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角的技术；介电润湿是在电润湿技术的基础上改良发展而来的，该技术是通过在驱动电极与电解液之间增加一层微米级厚度的介电绝缘材料，从而避免电润湿中经常发生的电解反应，但是微液滴在介质层表面的润湿特性一样会发生改变。

基于介电湿润效应的数字微流控技术是近年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术，该技术利用介电润湿效应可实现液滴分配、液滴分离与合并、液滴输运四项基本操控，具有试剂消耗量少、试剂分析耗时短、设备体积小等特点，因此在农业微生物分析、化学合成、光学透镜等领域得到了非常广泛的应用。

在微生物检测，免疫化验、DNA扩增、化学合成等这些应用中，对样本容量的变化非常敏感，对液滴的驱动和控制需要非常精确。同时由于微液滴太小，肉眼无法观察到驱动过程，对液滴的驱动，合成，分离等过程难以掌控，多依赖于技术人员的经验，即便经验丰富的技术人员，多液滴的连续输运等复杂引用的成功率也非常低。

传统技术的缺陷在于：无法观察微液滴驱动过程，导致复杂的微液滴输运应用成功率低。

实用新型内容

为了解决上述无法观察微液滴驱动过程的技术缺陷，本实用新型公开了一种微流反应芯片及其液滴定位控制系统和控制方法，该系统能清晰并准确地观察到微液滴的驱动过程，极大地提高了复杂的微液滴输运应用的成功率。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种微流反应芯片，其特征在于：包括数字微流控芯片，该数字微流控芯片包括上极板和下极板，所述上极板和下极板之间形成至少三个液滴流道，每个所述液滴流道的交汇处为反应池；

进一步描述，在每个所述液滴流道的上方都设有一个滴定孔，该滴定孔贯穿所述上极板；

所述液滴流道中至少一个为输出流道，其余为输入流道。

采用上述方案，多种不同的液滴通过滴定孔分别滴到不同的输入流道中，从输入流道中流入反应池进行反应，反应后的液滴通过输出流道采集出来；其中，反应池和输出流道均低于输入流道。

进一步描述，所述上极板从上到下依次由上基板、零电极层和上疏水介电层组成，所述下极板从上到下依次由下疏水介电层、驱动电极层和下基板组成；

其中，所述驱动电极层由K个驱动电极单元构成。

采用上述方案，驱动电极单元用于驱动液滴运动，微液滴旁的驱动电极单元为正电压，其所在位置的驱动电极单元为接地参考电压，微液滴往正电压的驱动电极单元上运动。

更进一步描述，所述基板、零电极层、上疏水介电层、下疏水介电层、驱动电极层和下基板均为透明材料。

采用上述方案，透明材料可以透光，方便观察液滴运动。

一种基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其关键在于：包括：

数字微流控芯片：用于对微液滴进行分配、分离、合并、运输操作，并使微液滴间相互反应；

驱动模块：为所述数字微流控芯片提供驱动电压，驱动微液滴实现分配、分离、合并、运输和反应；

红外激光模块：用于发射阵列式红外线光束，该阵列式红外线光束从所述的底部或顶部垂直照射，该发射的阵列式红外线光束正对所述数字微流控芯片中含有微液滴的液滴流道；

光强感应模块：接收穿过所述数字微流控芯片的红外线光束，并产生光强信号传送给主控MCU模块；

主控MCU模块：用于控制所述红外激光模块发射红外线光束、接收所述光强感应模块传回的光强信号、控制驱动模块产生驱动电压、将所有信息传送给人机交互模块并接收人机交互模块的命令；

人机交互模块：用于向主控MCU模块发送命令并接收其传回的信息；

所述主控MCU模块的红外控制端连接所述红外激光模块；所述主控MCU模块的光强信号接收端连接所述光强感应模块；所述红外激光模块发射的红外线光束经所述数字微流控芯片后照射到所述光强感应模块上；所述主控MCU模块的输出端连接所述驱动模块的控制端；所述驱动模块的输出端连接所述数字微流控芯片的驱动端；所述主控MCU模块的通信端双相连接所述人机交互模块。

采用上述方案，利用液滴的透光性，在数字微流控芯片的运输通道中注满不与液滴互溶的黑色液体，通过红外激光模块发射红外线并且由光强感应模块接收，接收到红外线的地方便为微液滴的位置，人们可通过观察到的液滴位置，对其进行精准操作；所述主控MCU传送给人机交互模块的所有信息包括红外激光模块发射红外线光束的信息、光强感应模块传回的光强信号的信息和驱动模块产生驱动电压的信息。

进一步描述，所述红外激光模块为K个红外线发射器组成，每个所述红外线发射器对应一个所述驱动电极单元。

采用上述方案，驱动电极单元提供驱动电压，用于驱动微液滴运动，每个红外线发射器对应一个驱动电极单元，使人们能更准确地定位液滴，并精准地对驱动电极单元提供驱动电压。

进一步地描述，所述光强感应模块由K个光感应电路并联而成，所述光强感应模块的K个输出端分别连接所述主控MCU模块的输入端组，每个所述光感应电路对应一个所述驱动电极单元；

所述光感应电路包括光敏二极管D1，所述光敏二极管D1的负极连接电源，所述光敏二极管D1的正极连接三极管Q1的基极，该三极管Q1的集电极连接电源，所述三极管Q1的发射极作为该电路的输出端连接所述主控MCU模块，所述三极管Q1的基极还连接第二电阻R2后接地，所述三极管Q1的发射极还连接第三电阻R3后接地。

进一步地描述，所述驱动模块为驱动器U9，所述驱动器U9的数据输入端MISO连接所述控制器的数据输出端，所述驱动器U9的数据输出端MOSI连接所述控制器的数据输入端；

所述驱动器U9的驱动输出端组连接有串口P3，所述串口P3的每一个引脚对应连接一个所述驱动电极单元；

所述驱动器U9的控制电压端VCTRL连接第二十二电阻R22后连接电源VCC，所述驱动器U9的接地端组中每个引脚分别连接一个电容后接地。

进一步地描述，所述主控MCU模块包括控制器，所述控制器的输入端组连接所述光强感应模块的输出端组，所述控制器的数据输出端组连接所述驱动模块的输入端组；

所述控制器连接有测试模块，所述测试模块包括JTAG接口，所述JTAG接口的时钟端TCK连接所述控制器的测试时钟输入端，所述 JTAG接口的数据输入端TDI连接所述制器的测试数据输出端，所述 JTAG接口的数据输出端TDO连接所述控制器的测试数据输入端，所述JTAG接口的模式选择端TMS连接所述控制器的测试模式选择端，所述JTAG接口的复位端JNTRST连接所述控制器的测试复位端，所述 JTAG接口的电源端连接电源，所述JTAG接口的地端接地；

所述控制器的基准电压输入引脚AREF连接基准电压，所述控制器的数字电源端组VDD连接数字电压VCC，所述控制器的模拟电源端VDD连接模拟电压AVCC，所述控制器的数字电源端组VDD与模拟电源端VDD之间设有隔离电路；

所述控制器的晶振输入端与晶振输出端之间连接有晶振Y2，所述控制器的晶振输入端还连接第六电容C6后接地，所述控制器的晶振输出端还连接第五电容C5后接地；

所述控制器的复位端NRST连接有复位电路，所述控制器的接地端组接地。

进一步地描述，所述人机交互模块包括显示屏和输入模块；

所述人机交互模块或通过串口与所述主控MCU模块通信；

所述人机交互模块或通过无线方式与所述主控MCU模块通信。

一种基于微流反应芯片的液滴定位控制系统的控制方法，其关键在于：包括以下步骤：

S1、将数字微流控芯片的液滴流道中注满与液滴不互溶的黑色液体，并将所需移动的液滴滴入油墨中，该液滴的直径等于大于等于所述数字微流控芯片中液滴流道的厚度；

S2、根据需求，通过人机交互模块设定液滴移动信息，并将液滴移动信息发送到主控MCU模块；

S3、所述主控MCU模块控制红外激光模块发射红外光线，并随时检测光强感应模块的电平信号；

S4、所述主控MCU模块根据检测到的电平信号，对液滴进行定位分析，得到液滴的位置信息；

S5、所述主控MCU模块将液滴的位置信息传给人机交互模块，同时判断液滴是否在目标位置，是则进入步骤S8，否则进入步骤S6；

S6、根据液滴的当前所在位置，所述主控MCU模块判断出液滴所需的移动信息；

S7、所述主控MCU模块向驱动模块发送驱动信息，驱动模块根据驱动信息输出所需驱动电压驱动液滴运动，然后返回步骤S3；

S8、结束。

其中，步骤2中所述液滴移动信息包括液滴移动的目标位置、移动速度、移动时间、反应体积量、反应时间、多液滴的反应比例。

有益效果：本实用新型将数字微流控芯片的液滴流道中注满不与液滴相溶的黑色液体，并在数字微流控芯片两端加上红外激光模块和光强感应模块，能清晰并准确地观察到微液滴的驱动过程，极大地提高了复杂的微液滴输运应用的成功率。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成框图；

图2为数字微流控芯片的液滴流道分布图；

图3为数字微流控芯片的结构示意图；

图4为红外激光模块和光强感应模块的工作原理图；

图5为微液滴合成实施例；

图6为主控MCU模块的电路图；

图7为驱动模块的电路图；

图8为光强感应模块的电路图；

图9为供电模块的电路图；

图10为本实用新型的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述：

实施例：

如图2、图3所示，一种微流反应芯片，其特征在于：包括方形的数字微流控芯片1，该数字微流控芯片1包括上极板和下极板，所述上极板从上到下依次由上基板13、零电极层14和上疏水介电层15 组成，所述下极板从上到下依次由下疏水介电层16、驱动电极层17和下基板18组成；其中，如图5所示，所述驱动电极层17由八个驱动电极单元构成；所述上极板和下极板之间形成七个液滴流道11，每个所述液滴流道11的交汇处为反应池12；在每个所述液滴流道11 的上方都设有一个滴定孔19，该滴定孔19贯穿所述上极板；所述液滴流道11中一个为输出流道，其余六个为输入流道。

其中，液滴流道中每个驱动电极单元对应的液滴量，根据液滴流道的厚度、驱动电极单元的大小而定。

本实施例中，所述输出流道和反应池12均低于输入流道设置；为防止液滴从液滴流道11滑落，所述数字微流控芯片1的所有输入流道的端口密封；所述数字微流控芯片1根据液滴流道的多少设置成多边形或者圆形。

作为优选，所述基板13、零电极层14、上疏水介电层15、下疏水介电层16、驱动电极层17和下基板18均为透明材料。

如图1所示，一种基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其关键在于：包括：数字微流控芯片1：用于对微液滴进行分配、分离、合并、运输操作，并使微液滴间相互反应；驱动模块：为所述数字微流控芯片1提供驱动电压，驱动微液滴实现分配、分离、合并、运输和反应；红外激光模块2：用于发射阵列式红外线光束，该阵列式红外线光束从所述的底部或顶部垂直照射，该发射的阵列式红外线光束正对所述数字微流控芯片1中含有微液滴的液滴流道11；光强感应模块3：接收穿过所述数字微流控芯片1的红外线光束，并产生光强信号传送给主控MCU模块；主控MCU模块：用于控制所述红外激光模块2发射红外线光束、接收所述光强感应模块3传回的光强信号、控制驱动模块产生驱动电压、将所有信息传送给人机交互模块并接收人机交互模块的命令；其中所有信息包括红外激光模块2发射红外线光束信息、光强感应模块3传回的光强信号、驱动模块产生驱动电压信息；人机交互模块：用于向主控MCU模块发送命令并接收其传回的信息；所述主控MCU模块的红外控制端连接所述红外激光模块2；所述主控MCU模块的光强信号接收端连接所述光强感应模块3；所述红外激光模块2发射的红外线光束经所述数字微流控芯片1后照射到所述光强感应模块3上；所述主控MCU模块的输出端连接所述驱动模块的控制端；所述驱动模块的输出端连接所述数字微流控芯片1 的驱动端；所述主控MCU模块的通信端双相连接所述人机交互模块。

如图4、图5所示，所述红外激光模块2为八个红外线发射器组成，每个所述红外线发射器对应一个所述驱动电极单元。

如图4、图8所示，本实施例中，所述光强感应模块3由四个光感应电路并联而成，所述光强感应模块3的四个输出端分别连接所述主控MCU模块的输入端组，每个所述光感应电路对应一个所述驱动电极单元；所述光感应电路包括光敏二极管D1，所述光敏二极管D1 的负极连接电源，所述光敏二极管D1的正极连接三极管Q1的基极，该三极管Q1的集电极连接电源，所述三极管Q1的发射极作为该电路的输出端连接所述主控MCU模块，所述三极管Q1的基极还连接第二电阻R2后接地，所述三极管Q1的发射极还连接第三电阻R3后接地。

如图7所示，所述驱动模块为驱动器U9，所述驱动器U9的数据输入端MISO连接所述控制器的数据输出端，所述驱动器U9的数据输出端MOSI连接所述控制器的数据输入端；所述驱动器U9的驱动输出端组连接有串口P3，所述串口P3的每一个引脚对应连接一个所述驱动电极单元；所述驱动器U9的控制电压端VCTRL连接第二十二电阻R22后连接电源VCC，所述驱动器U9的接地端组中每个引脚分别连接一个电容后接地。

本实施例中，驱动器U9的型号为SSD1628。

如图6所示，本实施例中，所述主控MCU模块包括控制器，控制器的型号为STM32F103，所述控制器的输入端组连接所述光强感应模块的输出端组，所述控制器的数据输出端组连接所述驱动模块的输入端组；如图6和图8所示，所述控制器的输入端(Vout1～Vout4) 与所述光强感应模块的输出端(Vout1～Vout4)一一对应；所述控制器连接有测试模块，所述测试模块包括JTAG接口，所述JTAG接口的时钟端TCK连接所述控制器的测试时钟输入端，所述JTAG接口的数据输入端TDI连接所述制器的测试数据输出端，所述JTAG接口的数据输出端TDO连接所述控制器的测试数据输入端，所述JTAG接口的模式选择端TMS连接所述控制器的测试模式选择端，所述JTAG接口的复位端JNTRST连接所述控制器的测试复位端，所述JTAG接口的电源端连接电源，所述JTAG接口的地端接地；所述控制器的基准电压输入引脚AREF连接基准电压，所述控制器的数字电源端组VDD连接数字电压VCC，所述控制器的模拟电源端VDD连接模拟电压AVCC，所述控制器的数字电源端组VDD与模拟电源端VDD之间设有隔离电路；所述控制器的晶振输入端与晶振输出端之间连接有晶振Y2，所述控制器的晶振输入端还连接第六电容C6后接地，所述控制器的晶振输出端还连接第五电容C5后接地；所述控制器的复位端NRST连接有复位电路，所述控制器的接地端组接地。

本实施例中，所述人机交互模块包括显示屏和输入模块；所述人机交互模块或通过串口与所述主控MCU模块通信。

如图9所示，本实施例中还包括供电模块，该供电模块为所述数字微流控芯片1、驱动模块、红外激光模块2、光强感应模块、主控 MCU模块以及人机交互模块提供电源；所述供电模块包括开关稳压电源U7，所述开关稳压电源的输入端VIN连接12V电源，所述开关稳压电源的输入端VIN还串联第十四电容C14后接地，所述开关稳压电源的输出端串联所述第四电感L4后连接5V电源，所述开关稳压电源的输出端还连接第4稳压二极管D4的负极，所述稳压二极管D4 的正极接地，所述开关稳压电源的FEEDBACK端连接5V电源，所述开关稳压电源的ONOFF端和地端都接地；供电模块还包括低压差电压调节器U8，所述低压差电压调节器U8的输入端VIN连接5V电源， 5V电源分别连接第十五电容C15、第十六电容C16和第十七电容C17 后接地，所述低压差电压调节器U8的输出端串联第十三电阻R13后作为电源VCC，所述电源VCC分别连接第十九电容C19、第二十电容 C20和第二十一电容C21后接地，所述低压差电压调节器U8的输出端还依次串联第十二电阻R12和第五发光二极管D5后接地，所述低压差电压调节器U8的输出端还串联第十八电容C18后接地，所述低压差电压调节器U8的地端接地；所述供电模块还包括插座接口DC1，所述插座接口DC1的正极依次串联熔断器F1和第三二极管D3后连接12V电源，所述熔断器F1和第三二极管D3的公共端连接第二稳压二极管D2的负极，所述第二稳压二极管D2的正极接地，所述插座接口DC1的负极接地。

如图10所示，一种基于微流反应芯片的液滴定位控制系统的控制方法，其关键在于：包括以下步骤：

S1、将数字微流控芯片的液滴流道中注满与液滴不互溶的黑色液体，并将所需移动的液滴滴入油墨中，该液滴的直径等于大于等于所述数字微流控芯片中液滴流道的厚度；

S2、根据需求，通过人机交互模块设定液滴移动信息，并将液滴移动信息发送到主控MCU模块；其中，步骤2中所述液滴移动信息包括液滴移动的目标位置、移动速度、移动时间、反应体积量、反应时间、多液滴之间的反应比例，具体数据根据不同的实际反应进行人为设定；

S3、所述主控MCU模块控制红外激光模块发射红外光线，并随时检测光强感应模块的电平信号；

S4、所述主控MCU模块根据检测到的电平信号，对液滴进行定位分析，得到液滴的位置信息；

S5、所述主控MCU模块将液滴的位置信息传给人机交互模块，同时判断液滴是否在目标位置，是则进入步骤S8，否则进入步骤S6；

S6、根据液滴的当前所在位置，所述主控MCU模块判断出液滴所需的移动信息；

S7、所述主控MCU模块向驱动模块发送驱动信息，驱动模块根据驱动信息输出所需驱动电压驱动液滴运动，然后返回步骤S3；

S8、结束。

本实施例中，如图5所示，将A、B两个微液滴合成后输出，其中1、2和4、5为输入流道的驱动电极单元，6、7、8为输出流道的驱动电极单元，3为反应池；驱动模块驱动A、B两个液滴往中间的反应池3运动，融合后的液滴从反应池3移动到8输出。其中，本实施例中的一个驱动电极单元承载一个液滴。

Claims (8)

1.一种微流反应芯片，其特征在于：包括数字微流控芯片(1)，该数字微流控芯片(1)包括上极板和下极板，所述上极板和下极板之间形成至少三个液滴流道(11)，每个所述液滴流道(11)的交汇处为反应池(12)；

在每个所述液滴流道(11)的上方都设有一个滴定孔(19)，该滴定孔(19)贯穿所述上极板；

所述液滴流道(11)中至少一个为输出流道，其余为输入流道。

2.根据权利要求1所述的微流反应芯片，其特征在于：所述上极板从上到下依次由上基板(13)、零电极层(14)和上疏水介电层(15)组成，所述下极板从上到下依次由下疏水介电层(16)、驱动电极层(17)和下基板(18)组成；

其中，所述驱动电极层(17)由K个驱动电极单元构成。

3.根据权利要求2所述的微流反应芯片，其特征在于：所述基板(13)、零电极层(14)、上疏水介电层(15)、下疏水介电层(16)、驱动电极层(17)和下基板(18)均为透明材料。

4.一种基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其特征在于：包括数字微流控芯片(1)和主控MCU模块，所述主控MCU模块的红外控制端连接红外激光模块(2)；所述主控MCU模块的光强信号接收端连接光强感应模块(3)；所述红外激光模块(2)发射的红外线光束经所述数字微流控芯片(1)后照射到所述光强感应模块(3) 上；所述主控MCU模块的输出端连接驱动模块的控制端；所述驱动模块的输出端连接所述数字微流控芯片(1)的驱动端。

5.根据权利要求4所述的基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其特征在于：所述红外激光模块(2)为K个红外线发射器组成，每个所述红外线发射器对应一个驱动电极单元。

6.根据权利要求4所述的基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其特征在于：所述光强感应模块(3)由K个光感应电路并联而成，所述光强感应模块(3)的K个输出端分别连接所述主控MCU模块的输入端组，每个所述光感应电路对应一个驱动电极单元；

所述光感应电路包括光敏二极管D1，所述光敏二极管D1的负极连接电源，所述光敏二极管D1的正极连接三极管Q1的基极，该三极管Q1的集电极连接电源，所述三极管Q1的发射极作为该电路的输出端连接所述主控MCU模块，所述三极管Q1的基极还连接第二电阻R2后接地，所述三极管Q1的发射极还连接第三电阻R3后接地。

7.根据权利要求4所述的基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其特征在于：所述驱动模块为驱动器U9，所述驱动器U9的数据输入端MISO连接控制器的数据输出端，所述驱动器U9的数据输出端MOSI连接所述控制器的数据输入端；

所述驱动器U9的驱动输出端组连接有串口P3，所述串口P3的每一个引脚对应连接一个驱动电极单元；

所述驱动器U9的控制电压端VCTRL连接第二十二电阻R22后连接电源VCC，所述驱动器U9的接地端组中每个引脚分别连接一个电容后接地。

8.根据权利要求4所述的基于微流反应芯片的液滴定位控制系统，其特征在于：所述主控MCU模块包括控制器，所述控制器的输入端组连接所述光强感应模块的输出端组，所述控制器的数据输出端组连接所述驱动模块的输入端组；

所述控制器连接有测试模块，所述测试模块包括JTAG接口，所述JTAG接口的时钟端TCK连接所述控制器的测试时钟输入端，所述JTAG接口的数据输入端TDI连接所述制器的测试数据输出端，所述JTAG接口的数据输出端TDO连接所述控制器的测试数据输入端，所述JTAG接口的模式选择端TMS连接所述控制器的测试模式选择端，所述JTAG接口的复位端JNTRST连接所述控制器的测试复位端，所述JTAG接口的电源端连接电源，所述JTAG接口的地端接地；

所述控制器的基准电压输入引脚AREF连接基准电压，所述控制器的数字电源端组VDD连接数字电压VCC，所述控制器的模拟电源端VDD连接模拟电压AVCC，所述控制器的数字电源端组VDD与模拟电源端VDD之间设有隔离电路；

所述控制器的晶振输入端与晶振输出端之间连接有晶振Y2，所述控制器的晶振输入端还连接第六电容C6后接地，所述控制器的晶振输出端还连接第五电容C5后接地；

所述控制器的复位端NRST连接有复位电路，所述控制器的接地端组接地。