基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元制造技術

本發明專利技術屬于數字微流控技術領域，具體為一種基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元。該混合單元主要包括入口區、混合區和出口區三大部分，通過獨特的單向驅動電極和閉環性電極排布以及精簡電極連接方式可以實現液滴的快速、高效、自動、可靠混合。本發明專利技術具有設計新穎、控制簡單、可靠性好、實用性強及自動化程度高等許多優點，可廣泛應用于各種數字微流體芯片中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數字微流
，具體涉及基于介質上電潤濕的數字微流技術芯片，尤其涉及一種基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元。
技術介紹
芯片實驗室(Lab-on-a_chip,L0C)作為一項新興的技術，由于具有高集成性、高精度、低耗性等許多優點，正受到越來越多的關注，具有很好的研究及應用前景。而所謂芯片實驗室是指能夠完成生物化學處理各個過程，將能自動完成傳統實驗室任務的復雜功能微小化、集成化的MEMS系統。其目標是在單個器件上集成完全的分析過程，能夠完成樣品提取、樣品預處理、分解分離、生物化學反應、分析檢測、數據處理等操做。作為芯片實驗室的動力部分，微流控技術起著至關重要的作用。而基于電潤濕的數字微流技術是指通過施加電壓來控制單個液滴的一項微流技術，由于具有相對簡單、較好的可控性及驅動能力，被認為是LOC應用中最可行，最具發展前景的技術。 目前基于電潤濕的數字微流技術在實用芯片上的功能主要集中在對液體樣品的分配、輸運、混合、提取、分離等多種處理，而樣品的混合這一功能至關重要，是數字微流芯片應用的基礎部分，是芯片實驗室微型化、自動化、商用化的關鍵。在目前的電潤濕數字微流芯片中，樣品的混合主要兩大類方法第一類是芯片上簡單直接混合，即通過驅動兩種樣品液滴合并，其后使合并液滴輸運一段路徑，在輸運過程中，兩種樣品實現慢慢混合。這種方法其實就是利用數字微流芯片的液滴合并和輸運功能，可以直接利用芯片的驅動電極，方法直接簡單，不需額外功能單元。但這種方法也存在明顯缺點，首先是混合速率很慢，因為它是依靠傳統芯片的液滴輸運過程來完成的，而傳統的液滴輸運只能走直線路徑，這樣液滴的混合效率很低，需要較長的液滴輸運路徑或較長的混合時間。其次，由于液滴的混合沒有專用的功能單元，而液滴較長時間的混合輸運會造成芯片的污染。最后，由于受芯片普通驅動電極的約束，所混合液滴的大小尺寸受限制。而第二類混合方法是采用額外的輔助方法，例如在數字微流芯片上集成聲波振蕩、磁力攪拌等方法進行混合，這類混合方法可以得到較好的混合效率及效果，但是需要額外的功能單元，增加了芯片的復雜度及商用成本，而且集成度低限制了微流芯片的微型化。因此，需要一種簡單易行，混合效果好、混合效率高、集成度高、成本低的液滴混合功能裝置以集成在數字微流芯片中，以滿足芯片實驗室的應用要求。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種基于電潤濕數字微流芯片的液滴混合單元，以集成在數字微流芯片中，能夠實現液滴的簡單、高效混合。本專利技術的混合原理是基于液滴的輸運，即通過將液滴以一定方式快速輸運一定路徑以達到自動混合的目的。本專利技術提供的基于電潤濕數字微流芯片的液滴混合單元，包括三個部分第一部分是混合單元的入口區；該部分主要是牽引液滴進入混合單元，入口部分的驅動電極可以是獨立電極，也可以是混合單元內部驅動電極電極的一部分，電極的形狀大小并不限定，只要滿足能將混合單元外液滴輸運到混合單元內的混合驅動電極即可。入口的位置和數目也并不限定。第二部分是混合單元的混合區；該部分是混合單元的主要功能部分，實施對液滴的高效混合。這一部分由單向驅動電極組成。每個驅動電極首尾相靠、相互嵌套形成封閉的環狀結構，使液滴的混合路徑為圓環曲線。利用該設計，使液滴無論在單個電極的運動上還是整條混合路徑上運動均為曲線，這樣可以大大地提高液滴的混合效率；而且該部分使用精簡電極相連，把相間電極電氣相連，這樣使整個混合單元的最小控制信號可以為兩個，極大地精簡了控制系統。在該部分中，混合單元的驅動電極至少為4個，但并無上限，只要能保證電極排布成環狀封閉結構即可。該部分的單向驅動電極可采用如下結構方式。電極形狀是不對稱的分立電極，每個電極分為3個部分一是呈短棒狀且頂端為圓弧的電極頭部(E41)，該部分用來在開始時牽引鄰近電極液滴到該電極上，頂端為圓弧形，以增加液滴驅動力；二是帶有圓型缺口的 電極中部(E42)，該部分是液滴開始接觸驅動電極到液滴穩定在驅動電極的過度部分，圓形缺口的作用是增加液滴驅動能力及單向性；三是方塊圓弧狀且尾部有缺口的電極尾部(E43)，該部分是液滴在驅動電極上的穩定部分，尾部缺口是便于和相鄰電極的頭部嵌套；整體的電極結構滿足如下條件對于一定大小的液滴，無論其處于電極上任何位置，只要能有效覆蓋電極某一部分，對電極施加驅動信號，它都能最終到達電極尾部的穩定部分； 第三部分是混合單元的出口區；該部分主要是將混合單元的液滴輸出，出口部分的驅動電極可以是獨立電極，也可以是混合單元內部驅動電極電極的一部分，電極的形狀大小并不限定，但要滿足處于該部分的液滴能有效接觸到混合驅動電極從而使液滴能輸入混合單元進行混合。出口的位置和數目也并不限定。 應當指出，傳統的數字微流芯片的混合單元并未明確界定入口、出口，本專利技術的定義有利于液滴快速進出混合單元，并能與微流芯片的其它功能單元有效結合。這是本專利技術的創新點之一。而且，在本專利技術中，利用不對稱驅動電極以及封閉的環形路徑使液滴混合時的輸運路徑不為直線，這樣能大大提高混合效率，這又是本專利技術的創新點。另外，在本專利技術中，由于使用單向驅動電極及精簡電極連接方式，不需要事先知道液滴位置，只需對兩個驅動電極輪流施加驅動信號即可以實現液滴的高速自動輸運混合。本專利技術中，所述“單元”是指具有一定功能的多個部件的有機組合。本專利技術中，所述“液滴”是指能用于電潤濕驅動的溶液滴，其成分可以是單一的生物樣品、化學溶液等，也可以是多成分組成，如外面包裹著一層油膜的液滴等，其大小并不限定，可以為次微微升到若干毫升之間。本專利技術中，所述“驅動電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成不為O以使電潤濕驅動能夠發生，所述“接地電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成O或與O足夠接近。本專利技術中，所述“相互嵌套”是指驅動電極之間有一部分幾何包含區，但在電氣上并不相連，以保證單液滴接觸到某一驅動電極的某一部分時，其也能接觸相應鄰近電極的一部分。本專利技術提供的液滴混合單元具有如下顯著優勢 1.直接利用液滴輸運功能，簡單方便、易于集成； 2.具有進出口部分，能實現液滴快速進出，并能與其它部分有效結合； 3.與傳統混合方法相比，具有更快的混合速率及更好的混合效果； 4.混合部分只需兩個驅動信號，大大降低了控制復雜度； 5.利用獨特的單向電極，可實現全自動混合，具有較高的可靠性； 6.利用獨特的電極配置，可使混合驅動電極數目任意增加卻不影響芯片的控制。 附圖說明圖I為本專利技術的液滴混合單元的一種電潤濕數字微流體芯片結構示意圖。圖2為本專利技術的基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元示意圖。圖3是本專利技術的一種單向驅動電極結構圖示。具體實施例方式本專利技術提供的基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元可以有多種具體的芯片實現方式，本實施方式只列舉一種常見的數字芯片結構以說明其實施原理。應當指出，本實施方式是為了說明目的而提供，而不在意以任何方式限制本專利技術的范圍。基于本專利技術的一種電潤濕數字微流體芯片結構如圖I所示。在襯底11上為本專利技術的混合單元驅動電極1-4。用作基板的材料并不固定，只要絕緣即可，如可以為石英、玻璃、絕緣的硅片等；而電極(包括下面所述的接地電極)可以由任何導電材料組成。應當說明，示意圖的混合驅動電極只以4個為例，但其實際數目并不限本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元，其特征在于由入口區、混合區和出口區三大部分組成，采用液滴快速輸運方式實現混合；其中：入口區用于牽引液滴進入混合單元，入口區部分的驅動電極是獨立電極，或者是混合單元內部驅動電極電極的一部分；？混合區是主要功能部分，實施對液滴的高效混合；混合區由單向驅動電極組成，每個驅動電極首尾相靠、相互嵌套形成封閉的環狀結構，使液滴的混合路徑為圓環曲線；出口區用于將混合單元的液滴輸出，出口區部分的驅動電極是獨立電極，或是合單元內部驅動電極的一部分。

【技術特征摘要】
1.一種基于電潤濕數字微流體芯片的液滴混合單元，其特征在于由入口區、混合區和出口區三大部分組成，采用液滴快速輸運方式實現混合；其中 入口區用于牽引液滴進入混合單元，入口區部分的驅動電極是獨立電極，或者是混合單元內部驅動電極電極的一部分； 混合區是主要功能部分，實施對液滴的高效混合；混合區由單向驅動電極組成，每個驅動電極首尾相靠、相互嵌套形成封閉的環狀結構，使液滴的混合路徑為圓環曲線； 出口區用于將混合單元的液滴輸出，出口區部分的驅動電極是獨立電極，或是合單元內部驅動電極的一部分。2.根據權利要求I所述混合單元，其特征在于所述混合區的單向驅動電極采用如下結構方式電極形狀是不對稱的分立電極，每個電極分為3個部分一是...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李嘉，陳建鋒，周嘉，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：