[发明专利]一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片

说明书

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片。

背景技术

数字微流控芯片是指以离散液滴为操作对象的微型化芯片，是片上实验室（LOC）自动化操控的重要部分。而基于介质上电润湿效应的数字微流控芯片主要包括驱动和接地电极、介质层、疏水层等部分，是以电压信号对液滴进行操控，因此具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

对于数字微流控芯片，其批量处理及高通量是其重要功能指标，也是能否应用于芯片实验室的一个瓶颈。而基于介质上电润湿的数字微流控芯片是以电极为控制单元对液滴进行操控，因此需要大量的电极单元。传统的介质上电润湿数字微流控芯片主要有两种电极结构配置：一是分立型电极结构，二是条状电极结构。分立型电极结构是利用一定形状尺寸的分立电极对液滴进行单独操控，每一个分立电极为一个控制单元，需要一个控制信号，这样对于有M×N个控制单元的二维芯片需要M×N个控制信号，这对于多功能批量处理芯片是非常巨大的，而且电极的引线是一个瓶颈。而条状电极结构是利用两套条状的电极相互交叉组成控制单元对液滴进行操控，其优点是可以地大大减少了控制信号，如对于具有M×N个液滴控制单元的芯片只需要M+N个控制信号。但目前基于条状电极结构的数字微流芯片有两种芯片结构，一是两套条状电极均置于芯片的下极板，这样芯片制作困难，控制复杂，且存在易击穿等问题；二是两套条状电极分别置于上下极板，这虽然可以进行有效操控，但这种上极板有驱动电极的双平面芯片不易于光学检测及其它功能的集成、限制了芯片的应用范围。

因此，设计出能够实现单平面二维批量操控，但又具有较少驱动信号，且引线、制作方便的数字微流控芯片具有非常重要的意义，能够解决芯片实验室应用瓶颈以及大大拓宽其应用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够实现单平面二维驱动，且制作简单、操控方便、扩展能力强的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片。

在本发明之前，申请人曾提出一种限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法【申请号：201210073446.8】，利用该方法，能够使用两个驱动信号即能实现液滴单向输运，极大地精简了引线及驱动信号。本发明是在上述单向输运的基础上的改进。

本发明提出的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片，由若干单向驱动电极组成行电极，通过精简的信号配置和合理的电极排布实现液滴单平面二维驱动；其中：

单向驱动电极为“月缺”形状，在一个方向上，电极互对两个边界为平行直线；在另一个垂直方向上，电极一侧边界为凹状圆弧，另一侧为凸状圆弧；

单向驱动电极凹凸相对，相互嵌套，正对紧密排列成行电极；

在行电极方向上，相邻的单向驱动电极电气绝缘，而间隔的单向驱动电极电气相连，每个行电极只需两个控制信号；

相邻行电极左右相反、正对紧密排列，以组成棋盘状芯片二维驱动单元。

本发明中，邻近电极边界凹凸相对，相互嵌套排列成行电极，相邻电极电气绝缘，而相间电极电气相连。这样，当行电极上无论有多少个分立的“月缺”电极都只需两个控制信号，也就是说，只需两个控制信号即可以控制行电极上的控制单元。而当一定尺寸的液滴位于该行电极上时，通过对两个控制信号端轮流施加电压信号即可以控制液滴沿着电极的由凸至凹的方向实现单向输运。这样实现了精简信号控制使液滴能够在一个维度一个方向上运动。那么要实现液滴二维多方向上运动，只需要将上述的行电极一行行正对紧密排列起来，形成棋盘状电极控制单元。在行电极垂直方向上（列方向），各个“月缺”电极是正对排列，并不存在错位，因此在该方向上，液滴的控制与传统分立电极的数字微流控芯片一致。为了增加液滴运动自由度及简化控制，相邻行电极左右相反，因为行电极的单向性，邻近行电极液滴的单向输运方向是相反的，这样芯片就可以在行电极上实现两个方向运动。这样的电极排布，其优势非常明显：在列电极方向上，与常规数字微流芯片一样，可以实现液滴双向输运，以及产生、分裂、合并等多个功能；而在行电极方向上，在某一行实现液滴的单向输运，而在整体上实现液滴的双向操控，而且每行控制信号可以精简为两个，这使得电极内引线非常简便，对于具有M*N个控制单元的数字微流控芯片，而无论N的值为多大，都只需2M个控制信号，最大化地精简了控制信号，是目前为止，数字微流控芯片领域最为精简的控制方式。