[发明专利]一种能产生精确液滴的数字微流芯片

说明书

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及基于介质电润湿的上极板数字微流芯片，进一步涉及能产生精确液滴的数字微流芯片。

背景技术

作为微分析芯片的载体，数字微流控技术是指以单个液滴为操控对象的技术，是芯片实现微量和自动化的关键。而基于介质上电润湿的数字微流技术是指通过在介质结构上施加电压改变液滴在介质表面的润湿性能从而对离散液滴进行操控的微流技术。常规介质电润湿的数字微流芯片通常包括四个部分，施加驱动信号的电极层、充当电容作用的介质层、降低表面能量的疏水层以及操控对象液滴。其中，驱动电极是芯片功能中非常灵活的一部分，通过不同的电极排布、形状、尺寸等设计可以满足不同的液滴驱动功能。

在数字微流体技术中，由于操控对象是微尺度液滴，所以对液滴的量的控制有较高要求，特别是在具体的生物化学应用中，液滴大小的准确性直接关系到反应检测的结果，是数字微流体芯片商业化应用非常重要的一个环节。而在基于介质电润湿的数字微流体芯片中，普通方法的液滴产生并不能非常精准，液滴的大小往往有10%以内的误差，这主要受以下因素影响：驱动信号通过电极对液滴驱动时，由于流体特性，液滴尺寸往往大于固定电极的尺寸，使得固定尺寸的电极却得不到固定大小的液滴；另外，在传统芯片中，液滴从蓄液池中被拉出发生分裂时，液滴的分裂位置不能确定，而且快速的分裂给液滴造成较大扰动从而使其体积发生变化，这些都导致每次产生的液滴大小不一致，这种缺陷严重影响了芯片的功能。

虽然有文章报道可以加上连续微流精准控制泵给数字微流芯片提供精确液滴，但这显然不符合芯片实验室的集成性和便携性，另外也有文章报道可以在芯片上集成电容检测技术，实时检测液滴的大小以辅助精确液滴产生，但这种方法也增加了芯片制作和控制的复杂度，且其精准度也不够高。因此，如何使用简单的技术，提高介质电润湿数字微流芯片液滴产生的精确性是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种实现简单、操作性强，能产生精确液滴的数字微流芯片。

本发明提供的能够产生精确液滴的数字微流芯片，是基于介质上电润湿数字微流控双极板芯片，除了能实现普通芯片通用功能外，还可以实现精确大小的液滴产生。为实现该功能，本发明包含两个关键部分：一是在液滴产生处采用特殊的驱动电极；二是在液滴产生处，芯片两极板之间置有可供液滴流动的微管道。本发明芯片是对目前现有的数字微流芯片的改进，其改进之处在于，在液滴产生部分，在常规的方块驱动电极和蓄液池电极中间增加设置一组微细驱动电极和微管道，形成哑铃状结构。

具体地说，在液滴分裂产生处，设置一组微细驱动电极，每个微细电极的宽度比长度小得多，因此为细长电极，且按长度方向排布，负责液滴的产生和分裂。在微细驱动电极之上，芯片的双极板之间，设置有平行侧墙，与芯片上下极板一起构成液滴流动的微管道，微管道的内径等于或小于细长电极的宽度，以使管道中液滴能被细长电极有效驱动。

当需要液滴产生时，在细长电极施加驱动信号下，蓄液池中的液滴通过微管道到达驱动电极上，通过微管道下微细驱动电极处时，微细驱动电极由内而外“去电”（即先将中间微细电极“去电”，再将旁边微细电极“去电”）使液滴在管道中分裂，实现精确液滴产生。

本发明通过微细管道将液滴限制在管道中而避免液滴尺寸比驱动电极大而产生的体积误差，其次通过微细驱动电极组控制使液滴分裂发生在管道中间，这样由于管道内液滴体积相比驱动电极上液滴要小的多，故管道内的液滴不会对最终液滴体积有太大的影响，而且，利用管道内的缓慢分裂，也避免了传统芯片中液滴快速分裂对最终液滴造成的干扰。这是本发明实现精确液滴产生的关键之处

本发明中，侧墙的作用是与上下极板一起形成液滴产生的微细管道，但在双极板芯片中，侧墙同样可以作为芯片上下极板支撑的间隙，因此侧墙高度与芯片极板间隙一致，在芯片制作过程中，侧墙并不需要额外复杂的工艺，只需和极板间隙支撑物一起形成即可。

本发明中，微细驱动电极组中每个细长电极的宽度及管道的内径相对于驱动电极尺寸越小时，液滴产生的体积误差越小，但细长电极宽度过小时会导致其对液滴驱动能力不足。本发明中，优选细长电极宽度为常规驱动电极宽度的十分之一到五十分之一；而且本发明中，细长电极的长度及个数并不限定，原则上，细长电极长度越长、其个数越多，越有利于增加液滴产生的准确度，但也会增加芯片面积和驱动力需求。本发明微细驱动电极组中，优选为3-5个细长电极，更有选为3个细长电极，其总长度与常规驱动电极长度相当。