[发明专利]一种超疏水单极板数字微液滴输运装置及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域和生物医学技术领域，涉及一种新型的微液滴输运装置及其制作方法，尤其涉及一种超疏水单极板数字微液滴输运装置及其制作方法。

背景技术

20世纪90年代初，A.Manz首次提出了微全分析系统的概念，它的目标是将生物医学等领域样品的基本操作单元微型化并集成到厘米级芯片上，实现常规实验室的各种检测、分析功能，因此微全分析系统又称芯片实验室(Lab on a Chip)。芯片实验室主要包括微流控芯片和生物芯片两大类。其中，微流控芯片又分为连续微流控芯片和数字微流控芯片。

连续微流控芯片的目标样品是连续流体，而数字微流控芯片的目标样品是数字微液滴。数字微流控芯片是近年来才逐渐发展起来的，相比于连续微流控芯片，数字微流控芯片有以下优点：1、数字微流控芯片消耗的样品剂量少，不容易造成浪费，且会使样品处理更加便捷和省时；2、数字微流控芯片不需要制作微流道，因此，相对于连续微流控芯片来说，不容易造成样品污染；3、数字微流控芯片不需要微泵、微阀等可动器件，芯片结构相对简单，且易于实现集成化。4、数字微流控芯片可以驱动各种溶液，它比连续微流控芯片有更广泛的应用范围。

传统的基于介电润湿效应的数字微流控芯片采用双极板结构，它通常由固体基片、微电极、介质层以及疏水层组成。但它的结构较为复杂，且上极板也接触到样品，因此会存在样品沾污到上下两层极板的问题，从而造成样品的浪费，导致需要不断补充试样，对于有些珍贵的样品，这种浪费是不可忽略的，这无疑影响了实验的进一步开展。另外，传统的数字微流控芯片的驱动电压过高，会导致样品失去生物活性，丧失了实验的意义。

氮化硼纳米管具有良好的机械、电学、热学及磁学性能，是一种新兴的具有很广泛的潜在应用价值的一种材料。不可否认的是，氮化硼纳米管还是一种超疏水材料，其疏水角可高达150°-160°，比传统的疏水材料的疏水角高出30°-40°，且其介电常数高，这对减少数字微流控器件的沾染浪费、降低数字微流控器件的驱动电压无疑是非常有用的，且目前尚未有此方面的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的超疏水单极板数字微液滴输运装置及其制作方法，该装置采用一种超疏水层材料——氮化硼纳米管作为疏水层结构，目的在于减少样品沾染带来的浪费，同时有效地降低驱动电压，以保持样品的生物活性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超疏水单极板数字微液滴输运装置，从下到上依次为基底、电极、介质层、超疏水层，其中：基底为玻璃或Si基底，电极为ITO玻璃电极、Au/Cr（Au/Ti）或Al/Cr（Al/Ti）薄膜电极，超疏水层为氮化硼纳米管。

一种上述超疏水单极板数字微液滴输运装置的制作方法，包括如下步骤：

一、清洗基底；

二、在基底上制备电极；

三、在电极上淀积一层介质层；

四、在介质层上旋涂氮化硼纳米管超疏水层。

本发明中，超疏水层氮化硼纳米管的厚度为0.0001-0.1mm，其表面形貌如图3所示，疏水角可高达150°-160°（图4），可以实现节约样品和降低驱动电压的功能。

描述固—液接触角与外加电压关系的Young-Lippmann经典方程是：

从上述方程可以看出，对于一定的电压值，高疏水角材料的角度变化比低疏水角材料的角度变化更大。因此，要实现一定的角度变化量，高疏水材料所需的电压显然比低疏水材料所需的电压小。这就使得数字微流控器件的驱动电压得以降低。换言之，高疏水材料上的微液滴所受的阻力更小，因此由于施加电压而产生的不平衡力更容易超过微液滴所受的阻力，从而降低了驱动电压。这非常有利于与IC后端工艺相融合。此外，采用超疏水材料的另一个好处是减少了样品在极板上运动过程中造成的沾染浪费，这是由于微液滴在运动过程中不需要过多地润湿基底，这样就避免了样品的不断补充，简化了装置，提高了实验效率。

本发明的优点在于：整个数字微流控芯片采用微机械加工工艺实现，结构简单，操作方便，且易于后续功能的扩展。本发明减少了珍贵试样的浪费，且降低了驱动电压，保持了样品的生物活性，提高了实验的可行性及实用性，促进了生物医学领域实验的顺利进行，且方便与IC集成以实现更多的功能。

附图说明

图1为发明的超疏水单极板数字微液滴操控装置；

图2为电极施加上电压后液滴的形状；

图3为超疏水层——氮化硼纳米管在扫描电子显微镜下的表面形貌图；