本發(fā)明涉及微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置和方法。

背景技術(shù)：

微流控芯片是一種高度集成的芯片，它能實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作的全自動(dòng)操作與分析。這種芯片利用微流控通道形成網(wǎng)絡(luò)、使用液體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，從而可取代普通化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室人工完成的各種操作。微流控芯片的最大優(yōu)勢(shì)在于多種功能單元在整體可控的微小芯片上的規(guī)模集成、良好融合，使得微流控芯片成為未來(lái)生化分析的重要技術(shù)。而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模操控液體可控反應(yīng)的基礎(chǔ)在于對(duì)液體、氣泡等微流控內(nèi)組成部分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)來(lái)控制這些組成部分，并對(duì)分析與操作過(guò)程的完成程度做出判斷。

對(duì)于微流控芯片中液體來(lái)說(shuō)，其大小、形狀、速度、是否有氣泡存在和內(nèi)含物濃度等特征對(duì)于最終生化表達(dá)與檢驗(yàn)結(jié)果影響顯著，迄今為止，研究者提出了基于多種原理的檢測(cè)方法，如光學(xué)檢測(cè)法和基于電容傳感的檢測(cè)方法。

光學(xué)檢測(cè)方法在液體中混合熒光素，利用激光照射樣品并反射到多通道的光子計(jì)數(shù)器和光電倍增管，達(dá)到檢測(cè)液體的平均長(zhǎng)度及平均間隔期信息。但熒光標(biāo)記有可能會(huì)引起分析物質(zhì)生化學(xué)活性發(fā)生改變，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。光電倍增管檢測(cè)到的是液體的平均信息，不能精確控制液體。同時(shí)這樣的方法需要大型的實(shí)驗(yàn)儀器，無(wú)法在高度集成的微流控芯片上實(shí)現(xiàn)多通道的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

而電容式檢測(cè)方法依賴于不同介質(zhì)介電常數(shù)的改變引起的電容變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，避免了光學(xué)檢測(cè)方法的多種缺點(diǎn)，但由于液體引起的電容變化很小，其后端檢測(cè)電路變得相對(duì)復(fù)雜，外接電源的使用也不利于其在沒(méi)有電源供應(yīng)場(chǎng)合的使用。

因此，提供一種微流控中液體或者氣泡的檢測(cè)方法是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置和方法，以實(shí)現(xiàn)有效地檢測(cè)微流控芯片中的液體和氣泡。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置，包括：襯底材料、電極陣列、絕緣疏水材料、微流控通道支撐材料和微流控芯片中的微流控通道；

所述襯底材料，用于支撐微流控芯片；

所述電極陣列，用于位于所述襯底材料的上部，用于感應(yīng)固液摩擦起電；

所述絕緣疏水材料，用于位于所述電極陣列的上部，和液體摩擦起電，并起到絕緣作用；

所述微流控通道，用于位于所述絕緣疏水材料的上方，引導(dǎo)液體從所述絕緣疏水材料上流過(guò)；

所述微流控通道支撐材料，用于支撐所述微流控通道。

進(jìn)一步地，所述電極陣列包括多個(gè)梳齒狀的導(dǎo)電電極，各個(gè)導(dǎo)電電極互相連接，并且按照指定的排列規(guī)則排列，構(gòu)成陣列。

進(jìn)一步地，所述絕緣聚合物與所述微流控通道的空腔具有相同尺寸。

進(jìn)一步地，所述襯底材料為有一定硬度的材料；所述電極陣列的材料為具有一定導(dǎo)電能力的材料；所述絕緣疏水材料為有一定疏水能力的材料或附著于普通絕緣材料上的疏水涂層。

進(jìn)一步地，所述微流控通道由所述微流控通道支撐材料內(nèi)部形成的空腔構(gòu)成，微流控芯片中液體、空氣和各種反應(yīng)物在所述微流控通道中進(jìn)行流動(dòng)與交換。

一種基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法，適合于所述的基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置，包括：

將所述基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置設(shè)置在微流控芯片的液體通道中；

使用微流控芯片中的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)使液體從覆蓋有絕緣疏水材料的電極陣列上流過(guò)；

測(cè)量所述電極陣列兩端的電流，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)的方向、速度信息。

進(jìn)一步地，所述的測(cè)量所述電極陣列兩端的電流，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)的方向、速度信息，包括：

當(dāng)在單方向的流動(dòng)中，所述電極陣列兩端輸出的單個(gè)信號(hào)序列中只包括單個(gè)方向的電流信號(hào)，則確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)；并根據(jù)所述單個(gè)方向的電流信號(hào)為正向信號(hào)或者反向信號(hào)，判斷出所述不含氣泡的液體的流動(dòng)方向。

進(jìn)一步地，所述的測(cè)量所述電極陣列兩端的電流，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)的方向、速度信息，包括：

當(dāng)確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)后，所述電極陣列兩端輸出的電流信號(hào)的幅度正比于所述液體在所述電極陣列上的流動(dòng)速率。

進(jìn)一步地，所述的測(cè)量所述電極陣列兩端的電流，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)的方向、速度信息，包括：

當(dāng)確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)后，設(shè)單個(gè)電流信號(hào)在所述電極陣列上的對(duì)應(yīng)電極上的持續(xù)時(shí)間為t，所述對(duì)應(yīng)電極的電極寬度為w，所述液體在所述電極陣列上的流動(dòng)速率v的計(jì)算公式如下：

v＝w/t。

進(jìn)一步地，所述的測(cè)量所述電極陣列兩端的電流，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)的方向、速度信息，包括：

當(dāng)在單方向的流動(dòng)中，所述電極陣列兩端輸出的單個(gè)信號(hào)序列中包括正向信號(hào)和反向信號(hào)，則確定包含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)。

由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例利用固體液體摩擦生電原理用于檢測(cè)微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)、電解質(zhì)濃度等信息，無(wú)需外部供電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制備、與現(xiàn)有微流控芯片容易集成等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用陣列式梳齒電極的設(shè)計(jì)，能夠檢測(cè)出液體與氣泡的差別以及液體流動(dòng)的方向，達(dá)到探測(cè)氣泡存在的目的；并根據(jù)液體在不同電極部分流動(dòng)的時(shí)間差，計(jì)算出液體流動(dòng)的速度，最終達(dá)到多功能檢測(cè)的目的，并且不同信號(hào)間具有明顯差別，易于區(qū)分。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為基于固液摩擦的自驅(qū)動(dòng)微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置的截面圖。

圖2為基于固液摩擦的自驅(qū)動(dòng)微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法的微流道部分上視圖。

圖3為基于固液摩擦的自驅(qū)動(dòng)微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法的疏水材料或者電極或者襯底部分上視圖。

圖4為液體在基于固液摩擦的自驅(qū)動(dòng)微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法上流動(dòng)時(shí)的輸出電信號(hào)波形。

圖5為液體流動(dòng)的速度與輸出波形間關(guān)系。

圖6為液體中存在氣泡時(shí)的輸出波形。

其中，襯底材料1、電極陣列2、絕緣疏水材料3、微流控通道支撐材料4和微流控芯片中的微流控通道5。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和或者或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和或者或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無(wú)線連接或耦接。這里使用的措辭“和或者或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。

為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于固液摩擦的自供能的微流控芯片內(nèi)液體和氣泡的檢測(cè)方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作并能夠大規(guī)模集成的優(yōu)點(diǎn)，并且由于自身能夠輸出電能，能極大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。在功能方面，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)液體形狀、速度、電解質(zhì)濃度、流動(dòng)方向與液體內(nèi)氣泡的多功能檢測(cè)。

下面結(jié)合附圖1-圖3闡述本發(fā)明提供的基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成及使用方法。

參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置的截面示意圖，其結(jié)構(gòu)由下至上依次包括：襯底材料1、電極陣列2、絕緣疏水材料3、微流控通道支撐材料4和微流控芯片中的微流控通道5。所述襯底材料，用于支撐微流控芯片；

所述電極陣列，用于位于所述襯底材料的上部，用于感應(yīng)固液摩擦起電；包括多個(gè)梳齒狀的導(dǎo)電電極，各個(gè)導(dǎo)電電極互相連接，并且按照指定的排列規(guī)則排列，構(gòu)成陣列。

所述絕緣疏水材料，用于位于所述電極陣列的上部，和液體摩擦起電，并起到絕緣作用；所述絕緣聚合物與所述微流控通道的空腔具有相同尺寸。

所述微流控通道，用于位于所述絕緣疏水材料的上方，引導(dǎo)液體從所述絕緣疏水材料上流過(guò)。

所述微流控通道支撐材料，用于支撐所述微流控通道。

圖2為圖1所示的裝置中的微流道部分上視圖，參照?qǐng)D2，微流控通道支撐材料4中的空腔組成微流控通道。

圖3為圖1所示的裝置中的疏水材料或者電極或者襯底部分的上視圖，參照?qǐng)D3，絕緣聚合物位于梳齒狀電極的上方，并與微流道的空腔具有相同尺寸，梳齒狀電極陣列的互聯(lián)方式如圖3所示。

所述襯底材料為有一定硬度的材料如二氧化硅(SiO2)、硅(Si)、亞克力有機(jī)玻璃(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)、紙等材料。

所述電極陣列的材料為具有一定導(dǎo)電能力材料，包括金屬如金、銅、鋁等、具有導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體材料如銦錫氧化物薄膜(indium tin oxide film，ITO)、具有導(dǎo)電能力的碳基材料如石墨烯、碳納米管、石墨、炭黑等、具有導(dǎo)電能力的聚合物材料，如PEDOT:PSS等，電極陣列指電極由至少一對(duì)并排排列的陣列組成。

所述絕緣疏水材料為有一定疏水能力的材料，或附著于普通絕緣材料上的疏水涂層，包括氟化材料如特氟龍(Teflon，又稱為聚四氟乙烯)、硅膠材料如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、等離子體淀積產(chǎn)生的氟碳聚合物、以及由表面加工的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疏水材料。絕緣疏水材料位于電極陣列的上方，并起到絕緣和感應(yīng)固液接觸產(chǎn)生的電荷的作用

所述微流控通道支撐材料是指支撐微流道的支撐材料，該材料一般由聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，二氧化硅(SiO2)、聚四氟乙烯(PTFE)、和硅(Si)等材料組成。

所述微流控通道是微流控芯片中用于讓液體流動(dòng)的流道，該腔體一般是由支撐材料形成的空腔，用于微流控芯片中液體、空氣、各種反應(yīng)物的流動(dòng)與交換。微流控通道位于所述絕緣疏水材料的上方，起到引導(dǎo)液體流動(dòng)的作用，并使得液體能夠恰好從所述用于和液體摩擦起電的絕緣疏水材料上流過(guò)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法的使用過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1、將上述基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置設(shè)置在微流控芯片的液體通道中；

步驟2、使用微流控芯片中的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)使液體從覆蓋有絕緣疏水材料的電極上流過(guò)；

步驟3、與此同時(shí)進(jìn)行電極陣列兩端電流的測(cè)量，并根據(jù)電流的方向、大小、頻率判斷微流道內(nèi)流動(dòng)是氣泡還是液體以及其流動(dòng)的方向、速度及電解質(zhì)濃度等信息。

本發(fā)明所提出檢測(cè)方法的工作原理為：基于固體與液體之間的摩擦起電，當(dāng)液體在疏水材料上流動(dòng)時(shí)，可以在疏水材料上產(chǎn)生電荷，由于靜電感應(yīng)的效應(yīng)，在電極陣列上可以感應(yīng)出電荷來(lái)，由此引起的電荷的重新排布，就可以在電極陣列間形成電流信號(hào)，電解質(zhì)濃度的不同可引起輸出信號(hào)大小的改變，而電極陣列的使用可以區(qū)分出液體流動(dòng)方向、速度、是否含有氣泡等信息。

當(dāng)在單方向的流動(dòng)中，所述電極陣列兩端輸出的單個(gè)信號(hào)序列中只包括單個(gè)方向的電流信號(hào)，則確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)；并根據(jù)所述單個(gè)方向的電流信號(hào)為正向信號(hào)或者反向信號(hào)，判斷出所述不含氣泡的液體的流動(dòng)方向。

當(dāng)確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)后，所述電極陣列兩端輸出的電流信號(hào)的幅度正比于所述液體在所述電極陣列上的流動(dòng)速率。

當(dāng)確定不含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)后，設(shè)單個(gè)電流信號(hào)在所述電極陣列上的對(duì)應(yīng)電極上的持續(xù)時(shí)間為t，所述對(duì)應(yīng)電極的電極寬度為w，所述液體在所述電極陣列上的流動(dòng)速率v的計(jì)算公式如下：

v＝w/t。

當(dāng)在單方向的流動(dòng)中，所述電極陣列兩端輸出的單個(gè)信號(hào)序列中包括正向信號(hào)和反向信號(hào)，則確定包含氣泡的液體在所述電極陣列上流動(dòng)。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種液體在基于固液摩擦的自驅(qū)動(dòng)微流控液體或者氣泡檢測(cè)方法上流動(dòng)時(shí)的輸出電信號(hào)波形示意圖，當(dāng)不含氣泡的液體在所述器件上往復(fù)流動(dòng)時(shí)，其輸出波形為交替的正負(fù)信號(hào)，而在單次單方向的流動(dòng)中，只能輸出單個(gè)方向的信號(hào)，例如向右流動(dòng)輸出正向電流信號(hào)，向左流動(dòng)輸出反向電流信號(hào)，從而可以根據(jù)電流信號(hào)的正負(fù)判斷液體流動(dòng)方向。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種液體流動(dòng)的速度與輸出波形間關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)可得，輸出電流幅度隨液體流動(dòng)頻率增加而增大，由于液體流動(dòng)頻率正比于液體流動(dòng)速率，因此可根據(jù)電流幅度反推出流動(dòng)速率；另一方面，根據(jù)單個(gè)電流信號(hào)在對(duì)應(yīng)電極上的持續(xù)時(shí)間t，此持續(xù)時(shí)間t與液體流過(guò)該電極所需時(shí)間相對(duì)應(yīng)，可通過(guò)波形數(shù)據(jù)測(cè)得，以及電極寬度w(此為已知數(shù)據(jù))，就可通過(guò)公式v＝w/t，計(jì)算得到液體在該電極上流動(dòng)的平均速度，同理可得在不同電極上的平均速度。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種液體中存在氣泡時(shí)的輸出波形，與不存在氣泡時(shí)單向流動(dòng)只能輸出單向信號(hào)不同，當(dāng)液體中存在氣泡時(shí)，在單個(gè)信號(hào)序列中會(huì)出現(xiàn)反向信號(hào)，即同時(shí)出現(xiàn)正向信號(hào)和反向信號(hào)。此時(shí)便可判斷氣泡的存在。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的基于固液摩擦的微流控液體或者氣泡檢測(cè)裝置通過(guò)設(shè)置：襯底材料、電極陣列、絕緣疏水材料、微流控通道支撐材料和微流控芯片中的微流控通道，具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明利用固體液體摩擦生電原理用于檢測(cè)微流道內(nèi)液體或者氣泡流動(dòng)、電解質(zhì)濃度等信息，無(wú)需外部供電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制備、與現(xiàn)有微流控芯片容易集成等優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明采用的陣列式梳齒電極的設(shè)計(jì)，能夠檢測(cè)出液體與氣泡的差別以及液體流動(dòng)的方向，達(dá)到探測(cè)氣泡存在的目的；并根據(jù)液體在不同電極部分流動(dòng)的時(shí)間差，計(jì)算出液體流動(dòng)的速度，最終達(dá)到多功能檢測(cè)的目的，并且不同信號(hào)間具有明顯差別，易于區(qū)分。

3、本發(fā)明提出的檢測(cè)方法具有檢測(cè)快速，相比之前的光學(xué)檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的小型化、集成化。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)施例中的裝置中的部件可以按照實(shí)施例描述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的部件可以合并為一個(gè)部件，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子部件。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。