本發(fā)明涉及數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片。

背景技術(shù)：

數(shù)字微流控芯片是指利用微流控技術(shù)來操縱離散的微小液滴的片上實(shí)驗(yàn)室(labonchip)，近幾十年在實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)應(yīng)用、生活應(yīng)用中發(fā)展迅速，由于其把樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等操作集中在一塊幾平方厘米的芯片上，具有能耗低、所需試劑少、反應(yīng)迅速、響應(yīng)快、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生化分析檢測、微反應(yīng)等領(lǐng)域。

基于介質(zhì)上的電潤濕效應(yīng)的數(shù)字微流控芯片主要包括上下基板、介質(zhì)層、驅(qū)動(dòng)電極、疏水層等，所述介質(zhì)層即絕緣層，其中介質(zhì)層與疏水層可以是同一物質(zhì)，即材料同時(shí)具有絕緣與疏水的性能，目前使用比較廣泛的絕緣疏水層材料主要有teflonaf、cytop、hyflon、聚硅氧烷酰亞胺，這些材料大多容易被擊穿，所以一般都會選擇另外一種材料作為介電層，然后再涂覆疏水層，例如專利cn103592759使用二氧化硅作為絕緣層，teflonaf2400、派瑞林、聚酰亞胺、pmma等材料作為疏水性材料，即制作疏水絕緣層需要兩道工藝，一般成膜工藝需要加熱，對器件材料有耐高溫要求，這無疑增加了器件制作的成本，其使用的疏水層材料容易在多次實(shí)驗(yàn)后被污染或者破壞，縮短了器件的壽命，甚至導(dǎo)致整個(gè)器件報(bào)廢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片，我們利用液體與多孔性的聚合物薄膜形成固-液復(fù)合膜疏水絕緣層，具有電潤濕可逆性好、可重復(fù)使用、耐電壓擊穿、耐高溫、耐化學(xué)試劑以及長時(shí)間保存而不影響其效果的優(yōu)點(diǎn)，提高了器件的使用壽命、效率和應(yīng)用范圍，同時(shí)縮短芯片制作工藝，并且可對驅(qū)動(dòng)電極陣列的加壓方式進(jìn)行編程，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)在不同位置對不同液滴進(jìn)行快速移動(dòng)、合并、反應(yīng)等操作。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片，所述微流控芯片自下而上包括：下基板、驅(qū)動(dòng)電極陣列、下基板疏水絕緣層、至少一個(gè)液滴、上基板疏水層、導(dǎo)電層、上基板，上基板和下基板四周添加圍堰，形成封閉的腔體，所述的導(dǎo)電層連接電源正極，驅(qū)動(dòng)電極陣列連接電源負(fù)極，所述的下基板疏水絕緣層為固-液復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，是由多孔性的聚合物薄膜及能提高電潤濕性能的液體所組成。（如圖1~3所示）

下基板的電極陣列連接電源負(fù)極，上基板的導(dǎo)電層連接電源正極，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要利用計(jì)算機(jī)對施加電壓的方式進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)液滴自動(dòng)操作。

本發(fā)明的疏水絕緣層可以在不損傷微流控芯片器件的任何部位情況下替換，且重新替換新的疏水絕緣層后微流控芯片的性能不受影響。

優(yōu)選地，多孔性的聚合物薄膜為具有絕緣疏水性的多孔性聚四氟乙烯膜、多孔性聚碳酸酯膜、多孔性聚偏氟乙烯膜、多孔性聚醚砜膜、多孔性聚丙烯腈膜或多孔性混合性纖維素酯膜中的一種，聚合物薄膜的孔徑大小為20nm~2000nm，聚合物薄膜內(nèi)部填充與液滴不相溶、不反應(yīng)的液體，液體充滿聚合物的孔，液體的種類包括具有潤滑作用的氟碳鏈系列化合物、不同粘度的硅油、礦物油、液態(tài)直鏈烷烴或液態(tài)環(huán)狀烷烴中的一種；液體與多孔性的聚合物薄膜形成固-液復(fù)合多孔膜疏水絕緣層，即下基板疏水絕緣層，固-液復(fù)合多孔膜疏水絕緣層的膜厚為10nm~100μm。

優(yōu)選地，所述上基板的材料為透光性好的塑料或玻璃，下基板為可支撐電極層材料成膜和結(jié)構(gòu)化的材料，包括硅、玻璃、金屬板或塑料板。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)電極陣列由若干電極通過不同方式有序排列，形成面式或者網(wǎng)狀或者線狀的二維驅(qū)動(dòng)電極陣列；其中：電極單元圖形包括半月形電極、正方形電極、六邊形電極、長方形電極、叉指電極中的一種；相鄰電極間距為10μm~1000μm；電極成分包括ito、izo、zno、金、銀、鉑、銅、鋁、納米銀、銀漿、液態(tài)金屬、氧化鋁、氧化鐵或合金材料中的一種。

優(yōu)選地，通過對驅(qū)動(dòng)電極陣列施加電壓可實(shí)現(xiàn)液滴往其中一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電極陣列的加壓方式可進(jìn)行編程，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)在不同位置對不同液滴進(jìn)行快速移動(dòng)、合并、反應(yīng)操作。

優(yōu)選地，所述液滴為具有導(dǎo)電性的液體，包括成分單一的或者多成分組成的生物樣品或者化學(xué)物質(zhì)，液滴至少一個(gè)，為多個(gè)同類液滴或者多個(gè)不同類的液滴，每個(gè)液滴至少覆蓋其中一個(gè)電極以及相鄰電極的部分。

優(yōu)選地，上基板疏水層為可旋涂的無定型氟聚物或氟硅烷，氟硅烷為全氟十二烷基三氯硅烷或十八烷基三氯硅烷。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層的成分包括ito、izo、zno、金、銀、鉑、銅、鋁、納米銀、銀漿、液態(tài)金屬、氧化鋁、氧化鐵或合金材料中的一種。

優(yōu)選地，所述圍堰的材料包括壓敏膠、熱固膠、光敏膠、玻璃、聚二甲基硅氧烷與固化劑的混合物、環(huán)氧樹脂材料中一種，圍堰的高度和長度滿足液滴能接觸到上基板和下基板。

優(yōu)選地，下基板的電極陣列連接電源負(fù)極，上基板的導(dǎo)電層連接電源正極，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要利用計(jì)算機(jī)對施加電壓的方式進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)液滴自動(dòng)操作。

本發(fā)明中，所述下基板的電極陣列連接電源負(fù)極，上基板的導(dǎo)電層連接電源負(fù)極，這樣被施加了電壓的區(qū)域的接觸角減小，潤濕性提高，液滴移動(dòng)。

本發(fā)明還提供所述的微流控芯片的組裝方法，首先制備帶有驅(qū)動(dòng)電極圖形的下基板，包括下基板的清洗、旋涂光刻膠、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕、去膠，得到帶有驅(qū)動(dòng)電極圖形的基板，然后將下基板疏水絕緣層貼在驅(qū)動(dòng)電極陣列上，蓋上帶有上基板疏水層、導(dǎo)電層的上基板，并在上基板和下基板四周添加圍堰。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片利用多孔性聚合物薄膜與液體形成的固-液復(fù)合膜作為絕緣疏水層，該層固-液復(fù)合膜制作簡單，縮短了芯片制作工藝，且方便揭下而不損害器件，解決了疏水層被污染或破壞后導(dǎo)致整個(gè)器件廢棄的問題。

本發(fā)明的絕緣疏水層固-液復(fù)合膜具有電潤濕可逆性好、可重復(fù)使用、耐電壓擊穿、耐高溫、耐化學(xué)試劑以及長時(shí)間保存而不影響其效果的優(yōu)點(diǎn)，提高了器件的使用壽命、效率和應(yīng)用范圍，可進(jìn)行液滴的快速移動(dòng)、合并、反應(yīng)等操作。

本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片可對驅(qū)動(dòng)電極的施加電壓方式進(jìn)行編程，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)在不同位置對不同液滴進(jìn)行快速移動(dòng)、合并、反應(yīng)等操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片基本構(gòu)造圖。

圖2為本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片的橫截面圖。

圖3為本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片的基本構(gòu)造圖。

圖4為本發(fā)明的一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片的帶有驅(qū)動(dòng)電極圖形的下基板制作工藝流程圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的驅(qū)動(dòng)電極陣列圖形。

圖6為本發(fā)明的實(shí)施2的驅(qū)動(dòng)電極陣列圖形。

圖7為本發(fā)明的實(shí)施3的驅(qū)動(dòng)電極陣列圖形。

圖8為本發(fā)明的實(shí)施4的驅(qū)動(dòng)電極陣列圖形。

具體實(shí)施方式

為了更好的對本發(fā)明加以說明和了解，以下通過實(shí)例作進(jìn)一步的闡述。

實(shí)施例1：

如圖1~3所示，一種基于液-液電潤濕效應(yīng)的可編程控制的微流控芯片，所述微流控芯片自下而上包括：下基板1、驅(qū)動(dòng)電極陣列2、下基板疏水絕緣層3、至少一個(gè)液滴4、上基板疏水層5、導(dǎo)電層6、上基板7，上基板和下基板四周添加圍堰8，形成封閉的腔體，所述的導(dǎo)電層6連接電源10正極，驅(qū)動(dòng)電極陣列2連接電源10負(fù)極，所述的下基板疏水絕緣層3為固-液復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，是由多孔性的聚合物薄膜及能提高電潤濕性能的液體所組成。

下基板的電極陣列連接電源10負(fù)極，上基板的導(dǎo)電層連接電源10正極，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要利用計(jì)算機(jī)11對施加電壓的方式進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)芯片9內(nèi)液滴自動(dòng)操作。

本案例優(yōu)選地使用玻璃作為上基板與下基板，銦錫氧化物(ito)作為下基板驅(qū)動(dòng)電極、及上基板導(dǎo)電層，af1600作為上基板疏水層，粘度為50cst的硅油填充到多孔性的聚四氟乙烯膜作為疏水絕緣層，圖5為實(shí)施例1的驅(qū)動(dòng)電極圖形，六邊形作為驅(qū)動(dòng)電極的圖形，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要適當(dāng)添加電極個(gè)數(shù)或者調(diào)整電極排列。

圖4為制作帶有驅(qū)動(dòng)電極圖形的的下基板的工藝流程，包括下基板的清洗、旋涂光刻膠、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕、去膠。

其詳細(xì)工藝參數(shù)如下：

首先對制作電極圖形的ito玻璃基板進(jìn)行清洗，3%~5%的堿性玻璃清洗劑清洗5~8min，再用超純水沖洗2~3min，用氮?dú)獯等ゲＡП砻娴乃?，然后用反?yīng)離子刻蝕機(jī)刻蝕增加粘附性。

涂膠，用臺式的勻膠機(jī)在ito玻璃表面旋涂一層sun120p紫外正性光刻膠，首先勻膠機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為500r/min，持續(xù)5s；然后加速至3000r/min持續(xù)60s，得到膠膜厚度約為1.6~1.7μm。

前烘，將涂好光刻膠的ito玻璃放在熱板上100℃下加熱1.5min。

曝光，取出ito玻璃室溫下自然冷卻，將帶有驅(qū)動(dòng)電極圖形的掩膜板壓在涂好膠的ito玻璃上，在光強(qiáng)為27mw/cm²的紫外光下曝光30s。

顯影，將曝光后的ito玻璃放入0.5%koh溶液中，室溫晃動(dòng)顯影100s，然后用去離子水漂洗40s，除去粘附在表面上的顯影液。

堅(jiān)膜，將顯影后的片子放在熱板上120℃加熱30min，然后自然冷卻至室溫。

刻蝕，用濃硝酸、濃鹽酸、去離子水的混合溶液把部分ito去掉，留下電極陣列圖形。

最后用無水乙醇洗去光刻膠，并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

得到帶有ito驅(qū)動(dòng)電極圖形的基板后，把多孔性聚四氟乙烯膜緊貼在驅(qū)動(dòng)電極上，利用毛細(xì)作用力使硅油填充多孔性聚四氟乙烯膜的孔，加入硅油的量剛好使油的高度與多孔性聚四氟乙烯膜一致。接著用環(huán)氧樹脂膠在基板的四周建立圍堰，圍堰的高度根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要可調(diào)整，最后蓋上帶有af1600的ito玻璃基板，有af1600的一面向內(nèi)，芯片制作基本完成。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可對驅(qū)動(dòng)電極的施加電壓方式進(jìn)行編程，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)在不同位置對不同液滴進(jìn)行快速移動(dòng)、合并、反應(yīng)等操作。

實(shí)施例2

本案例優(yōu)選地使用玻璃作為上基板與下基板，izo作為下基板驅(qū)動(dòng)電極、及上基板導(dǎo)電層，全氟十二烷基三氯硅烷作為上基板疏水層，碳氟鏈化合物fc-43填充到多孔性的聚碳酸酯膜作為疏水絕緣層，圖6為實(shí)施例2的驅(qū)動(dòng)電極圖形，半月形作為驅(qū)動(dòng)電極的圖形，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要適當(dāng)添加電極個(gè)數(shù)或者調(diào)整電極排列。

芯片制作的具體流程已在實(shí)施例1中詳細(xì)描述。

實(shí)施例3

本案例優(yōu)選地使用玻璃作為上基板與下基板，zno作為下基板驅(qū)動(dòng)電極、及上基板導(dǎo)電層，十八烷基三氯硅烷作為上基板疏水層，十六烷填充到多孔性聚偏氟乙烯膜作為疏水絕緣層，圖7為實(shí)施例3的驅(qū)動(dòng)電極圖形，六邊形作為驅(qū)動(dòng)電極的圖形，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要適當(dāng)添加電極個(gè)數(shù)或者調(diào)整電極排列。

芯片制作的具體流程已在實(shí)施例1中詳細(xì)描述。

實(shí)施例4

本案例優(yōu)選地使用玻璃作為上基板與下基板，鋁作為下基板驅(qū)動(dòng)電極、及上基板導(dǎo)電層，af2400作為上基板疏水層，礦物油填充到多孔性聚丙烯腈膜作為疏水絕緣層，圖8為實(shí)施例4的驅(qū)動(dòng)電極圖形，正方形作為驅(qū)動(dòng)電極的圖形，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需要適當(dāng)添加電極個(gè)數(shù)或者調(diào)整電極排列。

芯片制作的具體流程已在實(shí)施例1中詳細(xì)描述。