專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制液流的方法和設(shè)備。特別地，本發(fā)明包括能 夠通過(guò)控制與流體/表面接觸面的接觸角來(lái)截止和啟動(dòng)液流的微 流體閥。通過(guò)引入氣泡產(chǎn)生一個(gè)新的液體/氣體/固體接觸面，該 微流體閥可以重置為截止態(tài)配置。
背景技術(shù)：
微流體設(shè)備和"微"流體處理系統(tǒng)在許多重要領(lǐng)域逐漸變得 必不可少。這些設(shè)備響應(yīng)時(shí)間短、組裝簡(jiǎn)單、可大批量生產(chǎn)，因 此對(duì)于護(hù)理現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)血液分析、使用現(xiàn)場(chǎng)的化工和流體生產(chǎn)、 分析和檢測(cè)來(lái)說(shuō)是非常理想的。與傳統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)相比，這類(lèi) 設(shè)備具有小許多的尺寸(footprint),并且只需要最少數(shù)量的資源 來(lái)得到相同數(shù)量的信息。由于塑料和硅微機(jī)械加工的進(jìn)步，可以 利用此類(lèi)材料及技術(shù)，用更低的價(jià)格得到大量的微流體設(shè)備。然 而，許多大型閥門(mén)配置與這類(lèi)小型設(shè)備不兼容，因此需要一種可 以精確控制打開(kāi)和關(guān)閉的微型流體控制閥。
許多典型的微流體設(shè)備包括與塑料底部平行配置的頂蓋，該 塑料底部具有亞毫米尺寸的微通道。頂蓋通常焊接或連接在底 部，以形成一個(gè)密封的基于微通道的流體處理系統(tǒng)(請(qǐng)見(jiàn)U.S. Pat Nos. 6750053及6905882)。微流體設(shè)備控制的一個(gè)重要方面在
5于，能夠如預(yù)期地截止和重啟液流。這類(lèi)設(shè)備通常依靠微通道中 的毛細(xì)管作用力來(lái)驅(qū)使流體在微通道中流動(dòng)。在一些設(shè)備中，表 面性能，例如疏水性和親水性，被用來(lái)影響流速。由于在微通道 中，表面張力通常是對(duì)液體起支配作用的力，因此液體的表面張 力(或表面能)的改變可以是控制液流的有效措施。例如，美國(guó)
專(zhuān)利6143248公開(kāi)了一種毛細(xì)管截止閥，該截止閥利用由毛細(xì)管 直徑的突然增大S1起的表面張力的變化來(lái)控制微流體的流動(dòng)。
也有其他控制液流的方法，例如美國(guó)專(zhuān)利6561224、 6958132 及7117807公開(kāi)了利用化學(xué)能、熱能、機(jī)械能、光能或靜電能。 在這些技術(shù)中，由于能效更高，例如高于熱技術(shù)，靜電能成為一 種優(yōu)選的方案。利用電能改變表面張力的原理被稱(chēng)為電子毛細(xì)作 用或電潤(rùn)濕(EW)。相對(duì)于依賴(lài)于通道表面化學(xué)性能的技術(shù)而言， 通過(guò)調(diào)節(jié)表面靜電荷的電潤(rùn)濕能夠提供更精確的控制，也更加可 靠，操作也更簡(jiǎn)便。電子毛細(xì)作用是現(xiàn)代EW的基礎(chǔ)，在一個(gè)多 世紀(jì)以前由Gabriel Lippmann發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)通過(guò)在汞-電解質(zhì)接 觸面施加電壓可以使與不能混合的電解質(zhì)溶液接觸的液體汞在 毛細(xì)管中流動(dòng)。這個(gè)想法被成功地應(yīng)用到汞-電解質(zhì)系統(tǒng)中，但 是存在一個(gè)主要的缺陷，即，即使施加低電壓，電解質(zhì)水溶液也 會(huì)電解分解或焦耳加熱。為了避免這種情況，并仍然保持電場(chǎng)效 果，可以在流體和電解質(zhì)/電極間引入一個(gè)介質(zhì)層。這種電潤(rùn)濕 技術(shù)的變型被稱(chēng)為介質(zhì)上的電潤(rùn)濕(EWOD )。
為達(dá)到精確汲取、混合、閥調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換以及注射操作而處理 微小液滴的系統(tǒng)中通常用到EW。美國(guó)專(zhuān)利6911132描述了一種 操作液滴的裝置。該裝置是單側(cè)電極設(shè)計(jì)的，該裝置中的所有導(dǎo) 電元件包含在同一表面上，在該表面上操作液滴。可以提供一個(gè) 平行于第一表面的第二表面，用于容納被操作的液滴。采用電潤(rùn) 濕技術(shù)操作液滴，在該電潤(rùn)濕技術(shù)中，包含在第一表面上或嵌入 第一表面的電極以受控的方式相繼^皮施予電壓及撤去電壓。該裝 置能夠處理多個(gè)液體處理過(guò)程，包括合并和混合兩個(gè)液滴、將一 個(gè)液滴分為兩個(gè)或兩個(gè)以上液滴、通過(guò)乂人液流中分離可單獨(dú)控制
6的液滴從而對(duì)連續(xù)的液流取樣、以及迭代二元或數(shù)字混合液滴得 到預(yù)期的混合比。
類(lèi)似的，美國(guó)專(zhuān)利7016560描述了一種設(shè)備，通過(guò)利用微通 道中的流體所攜帶的元素來(lái)轉(zhuǎn)換、減弱、遮敝、過(guò)濾或相移光信 號(hào)。在一些實(shí)施例中，微通道攜帶氣體或液體段，該氣體或液體 段與通過(guò)波導(dǎo)的光信號(hào)的至少一部分光能相互作用。該微通道可 以成為波導(dǎo)覆層的一部分、核心及覆層的一部分、或只是核心的 一部分。微通道也可以具有末端或被配置為環(huán)形通道或連續(xù)通 道。該流體設(shè)備可以是自鎖存的或半鎖存的。通過(guò)使用例如電子 毛細(xì)作用、差壓電子毛細(xì)作用、電潤(rùn)濕、連續(xù)電潤(rùn)濕、電泳、電 滲、介電電泳、電子水動(dòng)力汲取、磁力-水動(dòng)力汲取、熱毛細(xì)作 用、熱膨脹、電介質(zhì)汲取、和/或改進(jìn)的電介質(zhì)汲取，使在微通 道中的流體流動(dòng)。
在美國(guó)專(zhuān)利6130098中，描述了孩i液滴在孩t通道中的流動(dòng)和 混合使用了微型設(shè)備，該微型設(shè)備包括微液滴傳輸通道、反應(yīng)區(qū)、 電泳組件及輻射4笨測(cè)儀。分離的液滴被不同地加熱并被驅(qū)l吏通過(guò) 刻蝕的通道。電子元件裝配在相同的基質(zhì)材料上，使得傳感器和 控制電路合并在同 一設(shè)備中。公開(kāi)的裝置包括了液滴傳輸通道， 該通道具有疏水和親水區(qū)域，這些區(qū)域被選擇性地設(shè)置于或圖案 化處理(patterned)于通道壁和表面、反應(yīng)室、氣體引入通道和 通風(fēng)口、以及檢測(cè)器中。所述裝置還包括一個(gè)氣體室，該氣體室 與傳輸通道相連，在液柱中形成氣泡以分離和產(chǎn)生液滴。該傳輸 微通道由分開(kāi)一段距離的微加工的硅基質(zhì)和玻璃基質(zhì)制成。在液 滴傳輸通道中提供了一個(gè)或多個(gè)疏水片、疏水區(qū)域或疏水帶，用 以從樣品中分離不連續(xù)量的液體，使之被進(jìn)一 步傳輸以排出液 滴。該專(zhuān)利還公開(kāi)了 一種從微通道中的液流產(chǎn)生和排出液滴的方 法，通過(guò)使用在側(cè)通道中的疏水片和氣泡壓力從液流中產(chǎn)生液 滴。用于產(chǎn)生液滴的傳輸樣i通道和側(cè)部樣i通道通過(guò)批量《效加工在 硅基質(zhì)中制得，以在硅中形成液流通道。
EW (例如EWOD)的優(yōu)勢(shì)還被擴(kuò)展到連續(xù)液流系統(tǒng)中，其中，沿著微流通道設(shè)置EW電極，并照預(yù)期方案致動(dòng)以控制液流。 這類(lèi)基于EW的系統(tǒng)可以被設(shè)置為包括在微通道中的閥門(mén)和液 流屏障A/v而如預(yù)期地截止或重新啟動(dòng)液流。常閉式的閥門(mén)可以是 在微通道交叉處突然膨脹的形式，或者也可以由疏水材料制成， 該疏水材料選擇性地沉積于沿著微通道長(zhǎng)度方向的狹窄區(qū)域中。 這樣的疏水片可以作為流入液流的屏障，該液流在疏水片上具有 大的接觸角和表面張力能。
在以上的技術(shù)中，由于電潤(rùn)濕力常常不夠大到能隔斷一個(gè)連 續(xù)流，例如，在沒(méi)有機(jī)械閥的參與下，因此，受控的流體通常被 一段氣體分隔開(kāi)。也就是說(shuō)， 一旦在電潤(rùn)濕閥處流過(guò)流體，其接 觸角為0,并且電潤(rùn)濕閥不再具有流體接觸面和接觸角以影響液 流的控制。這一缺點(diǎn)導(dǎo)致，在許多應(yīng)用中，需要機(jī)械微型閥來(lái)截 止和啟動(dòng)在樣i流體通道中的 一段連續(xù)流體的流動(dòng)。
雖然電潤(rùn)濕閥技術(shù)在控制被動(dòng)微流體流動(dòng)方面提供了 一些 優(yōu)勢(shì)，但是一旦被連續(xù)流段橫穿，這些技術(shù)通常無(wú)法再次控制流 體。而選擇性的并入微機(jī)械閥由于其復(fù)雜性和昂貴的價(jià)格而無(wú)法
實(shí)現(xiàn)。在生化及其他相關(guān)領(lǐng)域，需要一種能循環(huán)控制液流、樣本 尺寸和培養(yǎng)時(shí)間的方法。
如前所述，需要一種便宜的且響應(yīng)快的閥門(mén)以啟動(dòng)和截止微 流體的流動(dòng)。理想地，希望能夠在連續(xù)液柱流過(guò)閥門(mén)的情況下重 新建立對(duì)電潤(rùn)濕閥的控制。需要一種針對(duì)微型閥的毛細(xì)管，該微 型閥在體積上是離散的，并可重新設(shè)置。本發(fā)明提供了這些和其 他的技術(shù)特征，通過(guò)閱讀以下內(nèi)容，它們將顯而易見(jiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)水流流過(guò)表面時(shí)，其流速和流向可以受到表面的相對(duì)疏水 /親水特4正的影響。例如，流體流動(dòng)可以纟皮水流和表面之間的4妾 觸角影響。本發(fā)明的方法和設(shè)備采用了各種表面的組合，例如， 具有不同的和可改變的疏水/親水特征的表面，以控制流體的流 動(dòng)。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，在毛細(xì)通道中的液流可以被疏水表面截止，可以通過(guò),爭(zhēng)電將表面變?yōu)楦H水來(lái)啟動(dòng)液流，并且，可 以通過(guò)將表面變回為更疏水并引入氣泡以在疏水表面重新建立 流體/氣體4妄觸面來(lái)選4奪性地重新截止液流。
在具有毛細(xì)管或樣吏毛細(xì)管尺寸的液流的設(shè)備中，液流可以^皮 流體和表面的低親和力阻止(證明是由于大的接觸角)。流體的 表面張力能夠達(dá)到使流體在現(xiàn)有條件下無(wú)法流過(guò)表面。為了啟動(dòng) 液流，必須施加外力，例如，空氣作用、離心力或靜電力(例如 由電潤(rùn)濕產(chǎn)生)，以克服表面張力能。在此，為了制造簡(jiǎn)便和可
靠性，優(yōu)選的液流控制設(shè)計(jì)方案可以包括受電潤(rùn)濕(EW)致動(dòng) 影響的疏水截止閥。設(shè)備操作可以基于電潤(rùn)濕的原理，即在固體 -液體接觸面施加電場(chǎng)以改變接觸表面能從而提高或阻礙液流。 這類(lèi)設(shè)備可以采用微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕樣么流體微型閥(例如，在 微通道的底盤(pán)上)，該微型閥具有圖案化處理在介質(zhì)層上的一個(gè) 或多個(gè)疏水片，該介質(zhì)層覆蓋在基體的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電區(qū)域上。 導(dǎo)電區(qū)域可以電致動(dòng)以改變疏水片表面的潤(rùn)濕性。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體 微型閥。本發(fā)明的另 一個(gè)目的是提供一種微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微 流體微型閥，該微型閥控制連續(xù)液柱的流動(dòng)。本發(fā)明進(jìn)一步的目 的是提供一種微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體微型閥，該微型閥控制 連續(xù)液柱的流動(dòng)以達(dá)到預(yù)期的用于流體內(nèi)反應(yīng)的培養(yǎng)時(shí)間。本發(fā) 明的另 一個(gè)目的是提供一種微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體微型閥， 該微型閥嵌入微通道中以控制在這些微通道中的連續(xù)液柱的流 動(dòng)。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體 微型閥，該微型閥嵌入微通道中作為用于連續(xù)液柱的啟動(dòng)/截止 閥。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種生物兼容的微機(jī)械加工的電 潤(rùn)濕微流體微型閥。
在許多實(shí)施例中，本發(fā)明可以是用于醫(yī)學(xué)或相關(guān)診斷工業(yè)領(lǐng) 域的組件，在這些領(lǐng)域中，少量無(wú)4幾或生物液體在護(hù)理現(xiàn)場(chǎng)或4吏 用現(xiàn)場(chǎng)被實(shí)時(shí)分析，這是基于無(wú)需傳統(tǒng)的大批量及昂貴器材而使 用微流體和微機(jī)械加工的芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-Chip )概念來(lái)獲得
9相同的信息。
典型地，本發(fā)明是一種在微流體設(shè)備中的微型閥組件，例如 診斷模塊，其能夠控制少量流體的流動(dòng)。本發(fā)明可以通過(guò)在微通 道表面的疏水片上截止液流來(lái)工作。根據(jù)電潤(rùn)濕原理的電致動(dòng)可 以被使用，以通過(guò)降低在疏水片上的流體接觸面來(lái)重新啟動(dòng)液 流。另一方面，本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種在微流體設(shè)備中的微型閥 組件的制造方法，在該樣i流設(shè)備中，液柱的流動(dòng)可以通過(guò)產(chǎn)生一 個(gè)在疏水片處停止的逆流氣泡并且將疏水片改變回成為更疏水 性的方式而被截止。為了接觸角控制的電致動(dòng)和/或電化產(chǎn)氣， 通過(guò)，例如，平版印刷技術(shù)，將導(dǎo)電金屬區(qū)域沉積在微通道的底 盤(pán)上。這些導(dǎo)電區(qū)域位于疏水片以下，二者之間具有或不具有介 質(zhì)層。
本發(fā)明還公開(kāi)了操作該微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕闊的方法，包括 施加穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域的電壓以調(diào)節(jié)疏水片對(duì)流體的親和力。例如， 可以在允許液體流過(guò)的條件下在微通道中？ 1入液柱，直到其被由 通道中疏水片表面的大接觸角引起的表面壓力截止為止。通過(guò)施 加穿過(guò)相鄰于疏水區(qū)域的導(dǎo)電區(qū)域的電壓以及靜電地降低接觸 角并允許液流通過(guò)，液流可以;陂重新啟動(dòng)。
本發(fā)明的方法包括，例如，操作微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕閥，即 施加穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域的電壓以通過(guò)電解產(chǎn)生截止氣泡。例如，在通 道中控制液流的方法，包括提供具有內(nèi)表面和設(shè)置于表面上的疏 水片的通道，提供暴露在內(nèi)表面上的第一導(dǎo)電區(qū)域，液體從第一 導(dǎo)電區(qū)域沿著通道流向疏水片，以及將電解電壓施加到第一導(dǎo)電 區(qū)域以電解地產(chǎn)生氣泡。因此，氣泡會(huì)被液流推動(dòng)到疏水片上以 形成接觸面，該接觸面具有足夠的表面張力以截止液流。通過(guò)揭> 供 一 個(gè)與位于導(dǎo)電區(qū)域和通道內(nèi)部之間的疏水片相鄰的第二導(dǎo) 電區(qū)域，可以重新啟動(dòng)液流。當(dāng)控制電壓施加到第二導(dǎo)電區(qū)域時(shí)， 所施加的電場(chǎng)能夠降低在疏水氣泡處的流體的接觸角，因而降低 對(duì)液流的阻力，并允許流體流過(guò)疏水片。
本發(fā)明可以包括在截止閥中電解地產(chǎn)生的氣泡。例如，微流
10體閥可以包括具有導(dǎo)電區(qū)域和在微通道內(nèi)與導(dǎo)電區(qū)域接觸的流 體的微通道?？梢耘渲盟鲩y門(mén)，以使在導(dǎo)電區(qū)域中施加電壓從 而在通道中電解地產(chǎn)生氣泡，因而截止在微通道中的液流。通過(guò) 在微通道中產(chǎn)生導(dǎo)電區(qū)域的氣泡的下游設(shè)置疏水片來(lái)精確控制 氣泡的位置。
本發(fā)明包括微流體截止閥，可以通過(guò)控制電潤(rùn)濕力來(lái)啟動(dòng)該 閥，并可通過(guò)在液流中引入氣泡將該閥重置為截止態(tài)。例如，可
重置的微流體截止閥可以包括具有內(nèi)表面的微流體通道；設(shè)置于 表面的疏水片，該疏水片覆在第一導(dǎo)電區(qū)域表面，該第一導(dǎo)電區(qū) 域與通道電絕緣；與通道電接觸的第二導(dǎo)電區(qū)域；以及與通道電 接觸的第三導(dǎo)電區(qū)域。在操作中，當(dāng)?shù)谝慌c第二導(dǎo)電區(qū)域之間存 在低電勢(shì)時(shí)，由于流體與疏水片之間的阻礙性的大接觸角，水流 體不會(huì)流過(guò)疏水片。若需要液流流過(guò)截止閥，可以在第一和第二 導(dǎo)電區(qū)域之間引入一 個(gè)更高的電勢(shì)從而降低接觸角，以允許水流 體流過(guò)疏水片。為了重新建立截止?fàn)顟B(tài)，流過(guò)第三導(dǎo)電層的電流 在流體中產(chǎn)生氣泡，從而在通道中的疏水片處重新建立接觸角 (例如，采用在第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間重新建立低電勢(shì))。
在可重置截止閥的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電流流過(guò)第二導(dǎo)電區(qū) 域、流體和第三導(dǎo)電區(qū)域，從而電解地產(chǎn)生氣泡。在許多實(shí)施例 中，第三導(dǎo)電區(qū)域位于通道中疏水片的上游，從而，例如，產(chǎn)生 的氣泡可以流向下游以在疏水片處重新建立大的接觸角。在一個(gè) 優(yōu)選的實(shí)施例中，第二和第三導(dǎo)電區(qū)域位于疏水片的上游，并當(dāng) 電流流過(guò)它們中間時(shí)二者都產(chǎn)生氣體(例如，氫氣和氧氣)。
在一個(gè)實(shí)施例中，微流體閥包括具有內(nèi)表面的微流體通道； 沿著樣t流體通道設(shè)置的兩個(gè)或兩個(gè)以上疏水片；位于疏水片之下 的第 一導(dǎo)電區(qū)域，該疏水片位于第 一導(dǎo)電區(qū)域和通道內(nèi)部之間； 沿著微流體通道設(shè)置的第二導(dǎo)電區(qū)域，該導(dǎo)電區(qū)域位于所述兩個(gè) 或兩個(gè)以上疏水片之間。在這一結(jié)構(gòu)中，通道中的水流體在第一 和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在第一電勢(shì)的條件下不會(huì)流過(guò)疏水片，而 在第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在更高的第二電勢(shì)的條件下會(huì)流過(guò)疏水片。
在所述可重置截止閥的優(yōu)選實(shí)施例中，第二導(dǎo)電區(qū)域位于疏
水片的上游。在許多實(shí)施例中，孩i通道包括小于lmm的坤黃截面 尺寸。在一些實(shí)施例中，截止閥包括位于通道表面并覆在第一導(dǎo) 電區(qū)域或第四導(dǎo)電區(qū)域上的第二疏水片。在一些實(shí)施例中， 一個(gè) 或多個(gè)附加的疏水片被設(shè)置在通道表面上，并覆在第 一導(dǎo)電區(qū)域 或一個(gè)附加的靜電導(dǎo)電區(qū)域之上。在一些實(shí)施例中，電流流過(guò)一 個(gè)電路，該電路包括了第二導(dǎo)電區(qū)域、流體以及第三導(dǎo)電區(qū)域， 以產(chǎn)生氣泡。在優(yōu)選的實(shí)施例中，第三(電解)導(dǎo)電區(qū)域位于通 道中疏水片的上游。在一個(gè)實(shí)施例中，第二和第三導(dǎo)電區(qū)域均位 于疏水片的上游，并且當(dāng)電流流過(guò)它們中間時(shí)均產(chǎn)生氣體。
電潤(rùn)濕閥的另一個(gè)方面是，該閥可以包括多個(gè)疏水片。例如， 微流體閥可以包括微流體通道，該微流體通道包括內(nèi)表面；兩個(gè) 或兩個(gè)以上沿著微流體通道的疏水片；位于所述兩個(gè)或兩個(gè)以上 疏水片之下的第 一導(dǎo)電區(qū)域，所述疏水片位于第 一導(dǎo)電區(qū)域和通 道內(nèi)部之間；以及沿著微流體通道的第二導(dǎo)電區(qū)域，該第二導(dǎo)電 區(qū)域位于所述兩個(gè)或兩個(gè)以上疏水片之間。使用時(shí)，在第一和第 二導(dǎo)電區(qū)域間存在第 一低電勢(shì)的條件下，通道中的水流體不會(huì)流 過(guò)疏水片，而當(dāng)?shù)谝缓偷诙?dǎo)電區(qū)域間存在更高的第二電勢(shì)時(shí)， 水流體會(huì)流過(guò)疏水片。所述第二導(dǎo)電區(qū)域可以與通道內(nèi)部電接 觸，或者，可選地，第一或第二導(dǎo)電區(qū)域均不與通道內(nèi)部電接觸。
定義
除了此處或說(shuō)明書(shū)其他部分定義的內(nèi)容外，所用的所有技術(shù) 和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的含義與本發(fā)明相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人員所知的相同。
在詳述本發(fā)明之前，應(yīng)理解，本發(fā)明并不局限于特定的設(shè)備 或生物體系，這些^殳備或生物體系當(dāng)然可以改變。還應(yīng)理解，此 處所用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述特定的實(shí)施例，而非限制本發(fā)明。除
非內(nèi)容明確說(shuō)明，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中使用的"一"和"該"包 括了復(fù)數(shù)形式。因而，例如"一個(gè)元件"可以包括兩個(gè)或多個(gè)元件的組合；流體可以包括流體混合物，等等。
雖然許多方法和材料相似、改變或等同于所記載的內(nèi)容無(wú)需 額外的試驗(yàn)即可用在本發(fā)明的實(shí)施中，優(yōu)選的材料和方法在此做 了記載。在對(duì)本發(fā)明做描述和權(quán)利要求中，下述術(shù)語(yǔ)的用法與所 列定義一致。
在此，術(shù)語(yǔ)"微流體"指具備液流通道的系統(tǒng)或設(shè)備，該液 流通道具有至少一個(gè)小于1000pm的橫截面尺寸。例如，液流通 道的一黃截面尺寸可以為500nm或更小，30(Him或更小，100pm 或更小，50]am或更小，或者lOiim或更小。在"i午多實(shí)施例中， 通道尺寸約為50nm,然而通常為不小于lfim。本發(fā)明的閥門(mén)還 可以用于更大尺寸的通道中，例如毛細(xì)通道，在該通道中液流通 過(guò)毛細(xì)作用流動(dòng)。
"疏水性"和"親水性"是相對(duì)術(shù)語(yǔ)。若第一表面對(duì)脂類(lèi)的 親和力高于第二表面，或者相對(duì)于第二表面與水更不相溶，則第 一表面比第二表面更疏水。表面的相對(duì)疏水性可以客觀地判定， 例如，通過(guò)比較水溶液在這些表面的接觸角。例如，如果水在第 一表面的接觸角比在第二表面的大，則第 一表面被認(rèn)為比第二表 面更疏水。
"導(dǎo)電區(qū)域"用在這里是指一個(gè)由導(dǎo)電材料構(gòu)成的區(qū)域。導(dǎo) 電區(qū)域可以通過(guò)電流使電路閉合，并且/或者，可以提供局部電 勢(shì)以產(chǎn)生靜電場(chǎng)，例如，實(shí)際上并不閉合電路。


通過(guò)以下本說(shuō)明書(shū)的剩余部分并結(jié)合附圖，將會(huì)更清楚地了 解本發(fā)明上述的和其他的目的。
圖1是一個(gè)微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的底盤(pán)的橫截面 圖，該橫截面圖示出了該電濕潤(rùn)微流體閥的布局圖2是根據(jù)電極和疏水表面布局圖的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中微機(jī) 械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的底盤(pán)的俯視圖3是一個(gè)結(jié)合了微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的微流體通
13道的橫截面圖，該橫截面圖示出了流體前部被通道中的疏水表面
截止的示意圖4是一個(gè)微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的底盤(pán)的俯視圖， 該俯視圖示出了圖解EW閥的電極和疏水表面配置；
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中微機(jī)械加工的電潤(rùn) 濕微流體閥的底盤(pán)的俯視圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中微機(jī)械加工的電潤(rùn) 濕微流體閥的底盤(pán)的俯視圖7是一個(gè)微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥的底盤(pán)的俯視圖， 該俯視圖示出了能夠產(chǎn)生可重置氣泡的E W閥的示意圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中微機(jī)械加工的電潤(rùn) 濕微流體閥的底盤(pán)的橫截面圖，在該實(shí)施例中，設(shè)置電極以產(chǎn)生 氣泡；
圖9是一個(gè)微流體通道的橫截面示意圖，該微流體通道結(jié)合 了微機(jī)械加工的電潤(rùn)濕微流體閥，在所述閥內(nèi)電流在疏水閘門(mén)上 游產(chǎn)生了一個(gè)氣泡；
圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中結(jié)合了微機(jī)械加 工的電潤(rùn)濕微流體閥的微流體通道的橫截面圖，其中， 一個(gè)產(chǎn)生 的氣泡在液流前部又產(chǎn)生了 一個(gè)液體/氣體接觸面。
發(fā)明詳述
通過(guò)電能改變表面張力的原理被稱(chēng)為電毛細(xì)作用或電潤(rùn)濕 (EW )。早期的EW應(yīng)用與電解質(zhì)溶液接觸的液體汞以及施加在 細(xì)的毛細(xì)管中的汞和電解質(zhì)之間的電壓。電壓改變汞與毛細(xì)管間 的接觸角，從而使液體汞根據(jù)施加的電壓在毛細(xì)管中上升或下 降。這一技術(shù)的應(yīng)用拓展到各種液體和電解質(zhì)中。為了避免電流 引起的液體升溫，可以在電極和電解質(zhì)(液體)間設(shè)置介質(zhì)層。 這一技術(shù)稱(chēng)為介質(zhì)上的電潤(rùn)濕(EWOD)，是對(duì)EW技術(shù)的重要 修正。在需要連續(xù)的"截止和重啟"的液流操作情況下，現(xiàn)有技 術(shù)/>開(kāi)的基于EW的系統(tǒng)可以沿著通道在選定位置并入疏水片
14或疏水帶形式的液流屏障以截止液流。或者，與EW系統(tǒng)聯(lián)合的 液流屏障可以通過(guò)微流通道橫截面的突然增大來(lái)有效增大接觸 角以阻止液流。為了克服液流屏障處大接觸角的表面張力，施加 外力，例如，空氣動(dòng)力、離心力、熱力或靜電力，以重啟液流。 施加電壓在系統(tǒng)中加入了電能，并根據(jù)下式改變接觸角e: <formula>formula see original document page 15</formula>其中，e。是無(wú)電壓時(shí)的接觸角，e是加了電壓之后的接觸角， cjLG是在液體-氣體接觸面上的表面張力，s。和s分別是自由空 間和介質(zhì)層的介電常數(shù)，v是施加的電壓，d是介質(zhì)層的厚度。 因此，施加電壓可以降低液體的接觸角從而使液體流動(dòng)。疏水片
和EW致動(dòng)的結(jié)合可以提供本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的截止閥。
基于EW的設(shè)備可以寬泛的分為基于液滴的系統(tǒng)和連續(xù)液流
系統(tǒng)。基于液滴的系統(tǒng)采用小的離散液滴完成運(yùn)輸、混合或分離 操作。連續(xù)液流系統(tǒng)依賴(lài)于運(yùn)輸和對(duì)整體液體量(如在通道中) 的控制，并可以以理想方式產(chǎn)生液滴?；谝旱蔚南到y(tǒng)通常使用 彈性平臺(tái)，在該彈性平臺(tái)內(nèi)液滴的運(yùn)輸并不像連續(xù)液流設(shè)計(jì)那樣 被嚴(yán)格限制在封閉的微通道中?；谝旱蔚南到y(tǒng)由于液體量和流 體分離性通常不適用于許多應(yīng)用?？梢?xún)?yōu)選毛細(xì)管和《鼓流體系 統(tǒng)，特別是當(dāng)液流表面必須包括用于分析反應(yīng)的化學(xué)試劑時(shí)，所 述化學(xué)反應(yīng)由于暴露在大氣中的空氣和水分可能會(huì)被破壞或污染。
在連續(xù)液流系統(tǒng)中，液體流可以由微流管道中作為液流屏障 的疏水片或疏水帶截止。例如，水性液流可以在疏水片邊緣處被 截止。在無(wú)外電場(chǎng)的情況下，微流體通道中的流體-電極接觸面 面的特性由表面張力(或表面能)和毛細(xì)作用力決定。當(dāng)施加外 電場(chǎng)形式的外力時(shí)，固體-液體接觸面的電荷可以改變液體表面 的親和力，從而調(diào)節(jié)接觸角。疏水片處的表面張力背壓可以降低 到一個(gè)程度，使得液流可以流過(guò)疏水片。
采用有EW控制的疏水片的截止閥可以用任何合適的方法制 造?；镜拈y結(jié)構(gòu)包括，例如，底基體；粘合或連接的用于密封在基體中的防水腔的頂蓋；圖案化處理在腔表面上的導(dǎo)電電極。
通常，至少一個(gè)電極被疏水電介質(zhì)覆蓋。塑料是一種用于制造底 部和頂部基體的便宜的材料，但是在塑料基體上難以覆蓋金屬。 我們發(fā)現(xiàn)，硅是做底部基體的優(yōu)選方案，因?yàn)榭梢圆捎贸Ｓ玫陌?導(dǎo)體處理技術(shù)將金屬電極圖案化處理在其上。優(yōu)選地，頂蓋是透 明材料，例如，塑料或玻璃，從而適應(yīng)于對(duì)流體成分的光檢測(cè)。 使用塑料基體時(shí)，可以用例如注射成型或激光切削技術(shù)在基體中 產(chǎn)生微通道。另一個(gè)選擇是，可以在頂部和底部基體中間夾一個(gè) 已知性能的雙面粘合間隔膠帶，從而補(bǔ)足防水空腔。
這類(lèi)設(shè)備可以完成許多操作，例如，(l)作為微型閥，該閥 的疏水片是截止元件，該截止元件在施加某種外部能量時(shí)被克
服；(2)完成化學(xué)反應(yīng)，其中，液體被引入反應(yīng)室和做定量檢測(cè) 的診斷帶；以及(3)從微通道的液體段產(chǎn)生液滴，例如，為了 可控地射出精確的液滴體積。 截止閥
本發(fā)明包括用于例如毛細(xì)管和微流體系統(tǒng)中的可重置的截 止閥。典型的可重置的微流體截止閥包括電潤(rùn)濕表面和產(chǎn)生表面 的氣泡的組合。當(dāng)水流引入干燥的具有相對(duì)親水性的毛細(xì)通道 時(shí)，流體將由于毛細(xì)作用而流動(dòng)以充滿(mǎn)毛細(xì)管?？梢栽谕ǖ赖囊?個(gè)截面引入一個(gè)疏水表面以截止水流體的毛細(xì)流動(dòng)。可以i殳置一 對(duì)電極從而可以穿過(guò)疏水表面施加電勢(shì)，因此可控地使該疏水表 面更親水。在疏水表面的上游，至少一個(gè)電極可以與通道內(nèi)部導(dǎo) 電接觸，從而施加的電壓可以電解地產(chǎn)生氣泡。
在操作中，引入的水流體在接觸疏水表面時(shí)可以在通道中被 截止。穿過(guò)疏水表面的電勢(shì)使其更親水時(shí)，液流可以被重新啟動(dòng)。 然而，該電潤(rùn)濕閥不能簡(jiǎn)單地通過(guò)除去電勢(shì)而重置，因?yàn)椴辉俅?在氣體以提供在疏水表面處的液體/氣體/固體接觸面。本發(fā)明通 過(guò)在流體中提供氣泡來(lái)解決這一問(wèn)題，例如，通過(guò)電解流體產(chǎn)生 氣泡，該氣泡可以流到疏水表面在不存在EW電勢(shì)的條件下重新 建立液流的截止液體/氣體/固體接觸面。本發(fā)明的可重置的截止閥優(yōu)選地在毛細(xì)管或微流體系統(tǒng)中
控制液流。毛細(xì)通道的橫截面尺寸通常為5mm或更小，更典型 地，為lmm或更小。微流體系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)具有微米尺寸 橫截面的通道，該橫截面尺寸為，例如，小于1毫米，500微米 (iam)或更小，250jum或更小，100jum或更小，50Mm或更 小，10(am或更小，或者1mhi或更小。
可重置的閥可以是微流體系統(tǒng)的 一部分，該微流體系統(tǒng)包括 兩個(gè)或兩個(gè)以上與fi流體通道流體連4妄的室。例如，所述系統(tǒng)可 以是化學(xué)檢測(cè)或生物檢測(cè)芯片，在該芯片中，例如，樣品流體流 入接觸試劑以生成可4企測(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物。所述系統(tǒng)的室可以 <呆存樣 品、試劑、緩沖溶液、清洗溶液等等。所述室的功能可以配置為 貯液室室、體積測(cè)量室、培養(yǎng)室(incubation chamber )、反應(yīng)室、 分析物或反應(yīng)產(chǎn)物采集室、檢測(cè)室、廢料室等等。本發(fā)明的截止 閥可以位于這些系統(tǒng)的通道中，以在體積和時(shí)間上精確地控制流 體在室和通道之間的體積和流動(dòng)。
在通道中截止水流體流動(dòng)的疏水表面通常比相鄰的通道表 面更疏水。例如，通道中的疏水片可以是通道的表面，相較于相 鄰于疏水片的通道表面(典型的為上游表面)，該表面在流體前 部具有更大的接觸角。疏水片可以通過(guò)用相對(duì)(例如，相對(duì)于相 鄰表面)疏水的材料(例如，硅酸鹽、脂類(lèi)、碳水化合物等)來(lái) 處理通道表面的方式形成。該疏水片可以由應(yīng)用于導(dǎo)體的疏水介 質(zhì)材料形成，該介質(zhì)材料由相對(duì)疏水的材料制成，例如塑料或聚 碳氟化合物?？梢酝ㄟ^(guò)處理相鄰?fù)ǖ朗蛊涓H水從而間接地形成 疏水片。例如，疏水片可以是塑料基體的表面，而相鄰?fù)ǖ揽梢?用表面活性劑來(lái)處理。
值得注意的是，雖然水流體流動(dòng)是更常見(jiàn)的應(yīng)用，相關(guān)的系 統(tǒng)可以控制更疏水性的流體的流動(dòng)，例如基于有機(jī)溶劑的溶液。 例如，通道可以制造成具有疏水片以截止疏水流體的流動(dòng)，并且 可以被靜電場(chǎng)調(diào)節(jié)。可以通過(guò)電解產(chǎn)生氣體的組分(或者注射氣 體、加熱以產(chǎn)生氣體等)在疏水流體中產(chǎn)生氣泡，從而在疏水片處重新建立截止態(tài)。
本發(fā)明的可重置的截止閥可以包括兩個(gè)或兩個(gè)以上與通道 內(nèi)部導(dǎo)電接觸和/或固定的導(dǎo)電區(qū)域，從而在通道表面有效地提 供靜電影響力。
電潤(rùn)濕導(dǎo)體通常包括嵌在通道表面中的第 一 電極，該電極由
電介質(zhì)與通道內(nèi)部分隔；與通道內(nèi)部導(dǎo)電接觸的第二電極。在許 多實(shí)施例中，第一電極嵌入在介電層和/或疏水層之后的通道壁 上。第二電極在第一電極上游與通道內(nèi)部導(dǎo)電接觸。當(dāng)流體流動(dòng)， 例如，以接觸第二電極以及在第一電極之前的疏水表面，可以通 過(guò)在兩個(gè)電極間施加電壓來(lái)產(chǎn)生靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)可以調(diào)節(jié)輸水 表面的疏水性，影響表面處的流體接觸角，以及確定流體是否流 過(guò)疏水表面。
可重置閥中的兩個(gè)或兩個(gè)以上電解質(zhì)導(dǎo)體通常與通道內(nèi)部 導(dǎo)電接觸。其中一個(gè)電解質(zhì)導(dǎo)體也可以作為電潤(rùn)濕導(dǎo)體的其中之 一，例如，接地電極或普通電極。為了電解水流體以產(chǎn)生氣泡， 至少施加1.2伏穿過(guò)流體的電壓以在陰極產(chǎn)生氫氣(H2)并在陽(yáng) 極產(chǎn)生氧氣(02)。為了不在疏水(通常為EW)表面上游產(chǎn)生 兩個(gè)不同的氣泡，陰極和陽(yáng)極可以共同位于上游，或者一個(gè)電極 可以位于疏水表面的下游。在一個(gè)實(shí)施例中，在通道中分開(kāi)一段 距離的陽(yáng)極和陰極分別產(chǎn)生兩個(gè)氣泡，兩氣泡間可以精確的截取 一段流體。
控制液流的方法
在毛細(xì)管或微通道中的流體流動(dòng)可以通過(guò)提供液體/氣體/固 體表面4妄觸面并影響液體和固體4妄觸面處的接觸角來(lái)完成。在疏 水片處穩(wěn)定截止的水流體前端可以通過(guò)靜電電潤(rùn)濕疏水表面來(lái) 允許其通過(guò)疏水片。在液流中插入氣泡，從而在主要的驅(qū)動(dòng)壓力 下新產(chǎn)生的液體前端處的4妾觸角過(guò)大而無(wú)法克月良，由此來(lái)截止流 過(guò)疏水片的液流。
控制液流的方法可以包括，例如，提供本發(fā)明的可重置的閥； 使液體流動(dòng)并截止在通道的疏水EW表面處；施加EW電壓以在EW表面產(chǎn)生靜電場(chǎng)，^v而允許流體繼續(xù)流動(dòng)；4亭止EW電壓； 施加電解電壓以產(chǎn)生在EW表面上游的氣泡；允許氣泡流動(dòng)以與 EW表面接觸，在該EW表面，表面的新的疏水性可以截止由氣 泡產(chǎn)生的流體前端。
本發(fā)明控制液流的方法的第 一 步是提供例如上述截止閥部 分描述的系統(tǒng)。例如，在基體中可以提供微通道(例如，通過(guò)掩 模沉積材料，化學(xué)刻蝕，激光刻蝕，塑料基體壓模等)。通道表 面可以;故制成具有不同的疏水性，例如，應(yīng)用如表面活性劑的親 水材料，應(yīng)用疏水材料，用具有理想疏水性的材料制造，用能量 束離子化表面等。導(dǎo)體可以是，例如，固定在表面上，嵌入在基 體中，蒸氣沉積金屬或半導(dǎo)體等等?？梢酝ㄟ^(guò)連接在電源上的導(dǎo) 線(xiàn)將電壓施加到導(dǎo)體，所述電源可以例如是電池、整流器等。電 壓可以是可控的，例如通過(guò)開(kāi)關(guān)、可變電阻、電腦界面等控制。
可以通過(guò)任何合適的力或力的組合使流體流動(dòng)。例如，本發(fā) 明的方法中，流體可以在^f鼓通道中通過(guò)重力、氣動(dòng)壓力、液壓、 毛細(xì)管作用、電滲等作用流動(dòng)。在許多實(shí)施例中，在樣品室中應(yīng) 用水樣本，以通過(guò)重力作用流入微流體通道，在該孩t流體通道中， 液流可以基本上依靠重力和毛細(xì)作用力的組合來(lái)驅(qū)動(dòng)。這樣的液 流可以通過(guò)疏水片來(lái)截止，該疏水片提供足夠大的與流體的接觸 角以4吏流體表面張力對(duì)抗液流的驅(qū)動(dòng)壓力。
穿過(guò)疏水片施加電壓可以使流體響應(yīng)上述作用力而流動(dòng)，這 些作用力例如重力和毛細(xì)作用力。在一個(gè)實(shí)施例中，可以穿過(guò)疏 水表面施加電壓，即通過(guò)在表面下的導(dǎo)體上以及在與流體接觸的 第二導(dǎo)體電極上施加電壓。這種情況下，可以穿過(guò)非導(dǎo)電的疏水 表面在導(dǎo)電流體和位于疏水表面以下的導(dǎo)體之間建立電容靜電 場(chǎng)。在另一些實(shí)施例中，兩個(gè)電極均與流體絕緣，但是仍然提供 能夠影響流體在疏水片處的接觸角的靜電場(chǎng)。進(jìn)一步，在另一些 實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)體均與流體導(dǎo)電接觸，其中流體自身可以是也 可以不是導(dǎo)體，從而影響流體在疏水片處的接觸角。
可以根據(jù)特定的應(yīng)用選擇電解產(chǎn)生氣泡的方式。在大多數(shù)實(shí)
19施例中，電壓是直流電，為大于0.5伏、大于1伏、1.2伏或更 高、2伏或更高、5伏或更高、12伏或更高。在優(yōu)選的實(shí)施例中， 流體包括了促進(jìn)電流在流體中流動(dòng)的 一種或多種電解質(zhì)。在優(yōu)選 的實(shí)施例中，流體的組分不會(huì)電鍍電極或產(chǎn)生不需要的氣體，例 如氯氣。在另一些實(shí)施例中，流體中包含了可以電解產(chǎn)生所需氣 體的電解質(zhì)、可還原的組分或可氧化的組分。
具體實(shí)施例方式
以下的討論僅描述了示例性實(shí)施例，而不限制所要求保護(hù)的 本發(fā)明。
實(shí)施例1-電潤(rùn)濕閥
提供 一 種電潤(rùn)濕閥，該閥帶有位于疏水片以下的導(dǎo)電電極。 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中的微機(jī)械加工的微 流體閥底盤(pán)1的橫截面圖。底盤(pán)包括了沉積在硅基體11之上的 第一介質(zhì)層12。典型地，第一介質(zhì)層12由沉積在硅基體11上 的作為硅隔離層的氮化硅制成。在第一介質(zhì)層12上設(shè)置含有第 一導(dǎo)電區(qū)域14和第二導(dǎo)電區(qū)域15的薄金屬導(dǎo)電層。典型地，導(dǎo) 電區(qū)域14和15由Au、 Pt或ITO制成，采用半導(dǎo)體工業(yè)中常用 的物理氣相沉積法(PVD)沉積在第一介質(zhì)層12上。采用影印 技術(shù)將導(dǎo)電區(qū)域14和15圖案化處理(patterned)成lOO^m至 2mm寬的小電極區(qū)域，如圖2所示。電極由在薄電極和厚接觸 板13之間相互連接的薄的Au、 Pt或ITO層制成。接觸板13在 存在或不存在線(xiàn)焊的情況下與外部電路電連接。第一導(dǎo)電區(qū)域 14可以作為參考電極或地電極，第二導(dǎo)電區(qū)域15可以作為工作 或驅(qū)動(dòng)電極，或者二者調(diào)換。傳統(tǒng)地，若導(dǎo)電區(qū)域14或15未圖 案化處理而是作為覆蓋在所述硅基體11整個(gè)區(qū)域上的覆蓋層， 則該導(dǎo)電層(區(qū)域14或15)成為參考電極，而另一電極作為驅(qū) 動(dòng)電極。
為了避免電極與液體的直接接觸，可以采用第二介質(zhì)層17。 可以在導(dǎo)電區(qū)域14或15之上沉積介質(zhì)材料，例如，基本上純凈
20的Si02或其他聚合物層(如聚對(duì)二曱苯Parylene)。優(yōu)選為Si02, 因?yàn)槠鋵?duì)硅微加工技術(shù)具有更好的兼容性，且在半導(dǎo)體工業(yè)中廣 泛應(yīng)用為絕緣層。可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)儀器將第二介 質(zhì)層17的薄層沉積在導(dǎo)電區(qū)域14和15上，所述導(dǎo)電區(qū)域14和 15在硅基體11上已完成圖案化處理?？梢圆捎糜坝〖夹g(shù)對(duì)位于 導(dǎo)電區(qū)域14和15之上的第二介質(zhì)層17進(jìn)行圖案化處理。
微通道中的液流截止元件可以是已知長(zhǎng)度的疏水片16，其長(zhǎng) 度優(yōu)選為微通道總長(zhǎng)的一部分?？梢栽谝褕D案化處理的導(dǎo)電層 14之上對(duì)疏水片16進(jìn)行圖案化處理，第二介質(zhì)層17位于二者 之間。疏水片16的微加工包括了在第二介質(zhì)層17上旋轉(zhuǎn)涂覆一 種疏水材料，例如一層TEFLON AF無(wú)定形氟聚合物樹(shù)脂。典型 地，疏水片的材料相對(duì)于通道表面的介質(zhì)層更疏水。疏水片16 還可以被進(jìn)一步涂覆光致抗蝕劑涂層，之后在紫外光下曝光，例 如采用具有氧等離子體的刻蝕光致抗蝕劑以使疏水片16暴露， 從而在第二絕緣層17的理想位置提供疏水片16。這些位置可以 是，例如，影印地(photo-lithographically)對(duì)齊于微加工的電極 以及還對(duì)齊于具有微通道的粘合間隔裝置的位置。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中的微機(jī)械加工的電潤(rùn) 濕微流體閥底盤(pán)的俯視圖。圖中，電EW導(dǎo)電區(qū)域14位于絕緣 的介質(zhì)蓋之后。導(dǎo)體15與流過(guò)所示表面(通常由左至右流過(guò)) 的流體電接觸。在本發(fā)明一些優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域14上 覆蓋第二介質(zhì)層17，從而在無(wú)電流的情況下靜電地影響區(qū)域內(nèi) 的流體接觸角。在許多情況下，導(dǎo)電區(qū)域15與表面上的流體導(dǎo) 電接觸，作為相對(duì)于施加在EW導(dǎo)電區(qū)域14的任意電壓的參考 (例如，接地電極)。如圖所示，設(shè)置在全部或部分EW導(dǎo)電區(qū) 域14之上的有三個(gè)平行的且平均間隔的疏水片16a、 16b和16c。 疏水片16a、 16b、 16c的寬度和之間的間隔是可調(diào)的和預(yù)定的(例 如通過(guò)計(jì)算或憑經(jīng)驗(yàn)的)，以為截止或啟動(dòng)液柱20的連續(xù)流動(dòng)提 供最好的結(jié)果，例如圖3所示。類(lèi)似地，導(dǎo)電區(qū)域15的尺寸以 及導(dǎo)電區(qū)域15與疏水片16c之間的間隔也是可調(diào)的，以對(duì)特定通道中的特定流體的接觸角提供期望的影響。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中的微機(jī)械加工的
電潤(rùn)濕微流體閥。 一段流體柱20被限制在微流體通道中，該通 道包括了底盤(pán)1基體和頂盤(pán)2。頂盤(pán)2可以具有一個(gè)涂覆了介質(zhì) 層19的玻璃或塑料基體18。當(dāng)流體柱20在通道中流動(dòng)時(shí)，流 體前端22可以在底盤(pán)1上與疏水片16在接觸面21上接觸。流 體前端22還可以與頂盤(pán)2在接觸面23上接觸。在接觸面21上， 流體柱20、疏水片16和空氣24可以形成三相(液體、固體和 氣體)接觸點(diǎn)。微流體通道的高度可以與流體柱20的高度相同 或不同。流體柱20可以在毛細(xì)作用下在通道中流動(dòng)。當(dāng)流體柱 20的前端22達(dá)到疏水片16時(shí)，在疏水接觸面21上的流體接觸 角可以非常大，從而，例如，在不施加額外流體壓力或靜電力以 降低接觸角的情況下，流體不會(huì)流過(guò)疏水片16。相應(yīng)地，流體 柱20可以在疏水片16處截止。當(dāng)在導(dǎo)電區(qū)域14和15間施加電 壓時(shí)，疏水片16的表面能可以改變，例如，降低在接觸面21上 的流體4妻觸角，以及允許流體柱20流過(guò)通道。
為了控制液流或調(diào)節(jié)流速，施加于導(dǎo)電區(qū)域14和15之間的 電壓可以:被調(diào)節(jié)。當(dāng)施加的電壓超過(guò)了上限時(shí)，電潤(rùn)濕效應(yīng)可以 產(chǎn)生控制作用。例如，流體柱20流過(guò)EW區(qū)域的疏水片時(shí)會(huì)遇 到較大阻力。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，當(dāng)穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域14和15 施加更高電壓差時(shí)，流體柱20通過(guò)疏水片16的流量會(huì)增加。因 此，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在導(dǎo)電區(qū)域14和15上的電壓，可以調(diào)節(jié)流體 柱20通過(guò)疏水片的流速。這可以用于，例如，控制在所述EW 閥上游的反應(yīng)室中發(fā)生的反應(yīng)的培養(yǎng)時(shí)間(incubation time )。可 選地，可以使用 一個(gè)閘門(mén)以控制該閘門(mén)下游流入反應(yīng)室或檢測(cè)室 的液流。
實(shí)施例2 -優(yōu)選的EW表面設(shè)計(jì)
導(dǎo)電區(qū)域14和15的布局和設(shè)置可以有不同的配置。例如， 圖4和5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的可選的設(shè)計(jì)圖。 電極32和31 (分別與導(dǎo)體14和15連接)的尺寸、間隔及數(shù)量可以4艮據(jù)特定的應(yīng)用而改變。疏水片16可選地可以覆蓋電才及31 、 32的全部或者一部分。
才艮據(jù)本發(fā)明另 一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，導(dǎo)電區(qū)域14和15可以如 圖6所示設(shè)置。在該圖中，導(dǎo)電區(qū)域14未被第二介質(zhì)層17覆蓋， 因此暴露在流過(guò)該微通道的流體中。該i殳計(jì)的應(yīng)用中，當(dāng)電壓E 施加在導(dǎo)電區(qū)域14和15之間時(shí)，導(dǎo)電區(qū)域14可以作為接地電 極。圖7示出了該優(yōu)選實(shí)施例的橫截面圖。
實(shí)施例3-重置閥門(mén)
根據(jù)本發(fā)明另 一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，電潤(rùn)濕閥還可用于截止微 通道中的液流。圖8至10示出了在疏水截止閘門(mén)處重新建立液 流截止態(tài)的情況。這一情況下，可以采用第三導(dǎo)電區(qū)域26,如 圖8所示，以在微流體通道的表面提供第二導(dǎo)電電極。在圖8所 示的實(shí)施例中，可以通過(guò)穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域14和26施加電壓，當(dāng)導(dǎo) 電流體流過(guò)橫穿過(guò)位于所述導(dǎo)電區(qū)域之間的毛細(xì)通道時(shí)閉合電 路，從而電流電解產(chǎn)生氣體(例如，從水中獲得氫氣和/或氧氣)。 當(dāng)穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域14和26施加電壓時(shí)，電壓E的陽(yáng)極導(dǎo)線(xiàn)連接在 導(dǎo)電區(qū)域14上，如圖8所示，例如，可以在流體與導(dǎo)電區(qū)域14 的接觸面上產(chǎn)生氣泡25。氣泡25產(chǎn)生的速率可以是所施加的電 壓E的函數(shù)。提高施加的電壓E可以加快氣泡25的產(chǎn)生。在許 多優(yōu)選的實(shí)施例中，在電解生成氣體的過(guò)程中，在穿過(guò)導(dǎo)電區(qū)域 15的疏水閘門(mén)上未施加偏置電壓。
只要施加電壓E且其陽(yáng)極線(xiàn)連接在導(dǎo)電區(qū)域14上，就會(huì)產(chǎn) 生氣泡25。小氣泡會(huì)隨著時(shí)間逐漸變成大氣泡25,如圖9所示。 當(dāng)該氣泡25達(dá)到疏水片16(例如，由于其體積和/或由于其被液 流推向下游，如圖IO所示)時(shí)，流體前端接觸到疏水片在21處 形成接觸面，三相(氣相、液相和固相)接觸重新建立。在此時(shí) 或在此之前，可以從導(dǎo)電區(qū)域14和15中去除電壓E。結(jié)果是疏 水片16回復(fù)到其疏水狀態(tài)并重新建立截止閘門(mén)，相關(guān)的高毛細(xì) 截止阻力阻止流體柱20流過(guò)通道。
應(yīng)該理解，這里描述的實(shí)施例僅僅是舉例。在不偏離本發(fā)明的精神以及所附權(quán)利要求的范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 以實(shí)施本發(fā)明的這些或其他的改進(jìn)和變化。
雖然為了清楚和易于理解的目的，上述內(nèi)容做了詳細(xì)的介 紹，但是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，應(yīng)清楚理解在不偏離本發(fā)明 范圍的情況下可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。例如，上述 許多技術(shù)和儀器可以以各種組合方式使用。
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權(quán)利要求
1.一種可重置的微流體截止閥，包括具有內(nèi)表面的微流體通道；置于所述表面上的疏水片，所述疏水片覆蓋在第一導(dǎo)電區(qū)域上，所述第一導(dǎo)電區(qū)域與所述通道無(wú)電接觸；與所述通道電接觸的第二導(dǎo)電區(qū)域，其中，在所述第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在第一電勢(shì)的條件下，由于所述流體和所述疏水片之間阻礙性的大接觸角，水流體不會(huì)流過(guò)所述疏水片，并且，其中，在所述第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在第二電勢(shì)的條件下，減小了所述接觸角，因而允許所述水流體流過(guò)所述疏水片；以及，與所述通道電接觸的第三導(dǎo)電區(qū)域，流過(guò)所述第三導(dǎo)電層和所述流體的電流在所述通道中產(chǎn)生氣泡。
2. 如權(quán)利要求1所述的閥，其中，所述微通道的橫截面尺寸 小于lmm。
3. 如權(quán)利要求1所述的閥，其中，所述第二導(dǎo)電區(qū)域位于所 述疏水片的上游。
4. 如權(quán)利要求1所述的閥，進(jìn)一步包括位于所述通道表面上 的第二疏水片，所述第二疏水片覆蓋在所述第一導(dǎo)電區(qū)域上或覆 蓋在第四導(dǎo)電區(qū)域上。
5. 如;K利要求1所述的閥，其中，所述電流流過(guò)電^^，所述 電路包括所述第二導(dǎo)電區(qū)域、所述流體以及所述第三導(dǎo)電區(qū)域， 以產(chǎn)生氣泡。
6. 如權(quán)利要求1所述的閥，其中，所述第三導(dǎo)電區(qū)域位于所 述通道中所述疏水片的上游。
7. 如權(quán)利要求1所述的閥，其中，所述第二和第三導(dǎo)電區(qū)域 均位于所述疏水片的上游，并且其中，當(dāng)電流流過(guò)它們中間時(shí)它 們都產(chǎn)生氣體。
8. 如權(quán)利要求1所述的閥，其中，在所述通道中存在所述氣 泡的情況下在所述第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間建立所述第一電勢(shì)。
9. 一種孩i流體閥，包括 具有導(dǎo)電區(qū)域的微流體通道；和 所述微流體通道中與所述導(dǎo)電區(qū)域接觸的流體；其中，在所述導(dǎo)電區(qū)域上施加電壓，以在所述通道中電解地 產(chǎn)生氣泡，因而截止所述微流體通道中的所述流體的流動(dòng)。
10. 如權(quán)利要求9所述的閥，進(jìn)一步包括了所述微流體通道 中所述導(dǎo)電區(qū)域下游的疏水片。
11. 一種^f鼓流體閥，包括 具有內(nèi)表面的微流體通道； 沿所述微流體通道設(shè)置的兩個(gè)或兩個(gè)以上疏水片；位于所述疏水片之下的第 一導(dǎo)電區(qū)域，所述疏水片位于所述 第一導(dǎo)電區(qū)域和所述通道內(nèi)部之間；以及，沿所述孩i流體通道在所述兩個(gè)或兩個(gè)以上疏水片之間設(shè)置 的第二導(dǎo)電區(qū)域；其中，在所述第 一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在第 一 電勢(shì)的情況 下，所述通道中的水流體不會(huì)流過(guò)所述疏水片，并且其中，在所 述第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間存在第二電勢(shì)的情況下，所述流體會(huì) 流過(guò)所述疏水片，所述第二電勢(shì)高于所述第一電勢(shì)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的閥，其中，所述第二導(dǎo)電區(qū)域與所 述通道內(nèi)部電接觸。
13. 如權(quán)利要求11所述的閥，其中，所述第一導(dǎo)電區(qū)域和所 述第二導(dǎo)電區(qū)域均不與所述通道內(nèi)部電接觸。
14. 一種控制通道中流體流動(dòng)的方法，包括提供通道，所述通道包括內(nèi)表面和設(shè)置在所述表面上的疏水片；提供暴露在所述內(nèi)表面上的第一導(dǎo)電區(qū)域； 使流體沿所述通道從所述第一導(dǎo)電區(qū)域流向所述疏水片；以及，對(duì)所述第一導(dǎo)電區(qū)域施加第一電壓，從而電解地產(chǎn)生氣泡；因此，所述氣泡被所述流體流動(dòng)推至所述疏水片上，形成接觸面，所述接觸面具有足夠的表面張力以截止所述流體流動(dòng)。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括提供相鄰于所述疏水片的第二導(dǎo)電區(qū)域，所述疏水片位于所述導(dǎo)電區(qū)域和通道內(nèi)部之間；并且，對(duì)所述第二導(dǎo)電區(qū)域施加第二電壓；其中，所述施加的第二電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，所述電場(chǎng)減小了在所述疏水片氣泡處的流體的接觸角，從而降低對(duì)所述液流的阻力，并允許所述流體流過(guò)所述疏水片。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)所述第二電壓，/人而調(diào)節(jié)所述流體的流速。
全文摘要
本發(fā)明涉及在毛細(xì)通道或微流體通道中控制流體流動(dòng)的系統(tǒng)和方法。第一對(duì)電極可以在通道中的相對(duì)疏水表面處影響流體前端的濕化。第二對(duì)電極可以電解產(chǎn)生氣泡，所述氣泡接觸疏水表面時(shí)可以截止流體流動(dòng)。通道中流體的流動(dòng)在接觸疏水表面時(shí)可以被截止，當(dāng)靜電場(chǎng)減小了疏水表面處的流體的接觸角時(shí)，流體流動(dòng)可以被重新啟動(dòng)?？梢匀コo電場(chǎng)，并且當(dāng)電解產(chǎn)生的氣泡接觸到疏水表面重新形成流體、氣體和表面的阻礙接觸角時(shí)，流體再次被截止。
文檔編號(hào)B01J19/00GK101663089SQ200880011037
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者馬克·Y·王 申請(qǐng)人:微點(diǎn)生物技術(shù)有限公司