專利名稱：一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器及其反應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片中的微反應(yīng)器，尤其是涉及一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器及其反應(yīng)方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片是將樣品預(yù)處理、混合、反應(yīng)、分離和檢測等操作單元集成在一個或多個芯片中的微分析系統(tǒng)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗室工作。微流控芯片因其具有樣品用量少、操作簡單、能夠在較短時間內(nèi)精確完成從樣品制備到結(jié)果顯示的全過程及能夠有效地克服傳統(tǒng)的實驗室工作中手工操作帶來的實驗誤差等諸多優(yōu)點，得到國內(nèi)外微流領(lǐng)域?qū)＜业母叨汝P(guān)注，并日益成為國際性前沿研究熱點，且已在化學(xué)分析、DNA測序、蛋白質(zhì)分析、單細(xì)胞分析、 單分子分析、藥物篩選、食品安全、環(huán)境監(jiān)測和國家安全等領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用，并隨著微流控芯片技術(shù)的進一步成熟，其應(yīng)用范圍必將深入到生活的方方面面，因此微流控芯片也曾被稱為“影響人類未來的最重要的發(fā)明之一”。微反應(yīng)器是微流控芯片實現(xiàn)微流分析不可缺少的組成部分，同時，微反應(yīng)器也是食品、醫(yī)藥等行業(yè)為降低研究成本而進行反應(yīng)條件的探索所必需的研究手段?，F(xiàn)有的微流控芯片的微反應(yīng)器中，常見的是在微流控芯片的微通道內(nèi)實現(xiàn)微流體輸運的同時，完成反應(yīng)物的反應(yīng)，這種反應(yīng)方法一般只能適用于常溫下就能實現(xiàn)反應(yīng)物反應(yīng)的場合，因而無需加熱元件。然而，很多生化反應(yīng)如細(xì)胞培養(yǎng)、酶的擴增、部分有機物合成等需要在高于室溫的環(huán)境下才能進行反應(yīng)，因此所采用的微反應(yīng)器必須要有加熱單元才能達(dá)到反應(yīng)物的溫度要求。在這一類微反應(yīng)器中，常用的微反應(yīng)器加熱方式主要有通過水浴鍋、加熱板和集成的加熱絲等方式實現(xiàn)。其中，通過水浴鍋和加熱板方式實現(xiàn)的微反應(yīng)器，其加熱設(shè)備簡單、制作成本低，但體積大、難以集成于微流控芯片中，有待改進；而集成于微反應(yīng)器中的加熱絲可集成性好，但制作成本較高，且工藝比較復(fù)雜，有待完善。近來，聲表面波器件因其具有成本低、工藝成熟等特點已經(jīng)在微流控芯片中得到應(yīng)用，并將進一步發(fā)展。如期刊《微電子機械系統(tǒng)》2008年第17卷第1期147-156 頁(Journal of Micro electromechanical systems, Vol. 17 (1)， 2008:147-156) 公開了《基于微液滴油包封微反應(yīng)器》(《Droplet-Based Micro reactions With Oil Encapsulation》)，該微反應(yīng)器工作時，進行反應(yīng)的反應(yīng)物通過功率放大器放大的RF信號加載到PZT (鋯鈦酸鉛)壓電基片的聚焦換能器上激發(fā)聲波，使得聲路徑上的反應(yīng)物噴發(fā)微液滴到達(dá)其上的玻璃基片的油微液滴上，實現(xiàn)油包封反應(yīng)物的反應(yīng)。該微反應(yīng)器可有效減少反應(yīng)物蒸發(fā)，但不能實現(xiàn)反應(yīng)物加熱，從而限制了該微反應(yīng)器的應(yīng)用。為了實現(xiàn)微流控芯片的微反應(yīng)器能夠在高于室溫條件下進行反應(yīng)物的生化反應(yīng)，必須在該微反應(yīng)器中集成微加熱器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種以聲表面波為能量源就能夠在高于室溫環(huán)境下實現(xiàn)生化反應(yīng)，且結(jié)構(gòu)簡單、集成性好、成本低的微反應(yīng)器及利用該微反應(yīng)器進行生化反應(yīng)的反應(yīng)方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應(yīng)的微反應(yīng)物的PDMS微容器，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器，所述的壓電基片的工作表面上且位于所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上設(shè)置有疏水層，所述的PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，所述的PDMS微槽的底部緊貼連接于所述的疏水層上，所述的PDMS微槽的頂部覆蓋有導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片，所述的PDMS微容器設(shè)置于所述的金屬薄片上，所述的 PDMS微容器具有底部開口，所述的PDMS微槽內(nèi)的甘油微流體分別與疏水層和金屬薄片的下表面接觸，所述的PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物與金屬薄片的上表面接觸。所述的金屬薄片的上表面上涂覆有PDMS薄層，所述的PDMS微容器的底部與所述的PDMS薄層的上表面固化，所述的PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物與PDMS薄層的上表面接觸； PDMS薄層的設(shè)置可避免PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物與金屬薄片發(fā)生反應(yīng)，將PDMS微容器的底部與PDMS薄層的上表面固化可有效確保PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物不外流。所述的PDMS薄層的厚度為1微米一 10微米。所述的PDMS微容器具有頂部開口，所述的PDMS微容器的頂部開口上可覆蓋有 PDMS薄片或載波片。所述的PDMS微槽、所述的PDMS微容器和所述的PDMS薄層均主要由體積比為(5 12) 1的道康寧184的單體和固化劑混合制備而成。所述的金屬薄片為鋁片或銅片。所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有用于反射所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的反射柵。本發(fā)明的微反應(yīng)器還包括信號發(fā)生裝置，所述的信號發(fā)生裝置主要由用于產(chǎn)生RF 電信號的信號發(fā)生器和與所述的信號發(fā)生器連接的功率放大器組成，所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設(shè)置有引線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條， 所述的匯流條通過導(dǎo)線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導(dǎo)線與所述的功率放大器相連接。一種利用上述的以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器進行生化反應(yīng)的反應(yīng)方法，其特征在于包括以下步驟
①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設(shè)置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已盛滿有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發(fā)生器、功率放大器和叉指換能器；
②啟動信號發(fā)生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應(yīng)的微反應(yīng)物；
③信號發(fā)生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF 電信號后激發(fā)聲表面波；
④叉指換能器激發(fā)的聲表面波對PDMS微槽內(nèi)的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體
5的溫度升高，升高的溫度通過導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物進行加熱，實現(xiàn)生化反應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于通過在設(shè)置于壓電基片的工作表面上的疏水層上連接一個PDMS微槽，在壓電基片的工作表面上設(shè)置叉指換能器，并使PDMS微槽位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，這樣叉指換能器激發(fā)的聲表面波對置放于PDMS 微槽內(nèi)的甘油微流體進行輻射，使得甘油微流體溫度升高，再經(jīng)導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片對設(shè)置于金屬薄片上的PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物進行生化反應(yīng)，本發(fā)明利用叉指換能器激發(fā)的聲表面波和置放于PMDS微槽內(nèi)的甘油微流體實現(xiàn)了微反應(yīng)器中微加熱單元的功能，使得需在高于室溫的條件下進行的生化反應(yīng)得以實現(xiàn)，極大地提高了微流控芯片的應(yīng)用范圍。本發(fā)明將用于產(chǎn)生熱量的甘油微流體和待反應(yīng)的微反應(yīng)物分別置放于PDMS微槽和PDMS微容器中，這樣可有效避免微反應(yīng)物被油相污染；并且由于聲表面波只對PDMS微槽內(nèi)的甘油微流體進行輻射，因此微反應(yīng)物的活性不會受到影響。本發(fā)明的微反應(yīng)器的PDMS 微容器的頂部開口上設(shè)置的PDMS薄片或載波片，可以有效地避免微反應(yīng)物蒸發(fā)。此外，本發(fā)明的微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，本發(fā)明的PDMS微槽本身具有部分粘性，可直接貼合在疏水層上，易于集成。本發(fā)明的反應(yīng)方法工藝簡單，利用叉指換能器激發(fā)的聲表面波和置放于PMDS微槽內(nèi)的甘油微流體就可實現(xiàn)高于室溫的溫度條件下才能發(fā)生的微反應(yīng)物的生化反應(yīng)，且重復(fù)性好。


圖1為本發(fā)明的微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。實施例一
本發(fā)明提出的以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，如圖1所示，其包括信號發(fā)生裝置1、壓電基片2、用于容納甘油微流體的PDMS (polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)微槽3和用于容納待反應(yīng)的微反應(yīng)物的PDMS (聚二甲基硅氧烷)微容器4。壓電基片2的上表面為工作表面，壓電基片2的工作表面上采用現(xiàn)有的微電子工藝光刻有用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器5和用于反射叉指換能器5激發(fā)的聲表面波以減小RF信號的功率的反射柵9，壓電基片2的工作表面上且位于叉指換能器5激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上設(shè)置有疏水層6，即該疏水層6覆蓋了叉指換能器5激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑，保證了甘油微流體位于聲傳輸路徑上，該疏水層6為在聲傳輸路徑上涂覆一層Teflon AF 1600疏水材料形成，由于如果疏水層6太厚，則衰減聲表面波太大，如果疏水層6太薄，則壓電基片2的表面疏水性不夠好，將導(dǎo)致甘油微流體通過PDMS微槽3與疏水層6之間可能存在的縫隙中滲出，因此可將該疏水層6的厚度控制在1 3 范圍內(nèi)。PDMS微槽3僅具有周壁，即PDMS微槽3設(shè)置有頂部開口和底部開口，PDMS微槽3的頂部開口和底部開口與PDMS微槽3的內(nèi)部相通，PDMS微槽3的底部緊貼連接于疏水層6上，PDMS微槽3內(nèi)裝滿有甘油微流體，容納于PDMS微槽3內(nèi)的甘油微流體與疏水層6接觸，當(dāng)甘油微流體受到聲表面波的輻射后溫度上升；PDMS微槽3的頂部覆蓋有導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片7，容納于PDMS微槽3內(nèi)的甘油微流體與金屬薄片7的下表面接觸，甘油微流體被輻射升溫后產(chǎn)生的熱量經(jīng)金屬薄片7傳遞給PDMS微容器4內(nèi)的微反應(yīng)物上。PDMS 微容器4也僅具有周壁，即PDMS微容器4具有頂部開口和底部開口，PDMS微容器4置放于金屬薄片7上，使用時通過PDMS微容器4的頂部開口注入待反應(yīng)的微反應(yīng)物，注入微反應(yīng)物后，可采用PDMS薄片或載波片(圖中未示出)覆蓋PDMS微容器4的頂部開口，這樣可以有效地避免微反應(yīng)物蒸發(fā)；PDMS微容器4內(nèi)的微反應(yīng)物與金屬薄片7的上表面接觸，經(jīng)金屬薄片7傳遞的熱量促使微反應(yīng)物發(fā)生生化反應(yīng)。 在此具體實施例中，壓電基片2可采用機電耦合系數(shù)稍大的壓電基片，基本可取機電耦合系數(shù)大于5. 5%的壓電基片，如128°-YX LiNbO3壓電基片，因為在相同的RF電信號下，設(shè)置于具有較大機電耦合系數(shù)的壓電基片上的叉指換能器能夠產(chǎn)生幅度較大的聲表面波，這樣易于利用幅度較大的聲表面波輻射甘油微流體而使甘油微流體的溫度升的較高、 較快。 在此具體實施例中，為了防止PDMS微容器4中的微反應(yīng)物與金屬薄片7發(fā)生反應(yīng)在金屬薄片7的上表面上涂覆一層PDMS聚合物材料，構(gòu)成PDMS薄層8，PDMS薄層8的上表面上再置放PDMS微容器4。在此，可將PDMS薄層8的厚度設(shè)計為1微米一 10微米，這樣便于將熱量傳遞到微反應(yīng)物上。在實際操作過程中，還可將PDMS微容器4的底部與PDMS薄層8的上表面固化，這樣可有效確保PDMS微容器4內(nèi)的微反應(yīng)物不外流。在此具體實施例中，PDMS微槽3和PDMS微容器4均主要由體積比為(5 12) :1 的道康寧184的單體和固化劑混合制備而成，制備時可采用模塑法。在制備過程中，為能夠使PDMS微槽3的底部能夠較好地緊貼粘在疏水層6上，可適當(dāng)提高單體和固化劑的體積比比例，從而使得制成的PDMS微槽3具有比較好的柔軟性，不僅能夠提高PDMS微槽3粘貼于疏水層6上的固定力，而且在PDMS微槽3較好地粘貼于疏水層6上時，兩者之間不會存在縫隙，從而有效防止了位于PDMS微槽3內(nèi)的甘油微流體通過縫隙滲到PDMS微槽3外。如果在制備PDMS微槽3時選取的單體和固化劑的體積比例較小，則可在制成的PDMS微槽3 的周壁的底部再涂上一層由具有較高體積比例的單體和固化劑混合而成的PDMS聚合物， 并經(jīng)過80°C恒溫箱固化1小時，這樣，PDMS微槽3的周壁的底部即可比較牢固地與壓電基片粘合。在此具體實施例中，金屬薄片可以為鋁片、銅片，也可以為由其它導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成的金屬薄片，實際設(shè)計過程中可選擇鋁片，不僅導(dǎo)熱性能較好，且價格相對便且。在此具體實施例中，信號發(fā)生裝置1主要由用于產(chǎn)生RF(Radic) Frequency，射頻) 電信號的信號發(fā)生器11和與信號發(fā)生器11連接的功率放大器12組成，壓電基片2的下表面上連接有PCB板13，PCB板13上設(shè)置有多個引線腳14，叉指換能器5包括兩個匯流條 51，匯流條51通過導(dǎo)線經(jīng)壓焊或?qū)щ娿y膠等方式與引線腳14相連接，引線腳14通過導(dǎo)線與功率放大器12相連接，信號發(fā)生器11輸出RF電信號，該RF電信號經(jīng)功率放大器12放大后再加載到叉指換能器5上，叉指換能器5在RF電信號的作用下激發(fā)聲表面波。在此， 信號發(fā)生器11和功率放大器12均采用現(xiàn)有技術(shù)。在此，PCB板13也可由其它現(xiàn)有的可以固定導(dǎo)線的基板替代。
在實際制備該微反應(yīng)器時，可將叉指換能器5設(shè)計在壓電基片2的工作表面靠近側(cè)邊的區(qū)域上，而將疏水層6設(shè)計在壓電基片2的工作表面的中心區(qū)域上，這樣可在壓電基片2的工作表面的四周多設(shè)置幾個叉指換能器，可從多個角度輻射甘油微流體。實施例二
一種利用實施例一所述的以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器進行生化反應(yīng)的反應(yīng)方法， 其主要包括以下步驟
①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設(shè)置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已注入有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發(fā)生器、功率放大器和叉指換能器。在實際操作過程中，甘油微流體需盛滿 PDMS微槽，這樣可有效確保甘油微流體與金屬薄片接觸，從而可使得叉指換能器激發(fā)的聲表面波輻射甘油微流體產(chǎn)生的熱量經(jīng)金屬薄片傳遞到PDMS微容器中的微反應(yīng)物上。②啟動信號發(fā)生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應(yīng)的微反應(yīng)物。 ③信號發(fā)生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號加載到叉指換能器上，叉指換能器接入RF電信號后激發(fā)聲表面波。④叉指換能器激發(fā)的聲表面波對PDMS微槽內(nèi)的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體的溫度升高，升高的溫度通過導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物進行加熱，從而實現(xiàn)生化反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應(yīng)的微反應(yīng)物的PDMS微容器，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器，所述的壓電基片的工作表面上且位于所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上設(shè)置有疏水層，所述的PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，所述的PDMS微槽的底部緊貼連接于所述的疏水層上，所述的PDMS微槽的頂部覆蓋有導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片，所述的PDMS微容器設(shè)置于所述的金屬薄片上，所述的PDMS微容器具有底部開口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的金屬薄片的上表面上涂覆有PDMS薄層，所述的PDMS微容器的底部與所述的PDMS薄層的上表面固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的 PDMS薄層的厚度為1微米一 10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的PDMS微容器具有頂部開口，所述的PDMS微容器的頂部開口上覆蓋有PDMS薄片或載波片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的 PDMS微槽、所述的PDMS微容器和所述的PDMS薄層均主要由體積比為(5 12):1的道康寧 184的單體和固化劑混合制備而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的金屬薄片為鋁片或銅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有用于反射所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的反射柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器，其特征在于還包括信號發(fā)生裝置，所述的信號發(fā)生裝置主要由用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生器和與所述的信號發(fā)生器連接的功率放大器組成，所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設(shè)置有引線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條，所述的匯流條通過導(dǎo)線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導(dǎo)線與所述的功率放大器相連接。
9.一種利用權(quán)利要求8所述的以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器進行生化反應(yīng)的反應(yīng)方法，其特征在于包括以下步驟①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設(shè)置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已盛滿有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發(fā)生器、功率放大器和叉指換能器；②啟動信號發(fā)生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應(yīng)的微反應(yīng)物；③信號發(fā)生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF 電信號后激發(fā)聲表面波；④叉指換能器激發(fā)的聲表面波對PDMS微槽內(nèi)的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體的溫度升高，升高的溫度通過導(dǎo)熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內(nèi)的微反應(yīng)物進行加熱，實現(xiàn)生化反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以聲表面波為能量源的微反應(yīng)器及其反應(yīng)方法，該微反應(yīng)器包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應(yīng)的微反應(yīng)物的PDMS微容器，壓電基片的工作表面上設(shè)置有叉指換能器，壓電基片的工作表面上且位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上設(shè)置有疏水層，PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，PDMS微槽的底部緊貼連接于疏水層上，PDMS微槽的頂部覆蓋有金屬薄片，PDMS微容器設(shè)置于金屬薄片上，優(yōu)點在于利用叉指換能器激發(fā)的聲表面波和置放于PMDS微槽內(nèi)的甘油微流體實現(xiàn)了微反應(yīng)器中微加熱單元的功能，使得需在高于室溫的條件下進行的生化反應(yīng)得以實現(xiàn)，極大地提高了微流控芯片的應(yīng)用范圍。
文檔編號B01J19/00GK102284265SQ201110155109
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者尉一卿, 張悅, 章安良, 胡楚, 韓慶江, 高挺, 黃孝圣, 黃昶 申請人:寧波大學(xué)