專利名稱：一種單平面液滴自動混合芯片及其單電極控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化化學(xué)生物儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單平面液滴自動混合芯片及其單電極控制方法。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的二維數(shù)字微流體技術(shù)需要通過將液滴置于上下兩個控制極板之間，加電壓，使液滴在兩極板之間運動，這種控制芯片，由于需要上下兩層，使液滴夾在中間，使得系統(tǒng)復(fù)雜度較高，液滴運動阻力較大，且液滴不具備聚光效果。我們之前申請的一項透明單平面單極性數(shù)字微流體芯片專利(公開號CN102350380A)，公開了一種單平面二維雙層芯片的實現(xiàn)方法，上述芯片屬于通用芯片，功能較多，但是結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜。而在實際應(yīng)用中，往往只需要一種單一功能，但是簡單易行，可靠性高的專用芯片，所以設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功能轉(zhuǎn)換簡便的專用芯片是非常重要的?；瘜W(xué)試劑的自動混合反應(yīng)對于便攜式或自動化的化學(xué)分析和生物檢測儀器是非常重要的。傳統(tǒng)的液滴混合方法(參見專利《自動混合液體輸送裝置》專利號:200820214694)需要使用密閉的水管、混合腔體以及壓縮空氣管或者液體泵之類的動力裝置，這些方法由于使用了大量的機(jī)械組件，體積龐大，不適合用于便攜式儀器。而傳統(tǒng)的基于電濕潤原理的基于電潤濕數(shù)字微流體芯片的液滴混合單元(公開號CN102836653A)，其控制方法需要上下兩層芯片，反應(yīng)液滴被夾在中間，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且滴加反應(yīng)試劑困難，亦不適合便攜式儀器使用。因此，如何設(shè)計一種可用于便攜式儀器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的液滴自動混合芯片，對于便攜式自動化化學(xué)分析儀或生物檢測儀器具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提 供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，便于滴加反應(yīng)試劑的新型單平面液滴自動混合芯片及其單電極控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。本發(fā)明采用基于電濕潤原理的芯片方案進(jìn)行液滴的混合，體積小巧，可靠性高，以擺脫傳統(tǒng)機(jī)械式或水泵式的液滴混合裝置所帶來的體積龐大，機(jī)械部件易損耗，成本高的缺點。本發(fā)明使用單平面的電濕潤芯片設(shè)計方法，用以擺脫最常用的雙層電濕潤芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試劑滴加困難的缺點。為了應(yīng)用于試劑自動混合和反應(yīng)，本發(fā)明創(chuàng)新性的對已有的單平面二維雙層電濕潤芯片進(jìn)行了巧妙的改進(jìn)，改變傳統(tǒng)的“井”字形雙層條狀電極，提出單電極液滴驅(qū)動方法，由此設(shè)計出只有單層結(jié)構(gòu)的，呈放射狀分布的控制電極，以簡易高效的實現(xiàn)化學(xué)試劑的自動混合與反應(yīng)。除了創(chuàng)新的單層放射狀控制電極結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的另一大創(chuàng)新點在于其特殊的單電極液滴驅(qū)動方法。目前國際上的基于電濕潤原理的芯片，在驅(qū)動液滴運動時，均至少需要兩個電極才能控制液滴運動。本發(fā)明首次發(fā)現(xiàn)利用僅將電源的信號端引入芯片中，接地端懸空，即僅在芯片上的一個電極加電，其余電極保持懸空，亦能順利驅(qū)動液滴運動，只是驅(qū)動電壓會略為升高。我們可以稱之為單極性現(xiàn)象，該原理與電容式觸摸傳感器原理類似，均利用了空氣耦合接地的原理形成回路。這種創(chuàng)新的單電極控制方式可以極大的簡化外圍電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。當(dāng)然，在本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個電極加電，其余電極不懸空，改為直接接地，本芯片亦能正常工作，順利驅(qū)動液滴運動，只是外圍電路需要加入接地控制器。本發(fā)明提供的單平面液滴自動混合芯片，用于自動化地進(jìn)行試劑混合并進(jìn)行生物或化學(xué)反應(yīng)，包括:電路相連的用于控制試劑進(jìn)行混合的一液滴混合區(qū)，和用于引入液滴控制電壓的一信號輸入?yún)^(qū)兩大部分，其中:
所述液滴混合區(qū)由呈放射狀分布的控制電極構(gòu)成，相鄰的控制電極間有縫隙相間隔；液滴可以從放射狀外圈的各個控制電極上向放射狀中心的控制電極運動，各個液滴運動到放射狀中心的控制電極上時，進(jìn)行混合并產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)；
所述液滴運動采用單電極控制方式，液滴僅受與液滴相鄰且靠近所述放射狀中心一側(cè)的唯一的一控制電極的吸引力所吸引，所述單電極控制方式用以提高芯片液滴控制的靈活性，并極大的降低外圍電路的復(fù)雜度；
所述信號輸入?yún)^(qū)由與所述液滴混合區(qū)中的各個控制電極分別相連的方形引線電極構(gòu)成，所述液滴控制電壓依次施加在某個液滴所涉及的引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地；
所述控制電極和所述弓I線電極之間通過導(dǎo)電材料進(jìn)行連接；
所述控制電極和所述引線電極由導(dǎo)電材料構(gòu)成，并位于一絕緣基板的上表面。本發(fā)明中，有一絕緣介 質(zhì)層覆蓋在所述控制電極和所述引線電極上，以實現(xiàn)電學(xué)的隔尚。本發(fā)明中，有一疏水層覆蓋在所述絕緣介質(zhì)層的表面，用以減小液滴運動時的阻力及電極控制電壓；所述疏水層由特氟龍材料構(gòu)成。本發(fā)明中，所述呈放射狀分布的控制電極可以由方形電極構(gòu)成，這種形狀設(shè)計可以實現(xiàn)最高的液滴控制的穩(wěn)定性及最低廉的設(shè)計制作成本。本發(fā)明中，所述呈放射狀分布的控制電極還可以由方塊梳子形電極構(gòu)成，所述方塊梳子形電極由一長方形電極兩側(cè)連接數(shù)個方塊形的梳子齒電極構(gòu)成，這種形狀設(shè)計可以實現(xiàn)大的液滴驅(qū)動力。本發(fā)明中，所述呈放射狀分布的控制電極還可以由三角梳子形電極構(gòu)成，所述三角梳子形電極由一長方形電極兩側(cè)連接數(shù)個三角形的梳子齒電極構(gòu)成，這種形狀設(shè)計可以擴(kuò)大反應(yīng)試劑的體積范圍。本發(fā)明中，所述液滴運動采用單電極控制方法，其具體過程歸納為:
51、將液滴控制電壓依次施加在每個液滴所涉及的引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地；
52、所述液滴僅受與液滴相鄰且靠近所述放射狀中心一側(cè)的唯一的一控制電極的吸引力所吸引；
53、所述液滴從放射狀外圈的各個所述控制電極上向放射狀中心的所述控制電極運動，各個所述液滴運動到所述放射狀中心的所述控制電極上，進(jìn)行混合并產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:第一，通過巧妙的設(shè)計，實現(xiàn)了非常簡單的圖形和結(jié)構(gòu)，極大的降低了制備的難度，提高可靠性，成本低廉；第二，通過單平面的液滴混合圖形設(shè)計，極大的方便了反應(yīng)試劑的滴加，并實現(xiàn)了穩(wěn)定的專一化的液滴混合操作；第三，液滴控制的方法采用控制電壓依次施加在每個所述引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地，這種方法極大的簡化了液滴的控制方式，簡化了外圍電路的設(shè)計；第四，通過本芯片進(jìn)行試劑液滴的自動混合和反應(yīng)，試劑液滴用量少，可以極大的節(jié)約化學(xué)藥品成本，降低檢測費用。本發(fā)明可以被廣泛的應(yīng)用于便攜式自動化的化學(xué)生物檢測儀器。


圖1為本發(fā)明實施例1的液滴混合區(qū)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例2的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例3的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號:1為液滴混合區(qū)的各個控制電極，液滴混合區(qū)的每個控制電極均分別通過電路與信號輸入?yún)^(qū)的各個引線電極El—E5相連；2為絕緣基板；3為絕緣介質(zhì)層；4為疏水層。Dl-D4為參與反應(yīng)的各試劑液滴，D5為混合后的反應(yīng)液滴；
El-E5為實施例1中與方形控制電極相連的引線電極，
El-E52為實施例2中與方塊梳子形電極相連的引線電極，
El3-E53為實施例3中與三角梳子形電極相連的引線電極，
具體實施例方式下面根據(jù)圖1和圖2給出本發(fā)明一個較好的實施例，并予以詳細(xì)描述，其中圖1為液滴混合區(qū)的剖面圖示意圖，圖2為實施例1的平面結(jié)構(gòu)示意圖。同時圖3給出第二個實施例，其剖面圖示意圖與圖1相似；圖4給出第三個實施例，其剖面圖示意圖與圖1相似。給出這3個實施例以便更好說明本發(fā)明，而不是用來限定本發(fā)明的范圍。例如，第一個實施例中的液滴混合區(qū)中的控制電極呈“十”字放射狀分布，用以進(jìn)行4種反應(yīng)試劑Dl—D4的自動混合與反應(yīng)。只要把“十”字放射狀分布改成“米”字放射狀分布，就可以用以進(jìn)行最多8種反應(yīng)試劑的自動混合。由于本發(fā)明的電極控制方法是創(chuàng)新性的單電極控制方法，所以電極布局的改變及復(fù)雜度的提高不會影響外圍控制電路及電壓施加的順序及控制方法。如此，可見本發(fā)明適用范圍之廣。下面仔細(xì)說明各個實施例:
實施例1:
如圖1所示，為本發(fā)明實施例1的液滴混合區(qū)剖面圖示意圖，剖面方向沿縱向穿過液滴混合區(qū)中呈“十”字放射狀分布控制電極的中心。從剖面結(jié)構(gòu)來看，本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)從下至上可分為絕緣基板2，上述絕緣基板2通?？墒褂帽砻嬗醒趸^緣層的硅片或者玻璃基板等；覆蓋在上述絕緣 基板2表面的且呈放射狀分布的控制電極1，其中每個控制電極I均分別通過電路與信號輸入?yún)^(qū)的各個弓I線電極El—E5相連，上述控制電極I和上述引線電極E1-E5材質(zhì)通常為各類金屬或者導(dǎo)電的金屬氧化物；在上述控制電極I表面通過淀積或旋涂的方法覆蓋一層絕緣介質(zhì)層3，上述絕緣介質(zhì)層3材質(zhì)通常為各類高介電常數(shù)薄膜，比如氮化硅、氧化鋁、SU-8等，以實現(xiàn)電學(xué)的隔離；在上述絕緣介質(zhì)層3的表面還覆蓋有一層疏水層4，由特氟龍材料構(gòu)成，通常采用旋涂的方法淀積在上述絕緣介質(zhì)層3的上表面，用以減小液滴運動時的阻力及電極控制電壓。圖2是本發(fā)明實施例1的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中顯示了在實施例1中的控制電極和引線電極及二者的連接電路的電極形狀。圖2中左側(cè)的引線電極El—E5，構(gòu)成了實施例1中的用以引入液滴控制電壓的信號輸入?yún)^(qū)。圖2中，右側(cè)的呈“十”字放射狀分布的多個方形電極，構(gòu)成了實施例1中的控制試劑進(jìn)行混合的液滴混合區(qū)。他們分別與左側(cè)的引線電極El—E5，通過電路連接。這種方形電極設(shè)計可以實現(xiàn)最高的液滴控制的穩(wěn)定性及最低廉的設(shè)計制作成本。芯片工作時，通過在上述引線電極El—E5上，依次施加直流或交流的液滴驅(qū)動控制電壓，其他引線電極保持接地或懸空，液滴就會依次向中心運動。例如引線電極El施加控制電壓，則此時其他引線電極E2 — E5則保持接地或懸空，此時液滴在上述引線電極El所連接的控制電極上；接下來就是引線電極E2施加控制電壓，則此時其他引線電極El和E3—E5則保持接地或懸空，此時液滴就會從上述引線電極El所連接的控制電極上運動到上述引線電極E2所連接的控制電極上，實現(xiàn)向放射中心聚集的運動；接著再將控制電壓施加到引線電極E3，以此類推，最后將控制電壓施加到引線電極E5，則可實現(xiàn)液滴Dl—D4從與引線電極El相連的控制電極上最終移動到與引線電極E5相連的放射狀中心控制電極上，并實現(xiàn)試劑液滴的混合，形成一個大液滴D5，并產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)。目前國際上的基于電濕潤原理的芯片，在驅(qū)動液滴運動時，均至少需要兩個電極才能控制液滴運動。而本發(fā)明創(chuàng)新的單電極液滴驅(qū)動方法，使液滴運動時僅需要液滴前端一個電極加電控制即可，其余電極可保持懸空。在外圍電路連接上，我們可以簡化為僅將電源的信號端引入芯片中，接地端懸空，即僅在芯片`上的一個電極加電，其余電極保持懸空，就能順利驅(qū)動液滴運動，只是驅(qū)動電壓會略為升高。我們可以稱之為單極性現(xiàn)象，該原理與電容式觸摸傳感器原理類似，均利用了室內(nèi)空氣耦合接地的原理形成回路。將這種創(chuàng)新的單電極液滴驅(qū)動方法和創(chuàng)新的單層放射狀控制電極結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，極大的簡化了外圍電路的設(shè)計，簡化了外圍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建。當(dāng)然，在本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個電極加電時，把其余電極懸空改為直接接地，本芯片亦能正常工作，順利驅(qū)動液滴運動，并可以降低驅(qū)動電壓。只是外圍電路需要加入一些接地控制器，增加一定的系統(tǒng)復(fù)雜性。圖3—圖4是本發(fā)明實施例2—實施例3的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中顯示了在實施例2—實施例3中的控制電極和引線電極及二者的連接電路的電極形狀。圖3中左側(cè)的引線電極El2—E52，圖4中左側(cè)的引線電極El3—E53，分別構(gòu)成了實施例2—實施例3中的用以弓I入液滴控制電壓的信號輸入?yún)^(qū)。圖3中，右側(cè)的呈“十”字放射狀分布的方塊梳子形電極，構(gòu)成了實施例2中的控制試劑進(jìn)行混合的液滴混合區(qū)。他們分別與左側(cè)的引線電極El2—E52，通過電路連接，其工作原理與實施例1相同。不同之處在于所述方塊梳子形電極由一長方形電極兩側(cè)連接數(shù)個方塊形的梳子齒電極構(gòu)成，這種形狀設(shè)計可以實現(xiàn)大的液滴驅(qū)動力。圖4中，右側(cè)的呈“十”字放射狀分布的三角梳子形電極，構(gòu)成了實施例3中的控制試劑進(jìn)行混合的液滴混合區(qū)。他們分別與左側(cè)的引線電極El3—E53，通過電路連接，其工作原理與實施例1相同。不同之處在于所述三角梳子形電極由一長方形電極兩側(cè)連接數(shù)個三角形的梳子齒電極構(gòu)成，這種形狀設(shè)計可以擴(kuò)大反應(yīng)試劑的體積范圍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:第一，通過巧妙的設(shè)計，實現(xiàn)了非常簡單的圖形和結(jié)構(gòu)，極大的降低了制備的難度，提高可靠性，成本低廉；第二，通過單平面的液滴混合圖形設(shè)計，極大的方便了反應(yīng)試劑的滴加，并實現(xiàn)了穩(wěn)定的專一化的液滴混合操作；第三，液滴控制的方法采用控制電壓依次施加在每個所述引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地，這種方法極大的簡化了液滴的控制方式，簡化了外圍電路的設(shè)計；第四 ，通過本芯片進(jìn)行試劑液滴的自動混合和反應(yīng)，試劑液滴用量少，可以極大的節(jié)約化學(xué)藥品成本，降低檢測費用。本發(fā)明可以被廣泛的應(yīng)用于便攜式自動化的化學(xué)生物檢測儀器。
權(quán)利要求
1.一種單平面液滴自動混合芯片，用于自動化地進(jìn)行試劑混合并進(jìn)行生物或化學(xué)反應(yīng)，包括一液滴混合區(qū)和一信號輸入?yún)^(qū)兩大部分，其特征在于: 所述液滴混合區(qū)由數(shù)個呈放射狀分布的控制電極構(gòu)成，相鄰的控制電極間有縫隙相間隔; 所述信號輸入?yún)^(qū)由與所述液滴混合區(qū)中的各個所述控制電極分別相連的方形引線電極構(gòu)成； 所述控制電極和所述弓I線電極之間通過導(dǎo)電材料進(jìn)行連接； 所述控制電極和所述引線電極由導(dǎo)電材料構(gòu)成，并位于一絕緣基板的上表面； 一絕緣介質(zhì)層覆蓋在所述控制電極和所述弓I線電極上；一疏水層覆蓋在所述絕緣介質(zhì)層的表面，該疏水層由特氟龍材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單平面液滴自動混合芯片，其特征在于所述呈放射狀分布的控制電極由方形電極構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單平面液滴自動混合芯片，其特征在于所述呈放射狀分布的控制電極由方塊梳子形電極構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單平面液滴自動混合芯片，其特征在于所述呈放射狀分布的控制電極由三角梳子形電極構(gòu)成。
5.一種如權(quán)利要求1所述的單平面液滴自動混合芯片的單電極控制方法，其特征在于具體過程為: S1、將液滴控制電壓依次施加在每個液滴所涉及的引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地； S2、所述液滴僅受與液滴相鄰且靠近所述放射狀中心一側(cè)的唯一的一控制電極的吸引力所吸引； S3、所述液滴從放射狀外圈的各個所述控制電極上向放射狀中心的所述控制電極運動，各個所述液滴運動到所述放射狀中心的所述控制電極上，進(jìn)行混合并產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動化化學(xué)生物儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單平面液滴自動混合芯片及其單電極控制方法。本發(fā)明的單平面液滴自動混合芯片，包括電路相連的一液滴混合區(qū)和一信號輸入?yún)^(qū)兩大部分組成。通過將液滴控制電壓依次施加在所述信號輸入?yún)^(qū)的每個引線電極上，同時其余引線電極的電壓保持懸空或者接地，從而使多個反應(yīng)試劑液滴能夠匯聚并進(jìn)行混合并產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)。本芯片設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)非常簡單，成本低廉，能夠非常方便的滴入反應(yīng)試劑，且試劑液滴用量少，節(jié)約生物化學(xué)試劑，降低檢測費用。本發(fā)明可以廣泛的應(yīng)用于便攜式自動化的化學(xué)生物檢測儀器。
文檔編號B01J19/08GK103230754SQ201310125759
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者曾祥宇, 章凱迪, 周嘉 申請人:復(fù)旦大學(xué)