本發(fā)明涉及微混合芯片領(lǐng)域，具體涉及一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片。

背景技術(shù)：

微流控芯片(Micro fluidic Chip)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-A-Chip)，指的是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)完成分析過程，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)機(jī)械、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的十分具有應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。

在微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域中，如何對(duì)微流體進(jìn)行精準(zhǔn)的操控一直以來都是學(xué)者們研究的熱門課題。傳統(tǒng)的宏觀流體可以通過對(duì)流實(shí)現(xiàn)混合，而微通道中的流體由于低雷諾數(shù)，主要依靠擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)混合。因此，在微系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)微通道中流體的有效混合，外部能量或者部件是不可缺少的。

現(xiàn)有的微混合芯片分為主動(dòng)式微混合芯片和被動(dòng)式微混合芯片。被動(dòng)式微混合芯片主要依靠復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者通道表面處理實(shí)現(xiàn)微通道中流體的混合。主動(dòng)式微混合芯片主要依靠聲場、磁場或電場等外部能量來實(shí)現(xiàn)微通道中流體的混合。這其中應(yīng)用較多的是依靠電場的微混合芯片。電驅(qū)動(dòng)微混合芯片具有結(jié)構(gòu)簡單、無需外部構(gòu)件和易于集合等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有的電驅(qū)動(dòng)微混合芯片主要是基于感應(yīng)電荷電滲原理，通過在微通道內(nèi)設(shè)置多個(gè)三維復(fù)雜的導(dǎo)體障礙物，產(chǎn)生感應(yīng)電荷電滲現(xiàn)象，進(jìn)而促進(jìn)微通道中流體的混合。該類微混合芯片雖然具有優(yōu)良的混合能力，但是由于需要在微通道內(nèi)設(shè)置三維復(fù)雜的導(dǎo)體障礙物，使得該類混合芯片的加工步驟繁瑣，難于操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有基于感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片加工步驟繁瑣、難于操作的問題，提出了一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片。

本發(fā)明所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片包括玻璃基底1、PDMS蓋片2、第一激發(fā)電極3、第二激發(fā)電極4、第三激發(fā)電極5、第四激發(fā)電極6、第一懸浮電極7和第二懸浮電極8；

所述第一激發(fā)電極3、第二激發(fā)電極4、第三激發(fā)電極5、第四激發(fā)電極6、第一懸浮電極7和第二懸浮電極8均為薄膜電極，并均設(shè)置在玻璃基底1的上表面；

所述PDMS蓋片2的下表面上設(shè)置有第一流道9、第二流道10、第三流道11和混合流道12，所述混合流道12的流入端同時(shí)與第一流道9的流出端和第二流道10的流出端連接，所述混合流道12的流出端與第三流道11的流入端連接，所述第一流道9的流入端設(shè)置有第一流入槽13，所述第二流道10的流入端設(shè)置有第二流入槽14，所述第三流道11的流出端設(shè)置有流出通孔15；

所述第一流入槽13的底部設(shè)置有第一流入通孔，所述第二流入槽14的底部設(shè)置有第二流入通孔，所述第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔15均貫穿PDMS蓋片2；

所述第一流入通孔的流入端和第二流入通孔的流入端分別接有第一金屬連接器16和第二金屬連接器17；

所述玻璃基底1的上表面與PDMS蓋片2的下表面相對(duì)且密封設(shè)置，所述第一激發(fā)電極3的一端18和第二激發(fā)電極4的一端19均與混合流道12的一側(cè)貼合，所述第三激發(fā)電極5的一端20和第四激發(fā)電極6的一端21均與混合流道12的另一側(cè)貼合；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21相對(duì)設(shè)置，在兩者之間設(shè)置第一懸浮電極7的一端22，所述第一懸浮電極7的一端22與兩者的間距相等；

所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20相對(duì)設(shè)置，在兩者之間設(shè)置第二懸浮電極8的一端23，所述第二懸浮電極8的一端23與兩者的間距相等；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21的電勢差等于所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20的電勢差。

優(yōu)選的是，所述第一懸浮電極7的一端22與第二懸浮電極8的一端23的尺寸相同；

所述第一懸浮電極7的一端22的長度Lc為1000微米，寬度Wc為80微米，所述第一懸浮電極7的一端22與第二懸浮電極8的一端23的間距Gc為100微米；

所述混合流道12的長度L為2300微米，寬度W為180微米，高度為100微米；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21的間距和所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20的間距相同；

所述第一懸浮電極7的一端22與第三激發(fā)電極5的一端20的間距Gl為30微米；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第二激發(fā)電極4的一端19的間距Gd等于第三激發(fā)電極5的一端20與第四激發(fā)電極6的一端21的間距，所述間距Gd為140微米。

進(jìn)一步的是，所述第一金屬連接器16和第二金屬連接器17的內(nèi)徑均為1毫米，所述流出通孔15的直徑為6毫米。

優(yōu)選的是，所述薄膜電極的材質(zhì)為ITO。

優(yōu)選的是，所述薄膜電極的材質(zhì)為金屬。

所述第一激發(fā)電極3的一端18和第二激發(fā)電極4的一端19的電勢均為V₁。所述第三激發(fā)電極5的一端20和第四激發(fā)電極6的一端21的電勢均為V₂。當(dāng)?shù)谝粦腋‰姌O7的一端22和第二懸浮電極8的一端23不加電壓時(shí)，兩者的電勢均為(V₁+V₂)/2。在對(duì)混合流道12內(nèi)的流體進(jìn)行混合時(shí)，分別對(duì)第一懸浮電極7的一端22和第二懸浮電極8的一端23施加電壓，使第一懸浮電極7的一端22的電勢大于(V₁+V₂)/2，第二懸浮電極8的一端23的電勢小于(V₁+V₂)/2；或者使第一懸浮電極7的一端22的電勢小于(V₁+V₂)/2，第二懸浮電極8的一端23的電勢大于(V₁+V₂)/2。

本發(fā)明所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片，通過改變兩個(gè)懸浮電極表面的電勢，影響了懸浮電極與流體交界處雙電層的電容充電，使得懸浮電極表面的電滲流發(fā)生改變，進(jìn)而產(chǎn)生兩個(gè)非對(duì)稱的電滲漩渦，對(duì)微通道中的流體進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)流體的混合。本發(fā)明中的電極均為薄膜電極，與三維復(fù)雜的導(dǎo)體障礙物相比，薄膜電極更容易制備。因此本發(fā)明所述的微混合芯片，加工步驟簡便，易于操作，能夠解決現(xiàn)有基于感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片加工步驟繁瑣、難于操作的問題。

附圖說明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對(duì)本發(fā)明所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中：

圖1是實(shí)施例所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片的透視圖；

圖2是實(shí)施例中混合流道處的放大圖；

圖3是實(shí)施例中混合流道與電極端部的尺寸圖；

圖4是實(shí)施例中第一激發(fā)電極和第二激發(fā)電極上施加10Vpp電壓，第三激發(fā)電極和第四激發(fā)電極接地，第一懸浮電極施加8Vpp電壓，第二懸浮電極施加2Vpp電壓，電壓頻率均為500Hz時(shí)，混合流道中，B溶液與C溶液的混合流場圖；

圖5是實(shí)施例中PDMS通道加工的流程圖，a為硅基底，b為光刻膠，c為流道模板，d為PDMS與固化劑的混合物，UV為紫外線；

圖6是實(shí)施例中ITO薄膜電極加工的流程圖，e為ITO薄膜，f為電極模板；

圖7是實(shí)施例中PDMS蓋片與ITO基底的鍵合圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實(shí)際的比例。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：下面結(jié)合圖1至圖7詳細(xì)地說明本實(shí)施例。

本實(shí)施例所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片，包括玻璃基底1、PDMS蓋片2、第一激發(fā)電極3、第二激發(fā)電極4、第三激發(fā)電極5、第四激發(fā)電極6、第一懸浮電極7和第二懸浮電極8；

所述第一激發(fā)電極3、第二激發(fā)電極4、第三激發(fā)電極5、第四激發(fā)電極6、第一懸浮電極7和第二懸浮電極8均為薄膜電極，并均設(shè)置在玻璃基底1的上表面；

所述PDMS蓋片2的下表面上設(shè)置有第一流道9、第二流道10、第三流道11和混合流道12，所述混合流道12的流入端同時(shí)與第一流道9的流出端和第二流道10的流出端連接，所述混合流道12的流出端與第三流道11的流入端連接，所述第一流道9的流入端設(shè)置有第一流入槽13，所述第二流道10的流入端設(shè)置有第二流入槽14，所述第三流道11的流出端設(shè)置有流出通孔15；

所述第一流入槽13的底部設(shè)置有第一流入通孔，所述第二流入槽14的底部設(shè)置有第二流入通孔，所述第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔15均貫穿PDMS蓋片2；

所述第一流入通孔的流入端和第二流入通孔的流入端分別接有第一金屬連接器16和第二金屬連接器17；

所述玻璃基底1的上表面與PDMS蓋片2的下表面相對(duì)且密封設(shè)置，所述第一激發(fā)電極3的一端18和第二激發(fā)電極4的一端19均與混合流道12的一側(cè)貼合，所述第三激發(fā)電極5的一端20和第四激發(fā)電極6的一端21均與混合流道12的另一側(cè)貼合；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21相對(duì)設(shè)置，在兩者之間設(shè)置第一懸浮電極7的一端22，所述第一懸浮電極7的一端22與兩者的間距相等；

所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20相對(duì)設(shè)置，在兩者之間設(shè)置第二懸浮電極8的一端23，所述第二懸浮電極8的一端23與兩者的間距相等；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21的電勢差等于所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20的電勢差；

所述第一懸浮電極7的一端22與第二懸浮電極8的一端23的尺寸相同；

所述第一懸浮電極7的一端22的長度Lc為1000微米，寬度Wc為80微米，所述第一懸浮電極7的一端22與第二懸浮電極8的一端23的間距Gc為100微米；

所述混合流道12的長度L為2300微米，寬度W為180微米，高度為100微米；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第四激發(fā)電極6的一端21的間距和所述第二激發(fā)電極4的一端19與第三激發(fā)電極5的一端20的間距相同；

所述第一懸浮電極7的一端22與第三激發(fā)電極5的一端20的間距Gl為30微米；

所述第一激發(fā)電極3的一端18與第二激發(fā)電極4的一端19的間距Gd等于第三激發(fā)電極5的一端20與第四激發(fā)電極6的一端21的間距，所述間距Gd為140微米。

所述第一金屬連接器16和第二金屬連接器17的內(nèi)徑均為1毫米，所述流出通孔15的直徑為6毫米；

所述薄膜電極的材質(zhì)為ITO。

基于海姆霍茲-斯姆魯喬斯基公式可以得到懸浮電極上電滲滑移的時(shí)均流速：

$\<v_s\>=\frac{-\mathrm{\ϵ}}{2\mathrm{\η}}\mathrm{Re}\left(\widetilde{\mathrm{\ζ}}{\widetilde{E_t}}^{*}\right)=\frac{-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\η}}\frac{1}{1+\mathrm{\δ}}\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(\right(\widetilde{{\mathrm{\φ}}_0}-\widetilde{\mathrm{\φ}}\left){\left(\tilde{E}-\tilde{E}\·n\·n\right)}^{*}\right)---\left(1\right)$

其中，<v_s>為電滲滑移的時(shí)均流速，ε為溶液介電常數(shù)，η為溶液粘度，為誘導(dǎo)的電動(dòng)電勢，為金屬表面電勢，為雙電層外側(cè)電勢，為電場強(qiáng)度復(fù)振幅，為電場切向分量復(fù)振幅，δ為擴(kuò)散層與吸附層電容之比，n為法向量。

圖3為混合流道與電極端部的尺寸圖。圖中的各項(xiàng)尺寸參數(shù)通過基于Comsol仿真優(yōu)化得到。

本實(shí)施例所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

一、PDMS通道加工：

(1)、清洗硅基底：首先，采用清洗劑手洗硅基底。其次，將硅基底依次置于丙酮和異丙醇中分別超聲清洗10分鐘。再次，采用等離子水沖洗硅基底，并采用氮?dú)獯蹈伞Ｗ詈?，將吹干后的硅基底置于烘烤箱中，?0℃的溫度下，加熱15分鐘。

(2)、光刻膠的平鋪：首先，在硅基底的上表面涂覆一層光刻膠。其次，將硅基底放置在甩膠機(jī)上以1500r/s的速度旋轉(zhuǎn)，直至光刻膠的厚度為100微米。最后，對(duì)硅基底進(jìn)行前烘，將硅基底放置在60℃的熱板上，將熱板加熱至95℃，以該溫度加熱硅基底1小時(shí)。所述光刻膠為SU-82050型號(hào)的負(fù)性光刻膠。

(3)、曝光：首先，將流道模板放置在光刻膠面上。其次，采用透光板將流道模板與光刻膠面壓緊。最后，采用紫外線燈管對(duì)其進(jìn)行曝光。

(4)、顯影：首先，對(duì)曝光后的硅基底進(jìn)行后烘，將硅基底放置在60℃的熱板上，將熱板加熱至95℃，以該溫度加熱硅基底35分鐘。其次，將冷卻后的硅基底放置于SU-8顯影液中顯影10分鐘。再次，對(duì)硅基底進(jìn)行等離子水清洗、氮?dú)獯蹈?。最后，將硅基底置于烘烤箱中，?0℃的溫度下，加熱10分鐘至20分鐘，得到PDMS流道模子。

(5)、澆筑PDMS：首先，將PDMS與固化劑以10:1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，并采用潔凈的玻璃棒攪拌15分鐘至20分鐘，使其混合均勻。其次，采用真空泵對(duì)PDMS與固化劑的混合物抽真空30分鐘，以消除混合物中的氣泡。再次，對(duì)PDMS流道模子進(jìn)行硅烷化處理，使PDMS流道模子的表面沉積一層硅烷。最后，在PDMS流道模子的硅烷面上澆筑PDMS與固化劑的混合物，并采用真空泵對(duì)其抽真空20分鐘，以消除混合物中的氣泡，在80℃的溫度下，加熱2小時(shí)，使其固化。

PDMS流道模子的表面的硅烷層用于避免PDMS流道模子與所述混合物粘連。

(6)、PDMS通道處理：首先，將固化后的PDMS從PDMS流道模子上緩緩揭下。其次，采用刀片將其切割為與玻璃基底相匹配的形狀。最后，采用挖槽器和打孔器，設(shè)置第一流入槽、第二流入槽、第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔，得到PDMS蓋片。

圖5是PDMS通道加工的流程圖。

二、ITO薄膜電極的加工：

(1)、清洗ITO基底：ITO基底包括玻璃基底和ITO薄膜，ITO基底的清洗方法與硅基底的清洗方法相同。

(2)、光刻膠的平鋪：首先，在ITO薄膜上涂覆一層光刻膠。其次，將ITO基底放置在甩膠機(jī)上以3100r/s的速度旋轉(zhuǎn)40秒。最后，對(duì)ITO基底進(jìn)行軟烘，將ITO基底放置在100℃的熱板上，加熱6分鐘。

所述光刻膠為AZ4620型號(hào)的光刻膠。

(3)、曝光：將ITO基底放置在紫外線燈管下進(jìn)行曝光。

(4)、顯影：將曝光后的ITO基底放置于AZ顯影液中，顯影4分鐘至5分鐘。

(5)、腐蝕ITO薄膜：將顯影后的ITO基底置于質(zhì)量比為60％的鹽酸溶液中，并加入氯化鐵作為催化劑，浸泡40分鐘，對(duì)ITO薄膜進(jìn)行腐蝕。此過程中，經(jīng)曝光固化的光刻膠層起到了保護(hù)ITO薄膜的作用，沒有光刻膠覆蓋的ITO薄膜被腐蝕掉。

(6)、去除光刻膠：完成ITO薄膜的腐蝕后，將ITO基底置于質(zhì)量比為5％的NaOH溶液中浸泡，去除固化的光刻膠，得到ITO薄膜電極。

圖6是ITO薄膜電極加工的流程圖。

三、PDMS蓋片與ITO基底的鍵合

首先，將PDMS蓋片設(shè)置在ITO基底上，并將其放置在等離子機(jī)的腔室內(nèi)，按照等離子機(jī)的使用步驟進(jìn)行等離子化處理，使PDMS蓋片與ITO基底密封設(shè)置，構(gòu)成微混合芯片。

其次，取出微混合芯片，并在顯微鏡下，校準(zhǔn)混合流道與薄膜電極的相對(duì)位置。

最后，完成校準(zhǔn)后，用力按壓幾分鐘，接著放置于烘烤箱中，在80℃的條件下，加熱30分鐘，得到微混合芯片。

圖7是PDMS蓋片與ITO基底的鍵合圖。

本實(shí)施例所述的一種基于固定電勢的感應(yīng)電荷電滲的微混合芯片的應(yīng)用按照以下步驟進(jìn)行：

一、顆粒的準(zhǔn)備：

(1)、緩沖液的配制：向去離子水中加入氯化鉀和氨水，配置出PH值為9.2、電導(dǎo)率為1mS/m緩沖液。

(2)、將緩沖液與熒光素粉混合，得到濃度為1.32×10^-5mol/L的熒光素溶液。

(3)、首先，將無水乙醇與吐溫溶液以9:1的體積比進(jìn)行混合，得到A溶液(其主要作用是減少粒子在流道或者ITO基底表面粘結(jié))。其次，將A溶液與緩沖液以1:99的體積比進(jìn)行混合，得到B溶液。最后，將A溶液與熒光素溶液以1:99的體積比進(jìn)行混合，得到C溶液。

二、實(shí)驗(yàn)操作：

(1)、打開與顯微鏡相連接的計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)放大器、示波器、CCD以及熒光燈開關(guān)，觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，然后打開Q-Capture Pro圖像采集軟件，實(shí)時(shí)觀察顯微鏡載物臺(tái)。

(2)、首先，將等離子處理后的微混合芯片放置在顯微鏡的載物臺(tái)上，調(diào)整芯片的位置與物鏡的焦距。其次，經(jīng)流出通孔向微混合芯片內(nèi)部注入少量的B溶液，通過顯微鏡觀察，確保微混合芯片內(nèi)部的流道完全濕潤。再次，將兩個(gè)25微升的微量進(jìn)樣器固定在注射泵上，并分別吸入一定量的B溶液和C溶液。最后，通過金屬連接器，使兩個(gè)注射泵輸出端口分別設(shè)置在第一流入通孔和第二流入通孔中。

(3)、首先，將第一激發(fā)電極、第二激發(fā)電極、第三激發(fā)電極、第四激發(fā)電極、第一懸浮電極和第二懸浮電極均與信號(hào)放大器相連。其次，將信號(hào)放大器與信號(hào)發(fā)生器相連。最后，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器輸出電壓信號(hào)的幅值、相位和頻率，以及注射泵的流量控制參數(shù)。

輸出電壓信號(hào)的幅值、相位和頻率的最優(yōu)值通過Comsol仿真優(yōu)化得到。

(4)、啟動(dòng)注射泵，使B溶液和C溶液以給定的流速分別流入第一流道和第二流道，當(dāng)混合流道內(nèi)的流體流速穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器。

(5)、通過顯微鏡觀察混合流道，并再次調(diào)整微混合芯片的位置和物鏡的焦距，直至觀察到的熒光素粒子清晰，穩(wěn)定度高時(shí)，進(jìn)行視頻的檢測和錄制。

(6)、重復(fù)實(shí)施(3)至(5)，不斷調(diào)整電壓、頻率和流速，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄。

(7)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖4是第一激發(fā)電極和第二激發(fā)電極上施加10Vpp電壓，第三激發(fā)電極和第四激發(fā)電極接地，第一懸浮電極施加8Vpp電壓，第二懸浮電極施加2Vpp電壓，電壓頻率均為500Hz時(shí)，混合流道中，B溶液與C溶液的混合流場圖。從圖4中可以觀察到，在混合流道的流出端，B溶液與C溶液實(shí)現(xiàn)了很好的混合。

雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。