具有高頻振動處理的微流器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流領(lǐng)域，特別是涉及一種具有高頻振動處理的微流器件。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來,基于電潤濕的數(shù)字化微流技術(shù)(Digital Microfluidics,或DMF)由于其不僅能夠操控單個液滴，并且器件有著小型化，集成化和自動化等優(yōu)勢，已經(jīng)得到了各個領(lǐng)域的關(guān)注。通過在器件上進行電潤濕/電泳/介電泳操作，數(shù)字化微流器件減少了樣品/試劑的用量，縮短了檢測時間，并使得樣品處理更加方便。然而，當使用數(shù)字化微流器件的時候，常常會碰到粒子粘附到器件表面造成表面污染，并且粒子易于聚集成團而不能在溶液中均勻分散等問題，另外，完整細胞(或芽孢或組織)的裂解以及DNA (或核染色質(zhì))片段的提取具有巨大的使用需求。以上這些因素都是本發(fā)明的動力。下面是粒子粘附的兩個實例:
[0003]例一:當在DMF器件上利用磁顆粒進行免疫檢測時，一個外部的磁鐵常被用來將磁珠固定在器件的內(nèi)表面，從而可以沖洗掉未結(jié)合的蛋白質(zhì)。當清洗步驟完成后，再將一個新的液滴移到磁珠的位置。當撤去外部磁鐵時，磁珠便會重新分散在液滴里。在理想狀態(tài)下，這些磁珠應該在液滴里獨立存在，就是說不應該有多個磁珠聚集的現(xiàn)象。然而在實際操作中，常常會有一些磁珠粘附在器件內(nèi)表面，并且液滴里也會存在磁珠團聚體。
[0004]例二:如本發(fā)明在申請?zhí)枮镻CT/CN2013/082776的發(fā)明專利中所描述，利用介電泳在DMF器件上可以實現(xiàn)不同粒子的分離。在常規(guī)的實驗室使用中，器件是在儀器中水平放置或直接水平放置，由于重力作用，導致粒子會向器件底部表面移動，并有可能粘附在底部，從而，也可能發(fā)生粒子團聚現(xiàn)象。
[0005]粒子粘附及聚集問題都會對檢測結(jié)果帶來各種不利影響，例如檢測結(jié)果的準確性，甚至可能會導致檢驗結(jié)果的假陽性或者假陰性，因此，需要有方法來解決這些問題。
[0006]超聲波(或超聲)通常是指人耳聽不見、頻率高于20kHz的電磁波，一般分為兩類，頻率在5 -1OMHz范圍內(nèi)的超聲波為高頻率低能量超聲波，常用于診斷；頻率在20kHz至10kHz之間的超聲波為低頻率高能量的超聲波；不過，在一些特殊應用中也可以采用更高頻率的超聲波。
[0007]利用超聲進行乳化和表面清洗的處理過程可以追溯到1927年，當時Richards和 Loomis (J.Am.Chem.Soc.49，12，3086-3100)發(fā)表的一篇名為 “The chemical effectsof high frequency sound waves 1.A preliminary survey，，的文章。事實上，超聲波清洗就是將粘附到表面的粒子驅(qū)除的過程，就是利用超聲波降解的機理，利用超聲來打破分子間的作用從而加速溶液中物質(zhì)的溶解。此外，在生物體里，如果宿主生物被感染，需要從細胞里提取DNA，RNA或者蛋白質(zhì)等待測物質(zhì)來加以分析。為此，在專利號分別為PCT/CN2013/082776和PCT/CN2013/082765的發(fā)明專利所公開的各微流系統(tǒng)中，提及可以利用機械裂解、熱裂解、化學裂解和電裂解等不同方法來裂解細胞，從而提取其中如DNA、RNA或者蛋白質(zhì)等待測粒子。
[0008]然而，有些細胞在用化學裂解或者酶解的方法對其細胞膜進行破解時，很難確保待測蛋白結(jié)構(gòu)的完整性。機械裂解細胞技術(shù)是利用巨大強度的能量或者壓力去破壞細胞膜，這也可能會破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而且，在數(shù)字化微流器件上很難用均質(zhì)器來使細胞破碎，因為細胞裂解爆炸法(cell bomb method)要求高壓(?25000psi)，因此不適用于數(shù)字化微流器件。
[0009]再有，DNA片段化是指將DNA分子裂解成較小片段的過程。DNA片段化是新一代測序工作流程中的前期步驟，也是DNA插入片段構(gòu)建基因組文庫的步驟之一。DNA片段化的方法很多，作為非窮舉的例子有，DNA限制性內(nèi)切酶消化(在生物技術(shù)中用酶消化處理DNA將其切成小片段)、噴霧法(將DNA通過霧化器單元中的小孔，使其斷成小片段)、弗式細胞壓碎器(在高壓下使DNA通過一個窄閥，從而產(chǎn)生高剪切力來裂解DNA)、聲波力(高頻聲波能量傳播到樣品)，針剪切(將DNA通過小的計量針從而產(chǎn)生剪切力)以及超聲等。
[0010]而且，利用超聲技術(shù)將納米粒子均勻分散在液體中的方法已被廣泛用于納米技術(shù)領(lǐng)域。
[0011]研究表明聲場和材料在分子尺度上沒有直接耦合。聲場和液體的這種作用其實是源自于聲波空化現(xiàn)象一溶液中產(chǎn)生的許多微小的“空穴”或“部分真空氣泡”有形成、增長、隨后迅速閉合破滅的過程。當作用于液體時，由于機械振動，超聲波由一系列周期重復的膨脹(變稀薄)和壓縮的位相組成。在壓縮周期，液體分子被擠在一起，而膨脹周期液體分子被拉開。這里不受任何理論束縛，當壓力超出稀疏區(qū)域液體的抗拉強度時，液體中會產(chǎn)生微小的、充滿蒸汽且被稱之為空化氣泡的空穴。液體中的雜質(zhì)是強度較弱的地方，也是空化氣泡核更容易形成的地方。當引入高強度的聲場時，瞬態(tài)空化效應常常發(fā)生，這使得空化氣泡在膨脹了一些周期后最終變得不穩(wěn)定，并且在超聲波的壓縮周期崩潰。當空化氣泡內(nèi)爆時，會在其崩潰的位置產(chǎn)生強烈的沖擊波。這些沖擊波會有足夠的能量去進行以下操作:1)克服粒子對基底的粘附力從而使粒子脫離，2)裂解附近的細胞(孢子或組織)，3)加快不同粒子的混合，4)加速酶反應等等。將長鏈DNA片段打斷成短鏈DNA也被認為是超聲輻射，但一些人認為這是由于空化的副產(chǎn)物一殘留的雙氧水的作用。需要再一次說明的是，我們關(guān)心的是其最后的效果。
[0012]不受任何理論束縛，高頻超聲波會比低頻超聲波產(chǎn)生更小的空蝕氣泡。這是由于低頻的超聲波的波長更長，低頻超聲波的空化氣泡具有更長的膨脹時間，因而在氣泡破碎之前會變得更大?？瘴g氣泡的形成需要能量，以及內(nèi)爆時釋放的能量，都與氣泡的尺寸大小直接相關(guān)。大的空蝕氣泡的形成需要更多的能量，反過來當它們破碎時也釋放出更多的能量。增加超聲頻率，同時保持相同的超聲功率將產(chǎn)生更多、更小的空化氣泡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高頻振動處理的微流器件，以便基于高頻振動信號來實現(xiàn)降低粒子的表面粘附、均勻分散聚集成團的粒子，加速樣品混合、將DNA斷成較小的片段、實現(xiàn)細胞的裂解等處理。
[0014]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種具有高頻振動處理的微流器件，其至少包括:
[0015]包含至少3層電極層的微流器件本體，其中，多層電極層處于第一基底，剩余I層電極層處于與所述第一基底相對設置的第二基底，且各電極層基于介電層來隔離；以及
[0016]設置在所述微流器件本體相應位置的高頻振動單元，其中，所述高頻振動單元包括用于產(chǎn)生高頻振動信號的信號發(fā)生器及將所述信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻振動信號轉(zhuǎn)換為機械能的換能器。
[0017]優(yōu)選地，所述具有高頻振動處理的微流器件還包括:連接所述高頻振動單元的控制器。
[0018]優(yōu)選地，所述高頻振動單元相對于所述微流器件中能對液滴進行操作的位置設置，其中，能對液滴進行的操作包括:取樣、攪拌、混合、電潤濕、電泳、介電泳中的一種或多種。
[0019]優(yōu)選地，所述高頻振動單元直接固定在所述微流器件本體的相應位置或通過耦合單元設置于所述微流器件本體的相應位置；更為優(yōu)選地，所述耦合單元包括非固態(tài)耦合材料。
[0020]優(yōu)選地，所述高頻振動單元與待測樣品接觸處的材料為非傳感性材料，例如，金屬、玻璃或陶瓷等。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述換能器包括傳感器，例如，壓電傳感器或磁致伸縮傳感器等。
[0022]優(yōu)選地，在所述第一基底的至少兩相鄰電極層中，一層中包含的至少部分電極與相鄰層包含的至少部分電極在空間上的交疊區(qū)域與非交疊區(qū)域相間；更為優(yōu)選地，在所述至少兩相鄰電極層中的每一層中，至少部分電極是延長電極，且延長電極的寬度及各自與各自相鄰的電極間距在0.1微米至20毫米之間；更為優(yōu)選地，至少有一組延長電極的寬度及各自和各自相鄰電極間距在0.1微米至100微米之間，且在包含延長電極的相鄰電極層中，一層包含的其它電極寬度在100微米至20毫米之間，相鄰電極間距在I微米至2毫米之間，相鄰電極層包含的其它電極的寬度和相鄰電極間距在100微米至20毫米之間。
[0023]優(yōu)選地，在相鄰電極層中，一層包含的各電極與相鄰層包含的各電極相互垂直。
[0024]優(yōu)選地，所述微流器件本體還包括:分別與處于所述第一基底及第二基底的各電極層中的可選址電極相連接，用于對所選電極施加電壓的電極選擇單元、與容置液體的空間連通的液體入口、液體出口、用來控制微流器件本體至少部分區(qū)域溫度的至少一個溫度控制元件等。
[0025]優(yōu)選地，所述第一基底上的介電層的至少部分區(qū)域具有疏水性、所述第二基底上的介電層至少部分區(qū)域具有疏水性。
[0026]如上所述，本發(fā)明的具有高頻振動處理的微流器件，具有以下有益效果:能實現(xiàn)降低粒子的表面粘附、均勻分散聚集成團的粒子，加速樣品混合、將DNA斷成較小的片段、實現(xiàn)細胞的裂解等。
【附圖說明】
[0027]圖1顯示為本發(fā)明的具有高頻振動處理的微流器件示意圖。
[0028]圖2A是顯示為本發(fā)明的具有高頻振動處理的微流器件發(fā)明的一種優(yōu)選微流器件本體部分截面示意圖。
[0029]圖2B顯示為圖2A的控制電極的俯視平面圖。
[0030]圖2C顯示為圖2A的帶有液滴和液槽的控制電極的俯視平面圖。
[0031]圖3A和3B顯示為本發(fā)明的具有高頻振動處理的微流器件發(fā)明的另一種優(yōu)選微流器件本體相互呈90°的兩個截面示意圖。
[0032]圖3C顯示為圖3A中沉積在第一基底表面兩個電極層中控制電極的俯視平面示意圖。
[0033]圖3D顯示為圖3A中沉積在第二基底表面的電極俯視平面圖。
[0034]圖4A到4D顯示為本發(fā)明的具有高頻振動處理的微流器件的高頻振動單元設置于微流器件本體的示意圖。
[0035]圖5顯示為發(fā)明利用磁珠在本發(fā)明的微流器件上進行非均相免疫檢測和分離的流程圖。
[0036]圖6顯示為發(fā)明在本發(fā)明的微流器件上從原血樣中提取DNA、并進行實時PCR的流程圖。
【具體實施方式】
[0037]以下由特定的具體實施例子來說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0038]請參閱圖1至圖6。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“