CN104248998A - 一种模拟、数字混合式微流控芯片及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟、数字混合式微流控芯片及其控制方法。本发明涉及的模拟、数字混合式微流控芯片包括基片、盖片、电极及其引线、涂层、微通道、进液池（或进液接口）、出液池（或出液接口）、端口，基片朝向盖片一侧及固定于其表层的电极表面、盖片朝向基片且具有均匀导电特性的表面分别贴敷若干绝缘、润滑作用的涂层，基片与盖片贴敷涂层的一面以及固定于芯片边缘的密封填充物构成密闭腔室。控制方法为：在泵阀装置控制下，液滴或液流经微通道、进液池（或进液接口）进入芯片，经出液池（或出液接口）、微通道流出芯片；在芯片内部，经端口、电极引线使若干电极分别接通电信号，实现对液滴或液流位置与运动的控制。

Description

一种模拟、数字混合式微流控芯片及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种模拟、数字混合式微流控芯片及其控制方法。

背景技术

当今国民经济中，药品研发、医学检测、食品开发、生物催化、化工实验等过程复杂而漫长，涉及的学科门类众多，而当前实际的研发、生产以及实验场合，大多仍然采用传统方法，包括使用取液器、取液枪、试剂盒等工具，多采用人工或半人工的方式进行，自动化程度不高，效率低下，并且整个过程样品、原料使用量偏高，浪费严重，使得相关的材料、人力、管理等成本居高不下。随着科技的进步以及时代的发展，很多复杂的检测、实验都可以在几平方厘米甚至更小的芯片上实现，这就是微流控技术，它被称为“改变世界”的七种技术之一。

微流控芯片是实现微流控技术的物质载体，它具备将一个生物或化学实验室浓缩为几平方厘米甚至更小的芯片上的能力，使得药品研发、医学检测、生物及化学实验的成本大幅降低，效率显著提高，并兼具便捷性。

但在当下，微流控技术以及微流控芯片在更多的领域主要处于研发试验阶段，实际用于企业研发、工业生产的并不多见，其主要原因是微流控技术在很多应用中遇到难以解决的问题，主要、典型现象如下：

微流控芯片现在主要分为两种：由微泵、微阀、微通道构成的第一代模拟式微流控芯片，以及由微控制器、电极构成的第二代数字式微流控芯片，二者各有特点：模拟式微流控芯片在液滴制备、输运速度上具备优势，但其对具体液滴的识别与操控上并不灵活；数字式微流控芯片在液滴制备、输运速度上相对逊色，但在对具体液滴的识别与操控方面是长项，二者单独使用无法发挥微流控技术的全面优势。

本发明秉承优势互补的思想，将模拟式微流控芯片与数字式微流控芯片结合，设计出一种模拟、数字混合式微流控芯片，兼具两种芯片的优点，为微流控技术在国民经济中的应用提出一种新的思路。

本发明具有非常好的应用前景与市场预期。

发明内容

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片包括模拟、数字两部分，其中模拟部分包括但不限于基片、盖片、微通道、涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口；数字部分包括但不限于基片、盖片、电极及其引线、端口、涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口。

其中基片、盖片是模拟部分与数字部分的公共部分；而涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口为模拟部分与数字部分都具有的构成部分，可以采取下述三种实施方式中的一种或多种：

1. 共用；

2. 衔接连通；

3. 互不相干。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的结构中，下列位置分别贴敷若干绝缘、润滑作用的涂层：

1. 基片朝向盖片的一侧表面；

2. 在基片朝向盖片一侧表层固定的电极表面，本发明中电极不固定在基片表层的类型芯片中，电极表面无涂层；

3. 盖片朝向基片且具有均匀导电特性的一侧表面。

基片与盖片贴敷涂层的一面以及固定于芯片边缘的密封填充物构成密闭腔室，使液体仅能通过液池、接口、微通道注入或流出芯片。

 在芯片内部，模拟部分与数字部分可以采用的的衔接方式包括但不限于：模拟部分的出液池或出液接口与数字部分的进液池或进液接口互相连通或共用同一物理接口；数字部分的出液池或出液接口与模拟部分的进液池或进液接口互相连通或共用同一物理接口。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的基片与盖片的材质包括但不限于：玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、印刷电路板、高分子聚合物，其中高分子聚合物的类型包括但不限于：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯、水凝胶、丙烯酸、橡胶、氟塑料。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的数字部分的基片内部或表层固定有若干电极；模拟部分包含有电极和无电极两种设计类型，有电极的设计类型中，电极的设计位置包括但不限于：

1. 基片内部；

2. 盖片内部；

3. 基片表面；

4. 盖片表面。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的下列位置分别贴敷若干绝缘、润滑作用的涂层：

1. 基片朝向盖片一侧的表面；

2. 在基片朝向盖片一侧表层固定的电极表面；

3. 盖片朝向基片一侧的表面，该表面具有均匀导电特性。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的微通道的形式包括但不限于：

1. 芯片外部与芯片连通的管道；

2. 芯片内部的可供液体流动的微通道；

3. 芯片数字部分的敞开式通道。

微通道内壁的局部或全部可以有若干绝缘、润滑作用的涂层，也可没有涂层。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片结构中，盖片与基片中至少有一个全部透明或局部透明，这样可以通过透明部分从外部对芯片内的液体进行观察、检测、摄像、录像、计量、反馈等操作，其中检测的手段包括但不限于：

1. 激发荧光检测；

2. 同位素鉴别；

3. 影像识别。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片，液滴在微通道内流动时，液滴彼此之间、液滴与微通道之间存在一种或一种以上与液滴不相溶的液体。具体方式包括但不限于：液滴为内部溶有某亲水性实验样品的水滴，水滴彼此之间、水滴与通道之间充满与水不相容的油类液体。

本发明的液滴或液流的分选控制***输出的电信号的参数为：电压幅值在3伏特至5千伏特之间或负5千伏特至负3伏特之间、电信号为直流或频率在50赫兹至1千兆赫兹之间。

本发明的液滴或液流的分选控制***除可根据需要输出直流电信号，也可输出非直流电信号，非直流电信号的类型包括但不限于：方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波、前述波形的变形、前述多种波形的叠加、前述多种波形的函数运算的结果。

本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的控制方法为：在芯片的模拟部分，通过泵阀装置的控制，实现液滴或液流经微通道、进液池（或进液接口）进入芯片，经出液池（或出液接口）、微通道流出芯片，可以通过本发明的模拟部分具有电极的类型芯片中的模拟部分实现液滴按其参数、特征、现象的筛选操作；在芯片内部的数字部分，经端口、电极引线使若干电极分别接通电信号，实现对芯片内的液滴（或液流）位置与运动的控制。

附图说明

图1为本发明实施例的模拟、数字混合式微流控芯片分层结构示意图。

图2为本发明实施例的模拟、数字混合式微流控芯片整体结构顶视图。

具体实施方式

以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

实施例：

本实施例如图1至图2所示。

本实施例的模拟、数字混合式微流控芯片分层结构示意图如图1所示，从盖片上按功能可划分为标号11所示的数字部分以及标号12所示的模拟部分（数字、模拟公共组成部分以文字描述为准），芯片具体细节构成包括：

1. 标号1所示的基片；

2. 标号2所示的芯片数字部分电极；

3. 标号3所示的芯片数字部分位于基片顶层电极引线；

4. 标号4所示的芯片数字部分位于基片底层电极引线；

5. 标号5所示的起绝缘作用的基片涂层；

6. 标号6所示的起润滑作用的基片涂层；

7. 标号7所示的端口；

8. 标号8所示的密闭填充物；

9. 标号9所示的起绝缘作用的盖片涂层；

10. 标号10所示的起润滑作用的盖片涂层；

11. 标号13所示的盖片；

12. 标号14所示的模拟部分电极；

13. 标号15所示的模拟部分进液池；

14. 标号16所示的模拟部分出液池同时也是数字部分进液池；

15. 标号17所示的数字部分进液池；

16. 标号18所示的数字部分出液池；

17. 标号19所示的数字部分与模拟部分公共的废液池功能的出液池。

本实施例的模拟、数字混合式微流控芯片整体结构顶视图如图2所示，右侧为芯片的数字部分；左侧为芯片的模拟部分，具体细节构成包括下列各部分：

标号2所示的数字部分电极；

标号3所示的位于数字部分中基片顶层电极引线（该引线固定于与数字部分电极相同侧的基片表面）；

标号4所示的位于数字部分中基片底层电极引线（该引线固定于与数字部分电极不同侧的基片表面）；

标号7所示的端口；

标号14所示的模拟部分电极及其引线；

标号15所示的模拟部分进液池；

标号16所示的模拟部分出液池同时也是数字部分进液池；

标号17所示的数字部分进液池；

标号18所示的数字部分出液池；

标号19所示的数字部分与模拟部分公共废液池功能的出液池。

本发明实施例中，基片、盖片是模拟部分与数字部分的公共部分；而涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口为模拟部分与数字部分都具有的构成部分，其中，模拟部分出液池同时也是数字部分进液池；数字部分与模拟部分共用同一废液池（废液池在本发明中是出液池中的一种）。

本发明实施例的结构中，基片及固定于其表层的电极表面、盖片具有均匀导电特性的表面分别贴敷绝缘、润滑作用的涂层，基片与盖片贴敷涂层的一面以及固定于芯片边缘的密封填充物构成密闭腔室，使液体仅能通过液池、接口、微通道注入或流出芯片。

本发明实施例的结构中，盖片与基片采用透明材质制作，可以通过透明部分从外部对芯片内的液体进行观察、检测、摄像、录像、计量、反馈等操作，其中检测的手段包括激发荧光检测以及影像识别。

本发明实施例中，液滴在微通道内流动时，液滴彼此之间、液滴与微通道之间存在一种与液滴不相溶的油类液体。

本发明实施例的控制方法为：在芯片的模拟部分，通过泵阀装置的控制，实现液滴或液流经微通道、进液池进入芯片，经出液池、微通道流出芯片，可以通过模拟部分的分选子部分实现液滴按若干参数、特征、现象的筛选操作；在芯片内部的数字部分，经端口、电极引线使若干电极分别接通电信号，实现对芯片内的液滴（或液流）位置与运动的控制。

本发明实施例的液滴或液流的分选控制***输出的电信号的参数为：电压幅值300V、频率10kHz赫兹，电信号的类型为方波。

本发明包含业内具有革命性特征与功能的产品，具有较高的推广价值。

Claims (10)

1.一种模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于包括模拟部分、数字部分，其中数字部分包括电极及其引线；模拟部分包括微通道。

2.根据权利要求1所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于数字部分包括端口、基片、盖片、涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口；模拟部分包括基片、盖片、涂层、进液池或进液接口、出液池或出液接口，其中出液池包含成品池、废液池等类型，进液池包含样品池类型，本发明的模拟、数字混合式微流控芯片的模拟部分可分为包含电极以及不包含电极两种应用形式。

3. 根据权利要求2所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于基片与盖片的材质包括但不限于：玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、印刷电路板、高分子聚合物，其中高分子聚合物的类型包括但不限于：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯、水凝胶、丙烯酸、橡胶、氟塑料，数字部分的基片内部或表层固定有若干电极，模拟部分包含有电极和无电极两种设计方式，有电极的设计方式中，电极设计位置包括但不限于：基片内部、盖片内部、基片表面、盖片表面。

4. 根据权利要求3所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于下列位置分别贴敷若干绝缘、润滑作用的涂层：基片朝向盖片的一侧表面、在基片朝向盖片一侧表层固定的电极表面、盖片朝向基片且具有均匀导电特性的一侧表面。

5. 根据权利要求4所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于微通道的形式包括但不限于芯片外部与芯片连通的管道、芯片内部的可供液体流动的通道、电极驱动的敞开式通道，微通道内壁的局部或全部可有若干起绝缘、润滑作用的涂层，也可没有涂层。

6. 根据权利要求5所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于盖片与基片中至少有一个全部或局部是透明的，可以从外部对芯片内的液体进行观察、检测、摄像、录像、计量、反馈等操作，其中检测的手段包括但不限于：激发荧光检测、同位素鉴别、影像识别。

7. 根据权利要求1至权利要求6所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于液滴在通道内流动时，液滴彼此之间、液滴与通道之间存在一种或一种以上与液滴不相溶的液体，

具体方式包括但不限于：液滴为内部溶有某亲水性实验样品的水滴，水滴彼此之间、水滴与通道之间充满与水不相容的油类液体。

8. 根据权利要求1至权利要求6所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于控制方法为：在泵阀装置控制下，液滴或液流经微通道、进液池（或进液接口）进入芯片，经出液池（或出液接口）、微通道流出芯片；在芯片内部，经端口、电极引线使若干电极分别接通电信号，实现在芯片的数字部分对液滴或液流的位置、运动进行控制，还可以通过本发明的模拟部分具有电极的类型芯片中的模拟部分实现液滴的筛选。

9. 根据权利要求1至权利要求6所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于电极上外接电信号的参数为：电压值在3V至5kV之间或-5kV至-3V之间、电压为直流或频率在50Hz至1GHz之间，电信号的类型包括但不限于：直流、方波、三角波、正弦波、锯齿波、积分波、微分波、阶梯波、前述波形的变形、前述多种波形的叠加、前述多种波形的函数运算的结果。

10. 根据权利要求1至权利要求6所述的模拟、数字混合式微流控芯片，其特征在于基片与盖片贴敷涂层的一面以及固定于芯片边缘的密封填充物构成密闭腔室，使液体仅能通过液池、接口、微通道注入或流出芯片，模拟部分与数字部分可以采用的衔接方式包括但不限于：模拟部分的出液池（或出液接口）与数字部分的进液池（或进液接口）互相连通或共用同一物理接口；数字部分的出液池（或出液接口）与模拟部分的进液池（或进液接口）互相连通或共用同一物理接口，本发明中的出液池包括成品池、废液池的类型。