CN110882729A - 基于聚合物复合膜快速制备单层dmf芯片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片及制备方法。芯片包括下上层叠的电极阵列层、介电层和疏水层，介电层包括上下层叠的聚合物复合膜基材层和聚合物复合膜粘着剂层；电极阵列层包括印刷电路板基板和电极阵列，电极阵列是由多个驱动电极单元阵列布置构成，驱动电极单元中间设电路板过孔，电路板过孔贯穿于印刷电路板基板周围布置焊盘；介电疏水复合层贴附于电极阵列上面；介电疏水复合层上设有试剂液滴，向各个驱动电极单元施加不同/相同的电压带动试剂液滴在介电疏水复合层上快速运动。本发明提出的工艺可以大大降低数字微流芯片制备成本，避免材料表面吸附生物试剂带来交叉感染的可能，提高微流控的灵活性和稳定性。

Description

基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及微流控领域的一种数字微流控芯片及制备方法，尤其涉及一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF(数字微流控)芯片及制备方法。
背景技术
当前在药物研发、疾病检测、基因检测等领域涉及到相关生物化学实验时，需要实验人员使用移液枪、试剂盒、试管等工具进行实验。大量重复步骤和实验试剂的使用造成实验资源的极大浪费。微流控技术在芯片上设计不同的通道实现液体的混合反应功能，结合一定的检测手段可以将反应和检测步骤集中在一个芯片上，反应液滴体积降低到纳升甚至皮升级别，通过控制芯片电场变化操纵反应液滴自主完成实验，大大减少了实验步骤、试剂消耗和人力投入，是一种降低实验成本的有效手段。
区别于利用微阀微泵控制液体或空气压力实现反应液输送的传统连续微流控技术，数字微流控技术可利用电场独立控制液滴。数字微流控芯片可以实现液滴的输送、融合、***和分配，通过对电极阵列电场的控制并结合适当的检测手段可以实现复杂的生化试验自动化。
传统的数字微流控芯片制备方法采用MEMS制造工艺(MicrofabricationProcess)，该工艺对制备环境要求严格，所需设备价格昂贵，且制作过程复杂，不适合大批量的生产和应用。此外，采用传统MEMS工艺制备获得的数字微流控芯片在芯片重复利用上也存在一些问题。在实验过程中容易击穿介电层或者发生生物污染导致芯片无法继续使用，实验成本进一步提高，不利于后续投入实际应用。
现有的数字微流控芯片其制备工艺需要通过光刻技术实现电极的制备，需要配套的仪器以及超净室，这提高了芯片的制备的条件。传统芯片两种不同的物质分别组成介电层和疏水层，每一层制备工艺通常采用旋涂工艺，步骤复杂，并且如果电极厚度太大，会造成介电层和疏水层表现出现“沟壑”这影响到了液滴运动的稳定性。
发明内容
本发明的目的，在于针对目前传统的数字微流控制作工艺制作成本高、加工步骤复杂等缺点，提供一种基于聚合物复合膜快速制备单层数字微流控芯片及制备方法。该芯片采用聚合物复合膜作为介电层，具有制备快速、成本低廉的特点。
本发明的技术方案如下：
一、一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片：
芯片包括从下到上依次层叠布置的电极阵列层、介电层和疏水层，疏水层布置于介电层之上，介电层布置于电极阵列层之上，介电层包括从上到下层叠布置的聚合物复合膜基材层和聚合物复合膜粘着剂层；电极阵列层包括印刷电路板基板和在印刷电路板基板上表面布置的电极阵列，电极阵列是由多个驱动电极单元阵列布置构成，相邻驱动电极单元之间具有电极间隙，每个驱动电极单元中间设置电路板过孔，电路板过孔贯穿于印刷电路板基板后，在电路板过孔周围的印刷电路板基板下表面布置焊盘；介电层整个完整地贴附于电极阵列上面，疏水层再整个完整地贴附于介电层上面；疏水层上表面有试剂液滴，电极阵列的每个驱动电极单元经电路板过孔引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元施加不同/相同的电压，带动试剂液滴在疏水层上快速运动，实现微流控芯片的工作。
所述的驱动电极单元为方形电极片，电极阵列是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的方形电极片，电极阵列是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的三角形电极片，电极阵列是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
所述的驱动电极单元是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的六边形电极片，电极阵列是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
所述的疏水层采用具有疏水特性的涂料，如特氟龙，Cytop等。
所述的疏水层之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
所述的介电层中，聚合物复合膜基材层采用BOPP(聚丙烯)、PET(聚酯)、PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)等聚合材料，聚合物复合膜粘着剂层采用离型纸、离型膜等材料。
所述粘着剂层与基材层贴合为一层，具有一定的黏性。
二、一种单层数字微流控芯片的制备方法：由电极阵列层采用工业印刷电路板制备方法，通过贴附方法先将聚合物复合膜粘着剂层和聚合物复合膜基材层依次附着到电极阵列层的上表面，然后将预先制备好的单层疏水材料平整附着在聚合物复合膜基材层的上表面形成疏水层。
在疏水层上表面进一步涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
本发明提出的数字微流控芯片总体结构为单层结构，即试剂液滴仅在一块芯片上运动。
本发明的有益效果是：
与传统的MEMS加工工艺相比，本发明提供的数字微流控芯片制备方法无需在超净室中完成，且不需溅射镀膜等设备。数字微流控芯片介电层采用聚合物复合膜贴附形成，不需要旋涂、气相沉积等复杂操作。芯片制作步骤得到大大简化，芯片的材料容易获取，制作成本降低。经过该工艺制备数字微流控芯片可以重复使用，能够进一步降低实验成本。
同时，本发明可以让电压击穿膜时更换单元的成本更低更简单，实现很低成本的复用。
附图说明
图1为本发明的单层数字微流控芯片截面图；
图2为本发明的单层数字微流控芯片俯视图；
图3为折线形边缘构成的驱动电极单元结构图；图3中，从(a)到(c)分别是锯齿线组成的正三角形、正方形和正六边形；
图4为波浪形边缘构成的驱动电极单元结构图；图4中，从(a)到(c)分别是波浪线组成的正三角形、正方形和正六边形；
图5为折线形边缘驱动电极单元正三角形、正方形和正六边形构成的电极阵列；
图6为波浪形边缘驱动电极单元正三角形、正方形和正六边形构成的电极阵列。
图中：1为电路板过孔，2为焊盘，3为印刷电路板基板，4为驱动电极单元，5为电极阵列层，6为疏水层，7为聚合物复合膜基材层，8为聚合物复合膜粘着剂层，9为介电层，10为电极阵列，11为试剂液滴。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实例。
如图1所示，具体实施包括从下到上依次层叠布置的电极阵列层5、介电层9和疏水层6，疏水层6布置于介电层9之上，介电层9布置于电极阵列层5之上，介电层9包括从上到下层叠布置的聚合物复合膜基材层7和聚合物复合膜粘着剂层8；电极阵列层5包括印刷电路板基板3和在印刷电路板基板3上表面布置的电极阵列10，电极阵列10是由多个驱动电极单元4阵列布置构成，相邻驱动电极单元4之间具有电极间隙，每个驱动电极单元4中间设置电路板过孔1，电路板过孔1贯穿于印刷电路板基板3后，在电路板过孔1周围的印刷电路板基板3下表面布置焊盘2，通过电路板过孔1将驱动电极单元4连接到印刷电路板基板3下的过孔焊盘2；介电层9整个完整地贴附于电极阵列10上面，疏水层6再整个完整地贴附于介电层9上面；疏水层6上表面有试剂液滴11，电极阵列10的每个驱动电极单元4经电路板过孔1引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元4施加不同/相同的电压，带动试剂液滴11在疏水层6上快速运动，实现微流控芯片的工作。
试剂液滴11采用浓度为0.2mol/L KCl溶液，单个液滴的体积为5μL。
疏水层6上可设有多个试剂液滴11。试剂液滴11可以是多种组分构成的多个液滴情况下可以根据实验的需求选择多种试剂分别作为不同的液滴参与实验。多个试剂液滴11可以通过在液滴附近的电极上施加电场来分别控制液滴的运动。在液滴11附近的电极单元14上施加电场后，液滴会在电场的作用下向电极单元14运动，即液滴操作步骤中的输送步骤。通过这种方式也可以控制两个液滴运动到同一个电极上完成融合步骤。在液滴11附近的电极驱动单元14、15、16同时加入电场后，关闭驱动单元15的电场可以实现液滴的***步骤，即一个液滴***为两个液滴。通过以上液滴输送、融合以及***步骤的互相配合可以实现复杂的实验方案的设计。
电极阵列层5采用工业印刷电路板工艺；介电层9和疏水层6采用贴附方法依次贴附在电极阵列层5上。
具体实施中，电极阵列层中的驱动电极单元4可以是不同形状和形态，并且以不同阵列方式排布：
如图2所示，驱动电极单元4为方形电极片，电极阵列10是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
如图3(b)、图4(b)、图5(b)和图6(b)所示，驱动电极单元4是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的方形电极片，电极阵列10是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
如图3(a)、图4(a)、图5(a)和图6(a)所示，驱动电极单元4是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的三角形电极片，电极阵列10是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
如图3(c)、图4(c)、图5(c)和图6(c)所示，驱动电极单元4是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的六边形电极片，电极阵列10是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
电极阵列形状根据需要设计不同排列规则。如附图1和附图2中电极阵列5由3×3正方形电极阵列组成。电极的排列方式不局限于3×3结构。
当控制液滴在三角形电极片作为驱动电极单元时，液滴运动的方向在平面上有三个方向；当控制液滴在六边形电极片作为驱动电极单元时，液滴运动的方向在平面上有六个方向。实验中发现，液滴运动时的自由度与组成的电极阵列形状有关，构成电极形状的多边形边数越多，液滴运动选择的方向也就越多，由此可实现控制液滴完成更加复杂的运动路径。
分别如图3和图4所示，折线形边缘由连续折线构成。波浪形边缘由连续波浪线构成。
相邻的驱动电极单元7之间的间距范围为50μm及以上，具体可以为50μm-150μm。驱动电极单元7边长范围为0.5mm-10mm。
疏水层6采用具有疏水特性的涂料如特氟龙、Cytop等，通过旋涂方式在表面形成一种厚度均匀的涂层。疏水层6的厚度范围为0.5μm-100μm。
疏水层6之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。油膜用于减小液滴运动中受到的阻力，提高液滴运动的稳定性。
介电层9中，聚合物复合膜基材层7采用BOPP聚丙烯、PET聚酯、PVC聚氯乙烯、PE聚乙烯等聚合材料，聚合物复合膜粘着剂层8采用离型纸、离型膜等材料。基材层材料不限于以上材料，能够与粘着剂层形成复合膜的材料都可以用作基材层材料。
具体实施，介电层9为一层介电薄膜，疏水层6为一层油膜。将粘着剂层与基材层贴合为一层，具有一定的黏性。例如可以采用胶带作为介电层9。
聚合物复合薄膜预先加工为设计形状和尺寸。使用前，聚合物复合薄膜与支持体贴合。聚合物薄膜使用时直接取下贴附在数字微流控芯片电极阵列表电极层表面即可。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
首先，采用工业印刷电路板制备方法制备获得电极阵列层5。电极阵列层中是由形状、大小一致的方形电极片的驱动电极单元4以方形阵列布置构成，按照对应边平行，边与边之间间距相等的原则均匀排布。
然后，聚合物复合膜基材层7材料采用PET，聚合物复合膜粘着剂层8材料采用聚丙烯酸乳液，疏水层6材料采用特氟龙、Cytop等疏水材料或者直接硅油、石蜡油等粘度较小的油。将聚合物复合膜基材层7、聚合物复合膜粘着剂层8预先制备为一体，将聚合物复合膜基材层7和聚合物复合膜粘着剂层8构成的整体贴附在驱动电极单元构成的电极阵列层5的表面，将预先制备好的疏水层6载贴附在聚合物复合膜基材层7的表面，同时保证薄膜/疏水层6能够稳定地贴附在对应的表面。
在疏水层6贴附完毕后，在疏水层6表面加入一层硅油的油膜，能够降低实验施加的电压。表面油膜也可以充当疏水层，可以降低实验成本，简化芯片制备步骤。
最后，在介电层9当发生电击穿现象或者进行其他实验时，可以将表面的疏水层6和介电层9取下，重新贴附一层介电层9、再旋涂上疏水层6即可，这样可以实现数字微流控芯片复用，通过这种方法可以避免材料表面吸附生物试剂带来交叉感染的可能，并且还能大大降低数字微流控芯片的实验成本。
本发明提出数字微流芯片及其制备方法在制备成本和实验成本上都具有很大的优势，为数字微流控芯片投入实际应用提供了一种新思路。

Claims (10)

1.一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：包括从下到上依次层叠布置的电极阵列层(5)、介电层(9)和疏水层(6)，疏水层(6)布置于介电层(9)之上，介电层(9)布置于电极阵列层(5)之上，介电层(9)包括从上到下层叠布置的聚合物复合膜基材层(7)和聚合物复合膜粘着剂层(8)；电极阵列层(5)包括印刷电路板基板(3)和在印刷电路板基板(3)上表面布置的电极阵列(10)，电极阵列(10)是由多个驱动电极单元(4)阵列布置构成，相邻驱动电极单元(4)之间具有电极间隙，每个驱动电极单元(4)中间设置电路板过孔(1)，电路板过孔(1)贯穿于印刷电路板基板(3)后，在电路板过孔(1)周围的印刷电路板基板(3)下表面布置焊盘(2)；介电层(9)整个完整地贴附于电极阵列(10)上面，疏水层(6)再整个完整地贴附于介电层(9)上面；疏水层(6)上表面有试剂液滴(11)，电极阵列(10)的每个驱动电极单元(4)经电路板过孔(1)引出连接到外部的电压控制端，电压控制端实时不同时刻向各个驱动电极单元(4)施加不同/相同的电压，带动试剂液滴(11)在疏水层(6)上快速运动，实现微流控芯片的工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(4)为方形电极片，电极阵列(10)是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(4)是四条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的方形电极片，电极阵列(10)是由多个方形电极片以方形阵列布置构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(4)是三条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的三角形电极片，电极阵列(10)是由多个三角形电极片以三角阵列布置构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的驱动电极单元(4)是六条边的直线边缘均代替为折线形边缘或者波浪形边缘的六边形电极片，电极阵列(10)是由多个六边形电极片以蜂窝状阵列布置构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的疏水层(6)采用具有疏水特性的涂料。
7.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的疏水层(6)之上还涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
8.根据权利要求1所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片，其特征在于：所述的介电层(9)中，聚合物复合膜基材层(7)采用BOPP(聚丙烯)、PET(聚酯)、PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)等聚合材料，聚合物复合膜粘着剂层(8)采用离型纸、离型膜等材料。
9.应用于权利要求1-8任一所述单层数字微流控芯片的一种制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：由电极阵列层(5)采用工业印刷电路板制备方法，通过贴附方法先将聚合物复合膜粘着剂层(8)和聚合物复合膜基材层(7)依次附着到电极阵列层(5)的上表面，然后将预先制备好的单层疏水材料平整附着在聚合物复合膜基材层(7)的上表面形成疏水层(6)。
10.根据权利要求9所述的一种基于聚合物复合膜快速制备单层DMF芯片的制备方法，其特征在于：在疏水层(6)上表面进一步涂覆一层油膜，油膜材料选用硅油、石蜡油或者食用油等。
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