一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控。本发明专利技术直接利用驱动电极设计和信号控制达到介质液滴驱动效果，无需额外增加部件，实现方法简单，可配置于传统数字微流控芯片，适用范围广。大大降低了介质液滴驱动电压，驱动电压可低至几十伏，达到与水滴的驱动电压同等水平，解决了介质液滴驱动的瓶颈问题。

【技术实现步骤摘要】
一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法
本专利技术属于数字微流控
，具体涉及一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法。
技术介绍
数字微流控是一种以独立液滴为操控单元的流体控制技术。近年来，基于数字微流控的生化检测芯片得到了广泛的研究。在片上实验室（Lab-on-a-Chip）的应用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并实现多种流体操控，包括样本运输、分离、浓缩和片上检测等。另一方面，依据液滴本身的物理特性，数字液滴也被用于电学、光学和热学的应用中。在片上液滴的驱动方法中，利用电场驱动因其操控的灵活性而受到了广泛关注。电场驱动数字微流控芯片的基本结构是平行双基板结构的芯片，液滴置于上下两基板之间形成“三明治”结构。从应用的角度来看，对于绝缘的介质液滴（如各种油滴）的驱动同水基的液滴驱动具有同样的重要性。但利用电场对片上介质液滴的驱动往往需要很高的电压，一般高于200ACV或者260DCV。与之相比，电场对水滴的驱动电压一般在11-100V的范围。为了有效降低介质液滴驱动电压，有的文章报道在双基板芯片中利用永电体作为虚拟的电压源，实现了以低电压对油滴的操控。但这种方法的问题是永电体中的电荷随着时间而衰减，大大限制了这一方案的实用性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。上述具体实现方法为：将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动。对水基环境中的介质液滴实现低压驱动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控：其中所述辅助电极环绕驱动电极设置。第一，介质液滴运输驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极在液滴运动方向上的相邻驱动电极即接收电极，去电，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极运动到接收电极；通过控制电极的加压时序，连续改变液滴运动方向上的电极通断电状态，实现介质液滴的连续运输。第二，介质液滴的分裂驱动中，将液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极两侧的相邻驱动电极均去电，同时保持所述三个电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极分别向两侧的去电电极运动，最终分裂为两个液滴。第三，介质液滴的合并驱动视为分裂驱动的反向操作，初始时两个液滴分别处于某一驱动电极两侧的两个相邻驱动电极上，将液滴所处两个驱动电极均通电，位于两者中间驱动电极去电，同时保持所述三个驱动电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得两个介质液滴将分别向中间的去电电极运动，最终合并为一个液滴。第四，介质液滴的配发驱动中，存储电极与一列方形驱动电极相邻，存储电极面积大于任意一个驱动电极的面积，初始时液滴处于存储电极上，此列方形驱动电极中与存储电极相邻的为中间电极，与中间电极相邻的为配发电极；辅助电极环绕存储电极与该列方形电极设置，辅助电极在配发过程中始终保持通电状态；配发驱动过程中，首先对存储电极通电，使液体运动到中间电极和配发电极上形成液柱，之后将中间电极通电，同时保持存储电极和配发电极去电，这样液柱被切断使部分液体流回存储电极，部分液体在配发电极上形成单独的液滴。所述驱动电压低于100V。所述的液滴为单组分或多成分的绝缘性介质液滴。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）直接利用驱动电极设计和信号控制达到介质液滴驱动效果，无需额外增加部件，实现方法简单，可配置于传统数字微流控芯片，适用范围广。（2）大大降低了介质液滴驱动电压，驱动电压可低至几十伏，达到与水滴的驱动电压同等水平，解决了介质液滴驱动的瓶颈问题。（3）可适用于单组分或多组分的多种绝缘性介质液滴，并且有利于发展水油液滴同片低压驱动的新型芯片。附图说明图1为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法的芯片结构示意图，其中（a）为侧视图，（b）为俯视图。图2为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴运输操作的示意图，其中（a）为介质液滴运输操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴运输操作的第二步状态示意图，（c）为介质液滴运输操作的第三步示意图。图3为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴分裂操作的示意图，其中（a）为介质液滴分裂操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴分裂操作的中间状态示意图，（c）为介质液滴分裂操作的结束状态示意图。图4为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴合并操作的示意图，其中（a）为介质液滴合并操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴合并操作的中间状态示意图，（c）为介质液滴分裂操作的合并状态示意图。图5为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法中介质液滴配发操作的示意图，其中（a）为介质液滴配发操作的初始状态示意图，（b）为介质液滴配发操作的第二步状态示意图，（c）为介质液滴配发操作的第三步状态示意图，（d）为介质液滴配发操作的结束状态示意图。图6为本专利技术的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术所述的数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，通过芯片和外加电压的控制来实现，介质液滴的驱动环境为水浴环境，水中加入表面活性剂以保持介质液滴以液滴形态稳定存在。结合图1，芯片包括平行设置的上基板S2和下基板S1，上基板S2和下基板S1间形成空腔104。所述下基板S1的表面覆盖可独立通电的电极结构，包括驱动电极（E1，E2，E3）和辅助电极（E4）；所述电极结构上涂覆介质层102，介质层102上涂覆第一疏水层103。所述芯片上基板S2的下表面覆盖一整体电极106，整体电极106上涂覆第二疏水层105。所述上下基板之间的空腔104为液滴运动的通道，空腔内充满表面活性剂溶液D2以实现负介电泳的驱动。介质液滴D1初始时置于驱动电极之上，在电压控制下可完成在驱动电极上往复运动。其中辅助电极环绕驱动电极设置。所述驱动电极和辅助电极均与驱动电路和控制器相连，可以控制各个电极所加电压时序，从而控制液滴在装置中的运动。对于液滴分裂、合并、配发等操作，可对驱动电极结构作相应的改变，芯片整体结构不变。液滴的运输、分裂、合并、配发等操作芯片，可以独立使用，也可以灵活集成使用，或作为其他微流控器件的部件。本专利技术的低电压介质液滴驱动装置一种可实施的制备工艺如下：采用玻璃等绝缘材料作为上、下基板的基底材料（107，101）。下基板的制备工艺为：1.基底上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺形成导电薄膜，可为金属层或氧化铟锡等化合物，通过光刻及其后的刻蚀等方法形成微流驱动电极。2.通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积等方法制备绝缘介质层，优选为介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如氧化铝等。3.通过旋涂方法制备表面疏水层，材料选用Teflon-AF或Cytop。上基板的制备工艺为，1.基底上采用PECVD（等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于：利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动。

【技术特征摘要】
1.一种数字微流控芯片上的低电压介质液滴驱动方法，其特征在于：利用负介电泳驱动机理进行低电压条件下的介质液滴驱动，将介质液滴置于水基的表面活性剂溶液环境中，在双基板数字微流控芯片的驱动电极外侧增加辅助电极，通过低电压驱动，使介质液滴向去电电极定向运动；对水基环境中的介质液滴实现低电压驱动，包括运输、分裂、合并、配发四种流体操控：其中所述辅助电极环绕驱动电极设置；第一，介质液滴运输驱动中，将介质液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极在介质液滴运动方向上的相邻驱动电极即接收电极，去电，同时保持初位电极和接收电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极运动到接收电极；通过控制电极的加压时序，连续改变介质液滴运动方向上的电极通断电状态，实现介质液滴的连续运输；第二，介质液滴的分裂驱动中，将介质液滴所处驱动电极即初位电极，通电，所述初位电极两侧的相邻驱动电极均去电，同时保持三个电极周围的辅助电极和驱动电极处于通电状态，使得介质液滴从初位电极分别向两侧的去电电极运动，最终分裂为两个介质液滴；第三，介质液滴的合并驱动视为分裂驱动的反向操作...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32