一种集成流道数字微流控芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种集成流道数字微流控芯片及其制备方法和应用。该集成流道数字微流控芯片包括电极图案层和覆盖于电极图案层上的介质层，还包括与介质层封接的带有通道结构的上极板；该带有通道结构的上极板由上至下包括支撑层、中间导电层和通道结构层，中间导电层可以与外部电极连接。本发明专利技术公开的为一种一体化、封闭式的集成流道数字微流控芯片，通过将流道式微流控的通道结构与数字微流控的电极图案有机地集成在一起，该芯片将同时具有操控连续流体和离散液滴的能力；芯片易于与外界管路相连，有利于连续的进、出样流体控制；芯片的上极板含有导电层，形成了双极板数字微流控芯片结构，具有液滴生成、分裂、移动、融合的全部功能。功能。功能。

【技术实现步骤摘要】
一种集成流道数字微流控芯片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及微流控芯片
，尤其涉及一种集成流道数字微流控芯片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]微流控芯片具有样品消耗量小、功能集成度高、易于自动化控制等优势，在生物、医学、化学、材料、机械、电子等领域具有重要价值。根据流体的操控形式，微流控芯片主要可以分为流道式微流控和数字微流控两种类型。流道式微流控主要是通过通道结构设计，在封闭的流道内控制流体运动，具有流体驱动简单、通量高、速度快等优势，但目前仍存在着流体精准操控困难、自动化程度低等问题。与之相比，数字微流控是利用介电润湿效应，通过控制施加在芯片电极阵列上的电压来改变芯片介质层与其上方液滴的固液表面张力，从而精准操控离散液滴的运动，具有液滴操控简单、自动化程度高等优势。然而，当前的数字微流控芯片也存在诸多问题：1)芯片封装工艺粗糙，通常是利用胶带或胶水垫高后，在电极阵列的上方简陋地加盖上极板，因而无法形成密封的芯片装置，容易发生泄漏和交叉污染；2)芯片难以与外界接口结合，不能实现连续的进、出样流体控制，严重阻碍了更多功能单元的集成；3)芯片的通道结构设计有限，即，难以在电极阵列上方制作具有不同功能的流体通道或微结构，因而很难实现更加复杂、精确的流体操控。这些问题大大限制了数字微流控技术的进一步发展和应用。
[0003]近年来，流道式微流控与数字微流控的集成引起了研究人员的高度关注，这有望实现二者的优势互补，并打破各自的局限性。然而，目前的集成方案更多的是在解决二者的接口问题，例如，利用毛细管将这两种类型的芯片连接起来，或者在数字微流控芯片的前端或后端简单地衔接流道式微流控芯片。然而，在这些集成方案中，两种类型的芯片仍是分开独立的，因此并非真正意义上的集成，且数字微流控芯片部分还是通过简单地加盖导电玻璃来形成双极板结构，因此无法形成完全封闭的芯片。此外，芯片内的流体或液滴只能单向运输，即仅能从流道式微流控芯片的通道进入到数字微流控芯片的电极区，或仅能从数字微流控芯片的电极区进入流道式微流控芯片的通道内。虽然最近有研究人员通过将聚二甲基硅氧烷芯片与光胶介质层封接，实现了流道式微流控与数字微流控的正交集成，但是由于难以引入接地上极板，这种集成芯片只是一种单极板数字微流控结构，因而缺少了液滴生成和分裂功能。此外，芯片的表面疏水修饰过程复杂，稳定性较差。
[0004]总体来看，流道式微流控与数字微流控的集成是当前微流控技术发展的必然趋势，有望解决微流体精确、智能操控，以及多功能集成等诸多难题，但目前的集成芯片仍存在很多不足，包括：1)两种类型的芯片相互独立，而非真正意义上的一体化集成芯片；2)数字微流控芯片封装简陋，封闭性差，易发生泄漏和交叉污染；3)液体仅能单向运输，不利于复杂、连续的流体控制；4)单极板数字微流控结构，缺乏液滴生成和分裂能力。因此，亟需发展一种一体化、封闭式、且具有完备液滴操控功能的集成流道数字微流控芯片，以全面解决上述这些问题。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术公开了一种集成流道数字微流控芯片，通过将通道结构与电极图案有机地集成在一起，形成了封闭式、一体化的集成流道数字微流控芯片，既可以对连续流体进行控制，又可以精准操控离散液滴；同时易于与外界接口结合，从而实现连续的进、出样流体控制，以及与上下游功能模块的连接；此外，芯片制作过程简单，可以很方便地在通道结构层与支撑层之间嵌入导电层，以形成双极板数字微流控结构，从而实现液滴生成、分裂、移动、融合全部基本功能。
[0006]具体技术方案如下：
[0007]一种集成流道数字微流控芯片，包括电极图案层和覆盖于所述电极图案层上的介质层，还包括与所述介质层封接的带有通道结构的上极板；
[0008]所述带有通道结构的上极板由上至下包括支撑层、中间导电层和通道结构层，所述中间导电层可以与外部电极连接。
[0009]本专利技术公开的集成流道数字微流控芯片，可以在带有通道结构的上极板上加工各种通道结构，包括但不限于流体通道、微柱、微井、腔室等。且带有通道结构的上极板与电极图案层上方的介质层紧密封接，形成封闭式芯片；在带有通道结构的上极板的支撑层的支撑作用下，芯片易于与外界管路进行连接，从而有利于连续、双向的流体控制；同时，由于在带有通道结构的上极板的通道结构层与支撑层之间引入了中间导电层，使得该集成流道数字微流控芯片成为双极板结构，因而具有液滴生成、分裂、移动、融合的全部操控功能。
[0010]所述通道结构层的通道结构位于所述电极图案层的电极图案上方，或者选择性增加于所述电极图案层的非电极图案区域上方。
[0011]当所述通道结构层的通道结构位于所述电极图案层的电极图案上方且涉及数字微流控液滴操控时，通道结构层的厚度设为H，通道结构的高度设为h，其中，h选自20～500μm，0＜(H
‑
h)≤50μm。
[0012]当通道结构位于电极图案层的电极图案上方且涉及数字微流控液滴操控时，需要同时控制通道结构的高度h、以及通道结构层的厚度H与h的差值。
[0013]经试验发现，当h选自20～500μm时，液滴驱动性能较好。若h过小，由接触角变化引起的液滴形变减小，导致液滴驱动变得困难；若h过大，一方面液滴受重力作用影响明显，另一方面如果大于液滴直径，则液滴难以与上下表面同时接触，造成液滴驱动困难。
[0014]经试验发现，中间导电层与通道内的液滴之间还需要存在合适厚度(H
‑
h)的通道结构层材料，优选为0＜(H
‑
h)≤50μm，若(H
‑
h)过大，液滴与中间导电层之间由通道结构层材料所造成的阻抗就越大，从而导致液滴的驱动性能变差，甚至失去液滴分裂功能。进一步优选，(H
‑
h)＝20μm。
[0015]当通道结构位于非电极图案区域上方，或者位于电极图案上方不涉及数字微流控液滴操控的区域时，通道结构的高度和通道结构层的厚度不做限制，因为该区域不涉及数字微流控中利用电极驱动液滴的功能。
[0016]当不涉及数字微流控液滴生成与分裂时，通道结构上方还可以不设置中间导电层，但此时液滴操控相对困难，通常需要较大的驱动电压或者对电极图案中的电极增加接地控制功能。
[0017]所述通道结构层的材质选自聚二甲基硅氧烷、光固化材料、热塑性材料中的一种
或多种。
[0018]本专利技术中：
[0019]所述光固化材料选自含有光固化官能团的单体和/或含有光固化官能团的低聚物，所述光固化官能团选自丙烯酸酯官能团、甲基丙烯酸酯官能团、巯基官能团、烯基官能团、乙烯基醚官能团、环氧基官能团中的一种或多种。
[0020]所述疏水性光固化材料为具有良好疏水特性的光固化材料，选自1H,1H,2H,2H
‑
全氟癸基丙烯酸酯、2
‑
(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H
‑
全氟癸硫醇、烯丙基1H,1H
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成流道数字微流控芯片，包括电极图案层和覆盖于所述电极图案层上的介质层，其特征在于：还包括与所述介质层封接的带有通道结构的上极板；所述带有通道结构的上极板由上至下包括支撑层、中间导电层和通道结构层，所述中间导电层可以与外部电极连接。2.根据权利要求1所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：所述通道结构层的通道结构位于所述电极图案层的电极图案上方，或者选择性增加于所述电极图案层的非电极图案区域上方；所述通道结构层的材质选自聚二甲基硅氧烷、光固化材料、热塑性材料中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：所述通道结构层具有疏水性表面；当所述通道结构层的材质为非疏水性材料时，可通过疏水修饰试剂对通道结构层进行表面处理。4.根据权利要求2所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：当所述通道结构层的通道结构位于所述电极图案层的电极图案上方且涉及数字微流控液滴操控时，通道结构层的厚度设为H，通道结构的高度设为h，其中，h选自20～500μm，0＜(H
‑
h)≤50μm。5.根据权利要求1所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：所述中间导电层，选自表面涂覆导电材料的薄膜，或者由导电材料加工形成的薄层；所述导电材料选自导电氧化物、导电金属、导电聚合物、石墨烯中的一种或多种。6.根据权利要求5所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：所述中间导电层中导电材料的厚度为50～300nm，所形成导电面的方阻为5～500欧。7.根据权利要求1所述的集成流道数字微流控芯片，其特征在于：所述支撑层的材质选自聚二甲基硅氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，何宇，陆泽凡，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：