專利名稱：一種以聲表面波為能量源的微反應器及其反應方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控芯片中的微反應器，尤其是涉及一種以聲表面波為能量源的微反應器及其反應方法。
背景技術：
微流控芯片是將樣品預處理、混合、反應、分離和檢測等操作單元集成在一個或多個芯片中的微分析系統，以代替傳統的實驗室工作。微流控芯片因其具有樣品用量少、操作簡單、能夠在較短時間內精確完成從樣品制備到結果顯示的全過程及能夠有效地克服傳統的實驗室工作中手工操作帶來的實驗誤差等諸多優點，得到國內外微流領域專家的高度關注，并日益成為國際性前沿研究熱點，且已在化學分析、DNA測序、蛋白質分析、單細胞分析、 單分子分析、藥物篩選、食品安全、環境監測和國家安全等領域中得到越來越多的應用，并隨著微流控芯片技術的進一步成熟，其應用范圍必將深入到生活的方方面面，因此微流控芯片也曾被稱為“影響人類未來的最重要的發明之一”。微反應器是微流控芯片實現微流分析不可缺少的組成部分，同時，微反應器也是食品、醫藥等行業為降低研究成本而進行反應條件的探索所必需的研究手段。現有的微流控芯片的微反應器中，常見的是在微流控芯片的微通道內實現微流體輸運的同時，完成反應物的反應，這種反應方法一般只能適用于常溫下就能實現反應物反應的場合，因而無需加熱元件。然而，很多生化反應如細胞培養、酶的擴增、部分有機物合成等需要在高于室溫的環境下才能進行反應，因此所采用的微反應器必須要有加熱單元才能達到反應物的溫度要求。在這一類微反應器中，常用的微反應器加熱方式主要有通過水浴鍋、加熱板和集成的加熱絲等方式實現。其中，通過水浴鍋和加熱板方式實現的微反應器，其加熱設備簡單、制作成本低，但體積大、難以集成于微流控芯片中，有待改進；而集成于微反應器中的加熱絲可集成性好，但制作成本較高，且工藝比較復雜，有待完善。近來，聲表面波器件因其具有成本低、工藝成熟等特點已經在微流控芯片中得到應用，并將進一步發展。如期刊《微電子機械系統》2008年第17卷第1期147-156 頁(Journal of Micro electromechanical systems, Vol. 17 (1)， 2008:147-156) 公開了《基于微液滴油包封微反應器》(《Droplet-Based Micro reactions With Oil Encapsulation》)，該微反應器工作時，進行反應的反應物通過功率放大器放大的RF信號加載到PZT (鋯鈦酸鉛)壓電基片的聚焦換能器上激發聲波，使得聲路徑上的反應物噴發微液滴到達其上的玻璃基片的油微液滴上，實現油包封反應物的反應。該微反應器可有效減少反應物蒸發，但不能實現反應物加熱，從而限制了該微反應器的應用。為了實現微流控芯片的微反應器能夠在高于室溫條件下進行反應物的生化反應，必須在該微反應器中集成微加熱器。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種以聲表面波為能量源就能夠在高于室溫環境下實現生化反應，且結構簡單、集成性好、成本低的微反應器及利用該微反應器進行生化反應的反應方法。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應的微反應物的PDMS微容器，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設置有用于激發聲表面波的叉指換能器，所述的壓電基片的工作表面上且位于所述的叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上設置有疏水層，所述的PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，所述的PDMS微槽的底部緊貼連接于所述的疏水層上，所述的PDMS微槽的頂部覆蓋有導熱性能良好的金屬薄片，所述的PDMS微容器設置于所述的金屬薄片上，所述的 PDMS微容器具有底部開口，所述的PDMS微槽內的甘油微流體分別與疏水層和金屬薄片的下表面接觸，所述的PDMS微容器內的微反應物與金屬薄片的上表面接觸。所述的金屬薄片的上表面上涂覆有PDMS薄層，所述的PDMS微容器的底部與所述的PDMS薄層的上表面固化，所述的PDMS微容器內的微反應物與PDMS薄層的上表面接觸； PDMS薄層的設置可避免PDMS微容器內的微反應物與金屬薄片發生反應，將PDMS微容器的底部與PDMS薄層的上表面固化可有效確保PDMS微容器內的微反應物不外流。所述的PDMS薄層的厚度為1微米一 10微米。所述的PDMS微容器具有頂部開口，所述的PDMS微容器的頂部開口上可覆蓋有 PDMS薄片或載波片。所述的PDMS微槽、所述的PDMS微容器和所述的PDMS薄層均主要由體積比為(5 12) 1的道康寧184的單體和固化劑混合制備而成。所述的金屬薄片為鋁片或銅片。所述的壓電基片的工作表面上設置有用于反射所述的叉指換能器激發的聲表面波的反射柵。本發明的微反應器還包括信號發生裝置，所述的信號發生裝置主要由用于產生RF 電信號的信號發生器和與所述的信號發生器連接的功率放大器組成，所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設置有引線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條， 所述的匯流條通過導線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導線與所述的功率放大器相連接。一種利用上述的以聲表面波為能量源的微反應器進行生化反應的反應方法，其特征在于包括以下步驟
①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已盛滿有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發生器、功率放大器和叉指換能器；
②啟動信號發生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應的微反應物；
③信號發生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF 電信號后激發聲表面波；
④叉指換能器激發的聲表面波對PDMS微槽內的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體
5的溫度升高，升高的溫度通過導熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內的微反應物進行加熱，實現生化反應。與現有技術相比，本發明的優點在于通過在設置于壓電基片的工作表面上的疏水層上連接一個PDMS微槽，在壓電基片的工作表面上設置叉指換能器，并使PDMS微槽位于叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上，這樣叉指換能器激發的聲表面波對置放于PDMS 微槽內的甘油微流體進行輻射，使得甘油微流體溫度升高，再經導熱性能良好的金屬薄片對設置于金屬薄片上的PDMS微容器內的微反應物進行生化反應，本發明利用叉指換能器激發的聲表面波和置放于PMDS微槽內的甘油微流體實現了微反應器中微加熱單元的功能，使得需在高于室溫的條件下進行的生化反應得以實現，極大地提高了微流控芯片的應用范圍。本發明將用于產生熱量的甘油微流體和待反應的微反應物分別置放于PDMS微槽和PDMS微容器中，這樣可有效避免微反應物被油相污染；并且由于聲表面波只對PDMS微槽內的甘油微流體進行輻射，因此微反應物的活性不會受到影響。本發明的微反應器的PDMS 微容器的頂部開口上設置的PDMS薄片或載波片，可以有效地避免微反應物蒸發。此外，本發明的微反應器結構簡單、成本低，本發明的PDMS微槽本身具有部分粘性，可直接貼合在疏水層上，易于集成。本發明的反應方法工藝簡單，利用叉指換能器激發的聲表面波和置放于PMDS微槽內的甘油微流體就可實現高于室溫的溫度條件下才能發生的微反應物的生化反應，且重復性好。
圖1為本發明的微反應器的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例一
本發明提出的以聲表面波為能量源的微反應器，如圖1所示，其包括信號發生裝置1、壓電基片2、用于容納甘油微流體的PDMS (polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)微槽3和用于容納待反應的微反應物的PDMS (聚二甲基硅氧烷)微容器4。壓電基片2的上表面為工作表面，壓電基片2的工作表面上采用現有的微電子工藝光刻有用于激發聲表面波的叉指換能器5和用于反射叉指換能器5激發的聲表面波以減小RF信號的功率的反射柵9，壓電基片2的工作表面上且位于叉指換能器5激發的聲表面波的聲傳輸路徑上設置有疏水層6，即該疏水層6覆蓋了叉指換能器5激發的聲表面波的聲傳輸路徑，保證了甘油微流體位于聲傳輸路徑上，該疏水層6為在聲傳輸路徑上涂覆一層Teflon AF 1600疏水材料形成，由于如果疏水層6太厚，則衰減聲表面波太大，如果疏水層6太薄，則壓電基片2的表面疏水性不夠好，將導致甘油微流體通過PDMS微槽3與疏水層6之間可能存在的縫隙中滲出，因此可將該疏水層6的厚度控制在1 3 范圍內。PDMS微槽3僅具有周壁，即PDMS微槽3設置有頂部開口和底部開口，PDMS微槽3的頂部開口和底部開口與PDMS微槽3的內部相通，PDMS微槽3的底部緊貼連接于疏水層6上，PDMS微槽3內裝滿有甘油微流體，容納于PDMS微槽3內的甘油微流體與疏水層6接觸，當甘油微流體受到聲表面波的輻射后溫度上升；PDMS微槽3的頂部覆蓋有導熱性能良好的金屬薄片7，容納于PDMS微槽3內的甘油微流體與金屬薄片7的下表面接觸，甘油微流體被輻射升溫后產生的熱量經金屬薄片7傳遞給PDMS微容器4內的微反應物上。PDMS 微容器4也僅具有周壁，即PDMS微容器4具有頂部開口和底部開口，PDMS微容器4置放于金屬薄片7上，使用時通過PDMS微容器4的頂部開口注入待反應的微反應物，注入微反應物后，可采用PDMS薄片或載波片(圖中未示出)覆蓋PDMS微容器4的頂部開口，這樣可以有效地避免微反應物蒸發；PDMS微容器4內的微反應物與金屬薄片7的上表面接觸，經金屬薄片7傳遞的熱量促使微反應物發生生化反應。 在此具體實施例中，壓電基片2可采用機電耦合系數稍大的壓電基片，基本可取機電耦合系數大于5. 5%的壓電基片，如128°-YX LiNbO3壓電基片，因為在相同的RF電信號下，設置于具有較大機電耦合系數的壓電基片上的叉指換能器能夠產生幅度較大的聲表面波，這樣易于利用幅度較大的聲表面波輻射甘油微流體而使甘油微流體的溫度升的較高、 較快。 在此具體實施例中，為了防止PDMS微容器4中的微反應物與金屬薄片7發生反應在金屬薄片7的上表面上涂覆一層PDMS聚合物材料，構成PDMS薄層8，PDMS薄層8的上表面上再置放PDMS微容器4。在此，可將PDMS薄層8的厚度設計為1微米一 10微米，這樣便于將熱量傳遞到微反應物上。在實際操作過程中，還可將PDMS微容器4的底部與PDMS薄層8的上表面固化，這樣可有效確保PDMS微容器4內的微反應物不外流。在此具體實施例中，PDMS微槽3和PDMS微容器4均主要由體積比為(5 12) :1 的道康寧184的單體和固化劑混合制備而成，制備時可采用模塑法。在制備過程中，為能夠使PDMS微槽3的底部能夠較好地緊貼粘在疏水層6上，可適當提高單體和固化劑的體積比比例，從而使得制成的PDMS微槽3具有比較好的柔軟性，不僅能夠提高PDMS微槽3粘貼于疏水層6上的固定力，而且在PDMS微槽3較好地粘貼于疏水層6上時，兩者之間不會存在縫隙，從而有效防止了位于PDMS微槽3內的甘油微流體通過縫隙滲到PDMS微槽3外。如果在制備PDMS微槽3時選取的單體和固化劑的體積比例較小，則可在制成的PDMS微槽3 的周壁的底部再涂上一層由具有較高體積比例的單體和固化劑混合而成的PDMS聚合物， 并經過80°C恒溫箱固化1小時，這樣，PDMS微槽3的周壁的底部即可比較牢固地與壓電基片粘合。在此具體實施例中，金屬薄片可以為鋁片、銅片，也可以為由其它導熱性能良好的金屬材料制成的金屬薄片，實際設計過程中可選擇鋁片，不僅導熱性能較好，且價格相對便且。在此具體實施例中，信號發生裝置1主要由用于產生RF(Radic) Frequency，射頻) 電信號的信號發生器11和與信號發生器11連接的功率放大器12組成，壓電基片2的下表面上連接有PCB板13，PCB板13上設置有多個引線腳14，叉指換能器5包括兩個匯流條 51，匯流條51通過導線經壓焊或導電銀膠等方式與引線腳14相連接，引線腳14通過導線與功率放大器12相連接，信號發生器11輸出RF電信號，該RF電信號經功率放大器12放大后再加載到叉指換能器5上，叉指換能器5在RF電信號的作用下激發聲表面波。在此， 信號發生器11和功率放大器12均采用現有技術。在此，PCB板13也可由其它現有的可以固定導線的基板替代。
在實際制備該微反應器時，可將叉指換能器5設計在壓電基片2的工作表面靠近側邊的區域上，而將疏水層6設計在壓電基片2的工作表面的中心區域上，這樣可在壓電基片2的工作表面的四周多設置幾個叉指換能器，可從多個角度輻射甘油微流體。實施例二
一種利用實施例一所述的以聲表面波為能量源的微反應器進行生化反應的反應方法， 其主要包括以下步驟
①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已注入有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發生器、功率放大器和叉指換能器。在實際操作過程中，甘油微流體需盛滿 PDMS微槽，這樣可有效確保甘油微流體與金屬薄片接觸，從而可使得叉指換能器激發的聲表面波輻射甘油微流體產生的熱量經金屬薄片傳遞到PDMS微容器中的微反應物上。②啟動信號發生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應的微反應物。 ③信號發生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號加載到叉指換能器上，叉指換能器接入RF電信號后激發聲表面波。④叉指換能器激發的聲表面波對PDMS微槽內的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體的溫度升高，升高的溫度通過導熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內的微反應物進行加熱，從而實現生化反應。
權利要求
1.一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應的微反應物的PDMS微容器，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設置有用于激發聲表面波的叉指換能器，所述的壓電基片的工作表面上且位于所述的叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上設置有疏水層，所述的PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，所述的PDMS微槽的底部緊貼連接于所述的疏水層上，所述的PDMS微槽的頂部覆蓋有導熱性能良好的金屬薄片，所述的PDMS微容器設置于所述的金屬薄片上，所述的PDMS微容器具有底部開口。
2.根據權利要求1所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的金屬薄片的上表面上涂覆有PDMS薄層，所述的PDMS微容器的底部與所述的PDMS薄層的上表面固化。
3.根據權利要求2所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的 PDMS薄層的厚度為1微米一 10微米。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的PDMS微容器具有頂部開口，所述的PDMS微容器的頂部開口上覆蓋有PDMS薄片或載波片。
5.根據權利要求4所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的 PDMS微槽、所述的PDMS微容器和所述的PDMS薄層均主要由體積比為(5 12):1的道康寧 184的單體和固化劑混合制備而成。
6.根據權利要求5所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的金屬薄片為鋁片或銅片。
7.根據權利要求6所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于所述的壓電基片的工作表面上設置有用于反射所述的叉指換能器激發的聲表面波的反射柵。
8.根據權利要求7所述的一種以聲表面波為能量源的微反應器，其特征在于還包括信號發生裝置，所述的信號發生裝置主要由用于產生RF電信號的信號發生器和與所述的信號發生器連接的功率放大器組成，所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設置有引線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條，所述的匯流條通過導線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導線與所述的功率放大器相連接。
9.一種利用權利要求8所述的以聲表面波為能量源的微反應器進行生化反應的反應方法，其特征在于包括以下步驟①將具有頂部開口和底部開口的PDMS微槽的底部與設置于壓電基片的工作表面上的疏水層緊貼連接，并保證PDMS微槽位于叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上，然后在已盛滿有甘油微流體的PDMS微槽的頂部置放金屬薄片，并在金屬薄片上置放PDMS微容器，再連接信號發生器、功率放大器和叉指換能器；②啟動信號發生器和功率放大器，同時向PDMS微容器中注入待反應的微反應物；③信號發生器輸出RF電信號并將RF電信號傳輸給功率放大器，功率放大器對接收到的RF電信號進行放大處理，并將放大后的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF 電信號后激發聲表面波；④叉指換能器激發的聲表面波對PDMS微槽內的甘油微流體進行輻射，使甘油微流體的溫度升高，升高的溫度通過導熱性能良好的金屬薄片對PDMS微容器內的微反應物進行加熱，實現生化反應。
全文摘要
本發明公開了一種以聲表面波為能量源的微反應器及其反應方法，該微反應器包括壓電基片、用于容納甘油微流體的PDMS微槽和用于容納待反應的微反應物的PDMS微容器，壓電基片的工作表面上設置有叉指換能器，壓電基片的工作表面上且位于叉指換能器激發的聲表面波的聲傳輸路徑上設置有疏水層，PDMS微槽具有頂部開口和底部開口，PDMS微槽的底部緊貼連接于疏水層上，PDMS微槽的頂部覆蓋有金屬薄片，PDMS微容器設置于金屬薄片上，優點在于利用叉指換能器激發的聲表面波和置放于PMDS微槽內的甘油微流體實現了微反應器中微加熱單元的功能，使得需在高于室溫的條件下進行的生化反應得以實現，極大地提高了微流控芯片的應用范圍。
文檔編號B01J19/00GK102284265SQ201110155109
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者尉一卿, 張悅, 章安良, 胡楚, 韓慶江, 高挺, 黃孝圣, 黃昶 申請人:寧波大學