一種模擬、數字混合式微流控芯片及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種模擬、數字混合式微流控芯片及其控制方法。本發明涉及的模擬、數字混合式微流控芯片包括基片、蓋片、電極及其引線、涂層、微通道、進液池（或進液接口）、出液池（或出液接口）、端口，基片朝向蓋片一側及固定于其表層的電極表面、蓋片朝向基片且具有均勻導電特性的表面分別貼敷若干絕緣、潤滑作用的涂層，基片與蓋片貼敷涂層的一面以及固定于芯片邊緣的密封填充物構成密閉腔室。控制方法為：在泵閥裝置控制下，液滴或液流經微通道、進液池（或進液接口）進入芯片，經出液池（或出液接口）、微通道流出芯片；在芯片內部，經端口、電極引線使若干電極分別接通電信號，實現對液滴或液流位置與運動的控制。
【專利說明】一種模擬、數字混合式微流控芯片及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模擬、數字混合式微流控芯片及其控制方法。
【背景技術】
[0002]當今國民經濟中，藥品研發、醫學檢測、食品開發、生物催化、化工實驗等過程復雜而漫長，涉及的學科門類眾多，而當前實際的研發、生產以及實驗場合，大多仍然采用傳統方法，包括使用取液器、取液槍、試劑盒等工具，多采用人工或半人工的方式進行，自動化程度不高，效率低下，并且整個過程樣品、原料使用量偏高，浪費嚴重，使得相關的材料、人力、管理等成本居高不下。隨著科技的進步以及時代的發展，很多復雜的檢測、實驗都可以在幾平方厘米甚至更小的芯片上實現，這就是微流控技術，它被稱為“改變世界”的七種技術之
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[0003]微流控芯片是實現微流控技術的物質載體，它具備將一個生物或化學實驗室濃縮為幾平方厘米甚至更小的芯片上的能力，使得藥品研發、醫學檢測、生物及化學實驗的成本大幅降低，效率顯著提高，并兼具便捷性。
[0004]但在當下，微流控技術以及微流控芯片在更多的領域主要處于研發試驗階段，實際用于企業研發、工業生產的并不多見，其主要原因是微流控技術在很多應用中遇到難以解決的問題，主要、典型現象如下:
微流控芯片現在主要分為兩種:由微泵、微閥、微通道構成的第一代模擬式微流控芯片，以及由微控制器、電極構成的第二代數字式微流控芯片，二者各有特點:模擬式微流控芯片在液滴制備、輸運速度上具備優勢，但其對具體液滴的識別與操控上并不靈活；數字式微流控芯片在液滴制備、輸運速度上相對遜色，但在對具體液滴的識別與操控方面是長項，二者單獨使用無法發揮微流控技術的全面優勢。
[0005]本發明秉承優勢互補的思想，將模擬式微流控芯片與數字式微流控芯片結合，設計出一種模擬、數字混合式微流控芯片，兼具兩種芯片的優點，為微流控技術在國民經濟中的應用提出一種新的思路。
[0006]本發明具有非常好的應用前景與市場預期。
【發明內容】
[0007]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片包括模擬、數字兩部分，其中模擬部分包括但不限于基片、蓋片、微通道、涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口 ；數字部分包括但不限于基片、蓋片、電極及其引線、端口、涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口。
[0008]其中基片、蓋片是模擬部分與數字部分的公共部分；而涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口為模擬部分與數字部分都具有的構成部分，可以采取下述三種實施方式中的一種或多種:
1.共用；
2.銜接連通； 3.互不相干。
[0009]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的結構中，下列位置分別貼敷若干絕緣、潤滑作用的涂層:
1.基片朝向蓋片的一側表面；
2.在基片朝向蓋片一側表層固定的電極表面，本發明中電極不固定在基片表層的類型芯片中，電極表面無涂層；
3.蓋片朝向基片且具有均勻導電特性的一側表面。
[0010]基片與蓋片貼敷涂層的一面以及固定于芯片邊緣的密封填充物構成密閉腔室，使液體僅能通過液池、接口、微通道注入或流出芯片。
[0011]在芯片內部，模擬部分與數字部分可以采用的的銜接方式包括但不限于:模擬部分的出液池或出液接口與數字部分的進液池或進液接口互相連通或共用同一物理接口 ；數字部分的出液池或出液接口與模擬部分的進液池或進液接口互相連通或共用同一物理接□。
[0012]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的基片與蓋片的材質包括但不限于:玻璃、石英、單晶硅、多晶硅、印刷電路板、高分子聚合物，其中高分子聚合物的類型包括但不限于:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環氧樹脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯、水凝膠、丙烯酸、橡膠、氟塑料。
[0013]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的數字部分的基片內部或表層固定有若干電極；模擬部分包含有電極和無電極兩種設計類型，有電極的設計類型中，電極的設計位置包括但不限于:
1.基片內部；
2.蓋片內部；
3.基片表面；
4.蓋片表面。
[0014]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的下列位置分別貼敷若干絕緣、潤滑作用的涂層:
1.基片朝向蓋片一側的表面；
2.在基片朝向蓋片一側表層固定的電極表面；
3.蓋片朝向基片一側的表面，該表面具有均勻導電特性。
[0015]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的微通道的形式包括但不限于:
1.芯片外部與芯片連通的管道；
2.芯片內部的可供液體流動的微通道；
3.芯片數字部分的敞開式通道。
[0016]微通道內壁的局部或全部可以有若干絕緣、潤滑作用的涂層，也可沒有涂層。
[0017]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片結構中，蓋片與基片中至少有一個全部透明或局部透明，這樣可以通過透明部分從外部對芯片內的液體進行觀察、檢測、攝像、錄像、計量、反饋等操作，其中檢測的手段包括但不限于:
1.激發熒光檢測；
2.同位素鑒別； 3.影像識別。
[0018]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片，液滴在微通道內流動時，液滴彼此之間、液滴與微通道之間存在一種或一種以上與液滴不相溶的液體。具體方式包括但不限于:液滴為內部溶有某親水性實驗樣品的水滴，水滴彼此之間、水滴與通道之間充滿與水不相容的油類液體。
[0019]本發明的液滴或液流的分選控制系統輸出的電信號的參數為:電壓幅值在3伏特至5千伏特之間或負5千伏特至負3伏特之間、電信號為直流或頻率在50赫茲至I千兆赫茲之間。
[0020]本發明的液滴或液流的分選控制系統除可根據需要輸出直流電信號，也可輸出非直流電信號，非直流電信號的類型包括但不限于:方波、三角波、正弦波、鋸齒波、積分波、微分波、階梯波、前述波形的變形、前述多種波形的疊加、前述多種波形的函數運算的結果。
[0021]本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的控制方法為:在芯片的模擬部分，通過泵閥裝置的控制，實現液滴或液流經微通道、進液池(或進液接口)進入芯片，經出液池(或出液接口)、微通道流出芯片，可以通過本發明的模擬部分具有電極的類型芯片中的模擬部分實現液滴按其參數、特征、現象的篩選操作；在芯片內部的數字部分，經端口、電極引線使若干電極分別接通電信號，實現對芯片內的液滴(或液流)位置與運動的控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明實施例的模擬、數字混合式微流控芯片分層結構示意圖。
[0023]圖2為本發明實施例的模擬、數字混合式微流控芯片整體結構頂視圖。
【具體實施方式】
[0024]以下實施例屬于本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的范圍，也不是限定本發明的應用形式。
[0025]實施例:
本實施例如圖1至圖2所示。
[0026]本實施例的模擬、數字混合式微流控芯片分層結構示意圖如圖1所示，從蓋片上按功能可劃分為標號11所示的數字部分以及標號12所示的模擬部分(數字、模擬公共組成部分以文字描述為準)，芯片具體細節構成包括:
1.標號I所不的基片；
2.標號2所示的芯片數字部分電極；
3.標號3所示的芯片數字部分位于基片頂層電極引線；
4.標號4所示的芯片數字部分位于基片底層電極引線；
5.標號5所示的起絕緣作用的基片涂層；
6.標號6所示的起潤滑作用的基片涂層；
7.標號7所示的端口；
8.標號8所示的密閉填充物；
9.標號9所示的起絕緣作用的蓋片涂層；
10.標號10所示的起潤滑作用的蓋片涂層； 11.標號13所示的蓋片；
12.標號14所不的模擬部分電極；
13.標號15所示的模擬部分進液池；
14.標號16所示的模擬部分出液池同時也是數字部分進液池；
15.標號17所示的數字部分進液池；
16.標號18所示的數字部分出液池；
17.標號19所示的數字部分與模擬部分公共的廢液池功能的出液池。
[0027]本實施例的模擬、數字混合式微流控芯片整體結構頂視圖如圖2所示，右側為芯片的數字部分；左側為芯片的模擬部分，具體細節構成包括下列各部分:
標號2所示的數字部分電極；
標號3所示的位于數字部分中基片頂層電極引線(該引線固定于與數字部分電極相同側的基片表面);
標號4所示的位于數字部分中基片底層電極引線(該引線固定于與數字部分電極不同側的基片表面);
標號7所示的端口 ；
標號14所示的模擬部分電極及其引線；
標號15所示的模擬部分進液池；
標號16所示的模擬部分出液池同時也是數字部分進液池；
標號17所示的數字部分進液池；
標號18所示的數字部分出液池；
標號19所示的數字部分與模擬部分公共廢液池功能的出液池。
[0028]本發明實施例中，基片、蓋片是模擬部分與數字部分的公共部分；而涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口為模擬部分與數字部分都具有的構成部分，其中，模擬部分出液池同時也是數字部分進液池；數字部分與模擬部分共用同一廢液池(廢液池在本發明中是出液池中的一種)。
[0029]本發明實施例的結構中，基片及固定于其表層的電極表面、蓋片具有均勻導電特性的表面分別貼敷絕緣、潤滑作用的涂層，基片與蓋片貼敷涂層的一面以及固定于芯片邊緣的密封填充物構成密閉腔室，使液體僅能通過液池、接口、微通道注入或流出芯片。
[0030]本發明實施例的結構中，蓋片與基片采用透明材質制作，可以通過透明部分從外部對芯片內的液體進行觀察、檢測、攝像、錄像、計量、反饋等操作，其中檢測的手段包括激發熒光檢測以及影像識別。
[0031 ] 本發明實施例中，液滴在微通道內流動時，液滴彼此之間、液滴與微通道之間存在一種與液滴不相溶的油類液體。
[0032]本發明實施例的控制方法為:在芯片的模擬部分，通過泵閥裝置的控制，實現液滴或液流經微通道、進液池進入芯片，經出液池、微通道流出芯片，可以通過模擬部分的分選子部分實現液滴按若干參數、特征、現象的篩選操作；在芯片內部的數字部分，經端口、電極引線使若干電極分別接通電信號，實現對芯片內的液滴(或液流)位置與運動的控制。
[0033]本發明實施例的液滴或液流的分選控制系統輸出的電信號的參數為:電壓幅值300V、頻率10kHz赫茲，電信號的類型為方波。
[0034] 本發明包含業內具有革命性特征與功能的產品，具有較高的推廣價值。
【權利要求】
1.一種模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于包括模擬部分、數字部分，其中數字部分包括電極及其引線；模擬部分包括微通道。
2.根據權利要求1所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于數字部分包括端口、基片、蓋片、涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口 ；模擬部分包括基片、蓋片、涂層、進液池或進液接口、出液池或出液接口，其中出液池包含成品池、廢液池等類型，進液池包含樣品池類型，本發明的模擬、數字混合式微流控芯片的模擬部分可分為包含電極以及不包含電極兩種應用形式。
3.根據權利要求2所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于基片與蓋片的材質包括但不限于:玻璃、石英、單晶硅、多晶硅、印刷電路板、高分子聚合物，其中高分子聚合物的類型包括但不限于:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環氧樹脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯、水凝膠、丙烯酸、橡膠、氟塑料，數字部分的基片內部或表層固定有若干電極，模擬部分包含有電極和無電極兩種設計方式，有電極的設計方式中，電極設計位置包括但不限于:基片內部、蓋片內部、基片表面、蓋片表面。
4.根據權利要求3所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于下列位置分別貼敷若干絕緣、潤滑作用的涂層:基片朝向蓋片的一側表面、在基片朝向蓋片一側表層固定的電極表面、蓋片朝向基片且具有均勻導電特性的一側表面。
5.根據權利要求4所述的模擬、數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與芯片連通的管道、芯片內部的可供液體流動的通道、電極驅動的敞開式通道，微通道內壁的局部或全部可有若干起絕緣、潤滑作用的涂層，也可沒有涂層。
6.根據權利要求5所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于蓋片與基片中至少有一個全部或局部是透明的，可以從外部對芯片內的液體進行觀察、檢測、攝像、錄像、計量、反饋等操作，其中檢測的手段包括但不限于:激發熒光檢測、同位素鑒別、影像識別。
7.根據權利要求1至權利要求6所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于液滴在通道內流動時，液滴彼此之間、液滴與通道之間存在一種或一種以上與液滴不相溶的液體， 具體方式包括但不限于:液滴為內部溶有某親水性實驗樣品的水滴，水滴彼此之間、水滴與通道之間充滿與水不相容的油類液體。
8.根據權利要求1至權利要求6所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于控制方法為:在泵閥裝置控制下，液滴或液流經微通道、進液池(或進液接口)進入芯片，經出液池(或出液接口)、微通道流出芯片；在芯片內部，經端口、電極引線使若干電極分別接通電信號，實現在芯片的數字部分對液滴或液流的位置、運動進行控制，還可以通過本發明的模擬部分具有電極的類型芯片中的模擬部分實現液滴的篩選。
9.根據權利要求1至權利要求6所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于電極上外接電信號的參數為:電壓值在3V至5kV之間或-5kV至-3V之間、電壓為直流或頻率在50Hz至IGHz之間，電信號的類型包括但不限于:直流、方波、三角波、正弦波、鋸齒波、積分波、微分波、階梯波、前述波形的變形、前述多種波形的疊加、前述多種波形的函數運算的結果。
10.根據權利要求1至權利要求6所述的模擬、數字混合式微流控芯片，其特征在于基片與蓋片貼敷涂層的一面以及固定于芯片邊緣的密封填充物構成密閉腔室，使液體僅能通過液池、接口、微通道注入或流出芯片，模擬部分與數字部分可以采用的銜接方式包括但不限于:模擬部分的出液池(或出液接口)與數字部分的進液池(或進液接口)互相連通或共用同一物理接口 ；數字部分的出液池(或出液接口)與模擬部分的進液池(或進液接口)互相連通或共用同一物理接口，本發明中的出液池包括成品池、廢液池的類型。
【文檔編號】B01L3/00GK104248998SQ201310264589
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】李木 申請人:李木