CN106345543B - 一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片 - Google Patents
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Abstract
一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片，涉及微混合芯片领域，解决了现有基于感应电荷电渗的微混合芯片加工步骤繁琐、难于操作的问题。玻璃基底上设置有四个激发电极和两个悬浮电极，所述电极均为薄膜电极。位于PDMS盖片下表面的第一流道、第二流道、第三流道和混合流道构成芯片的微通道。玻璃基底与PDMS盖片密封设置，混合流道两侧分别与第一、第二激发电极的一端和第三、第四激发电极的一端贴合，第一激发电极与第四激发电极的端部相对，第一悬浮电极的一端设置在两者的中间位置；第二激发电极与第三激发电极的端部相对，第二悬浮电极的一端设置在两者的中间位置。相对的两个激发电极间的电势差相等。本发明适用于微流体的混合。
Description
技术领域
本发明涉及微混合芯片领域，具体涉及一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片。
背景技术
微流控芯片(Micro fluidic Chip)又称芯片实验室(Lab-on-A-Chip)，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，自动完成分析过程，已经发展成为一个机械、化学、生物、医学和流体力学等多学科交叉的十分具有应用前景的研究领域。
在微流控芯片技术领域中，如何对微流体进行精准的操控一直以来都是学者们研究的热门课题。传统的宏观流体可以通过对流实现混合，而微通道中的流体由于低雷诺数，主要依靠扩散来实现混合。因此，在微系统中，为了实现微通道中流体的有效混合，外部能量或者部件是不可缺少的。
现有的微混合芯片分为主动式微混合芯片和被动式微混合芯片。被动式微混合芯片主要依靠复杂的内部结构设计或者通道表面处理实现微通道中流体的混合。主动式微混合芯片主要依靠声场、磁场或电场等外部能量来实现微通道中流体的混合。这其中应用较多的是依靠电场的微混合芯片。电驱动微混合芯片具有结构简单、无需外部构件和易于集合等优点。
现有的电驱动微混合芯片主要是基于感应电荷电渗原理，通过在微通道内设置多个三维复杂的导体障碍物，产生感应电荷电渗现象，进而促进微通道中流体的混合。该类微混合芯片虽然具有优良的混合能力，但是由于需要在微通道内设置三维复杂的导体障碍物，使得该类混合芯片的加工步骤繁琐，难于操作。
发明内容
本发明为解决现有基于感应电荷电渗的微混合芯片加工步骤繁琐、难于操作的问题，提出了一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片。
本发明所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片包括玻璃基底1、PDMS盖片2、第一激发电极3、第二激发电极4、第三激发电极5、第四激发电极6、第一悬浮电极7和第二悬浮电极8；
所述第一激发电极3、第二激发电极4、第三激发电极5、第四激发电极6、第一悬浮电极7和第二悬浮电极8均为薄膜电极，并均设置在玻璃基底1的上表面；
所述PDMS盖片2的下表面上设置有第一流道9、第二流道10、第三流道11和混合流道12，所述混合流道12的流入端同时与第一流道9的流出端和第二流道10的流出端连接，所述混合流道12的流出端与第三流道11的流入端连接，所述第一流道9的流入端设置有第一流入槽13，所述第二流道10的流入端设置有第二流入槽14，所述第三流道11的流出端设置有流出通孔15；
所述第一流入槽13的底部设置有第一流入通孔，所述第二流入槽14的底部设置有第二流入通孔，所述第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔15均贯穿PDMS盖片2；
所述第一流入通孔的流入端和第二流入通孔的流入端分别接有第一金属连接器16和第二金属连接器17；
所述玻璃基底1的上表面与PDMS盖片2的下表面相对且密封设置，所述第一激发电极3的一端18和第二激发电极4的一端19均与混合流道12的一侧贴合，所述第三激发电极5的一端20和第四激发电极6的一端21均与混合流道12的另一侧贴合；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21相对设置，在两者之间设置第一悬浮电极7的一端22，所述第一悬浮电极7的一端22与两者的间距相等；
所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20相对设置，在两者之间设置第二悬浮电极8的一端23，所述第二悬浮电极8的一端23与两者的间距相等；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21的电势差等于所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20的电势差。
优选的是，所述第一悬浮电极7的一端22与第二悬浮电极8的一端23的尺寸相同；
所述第一悬浮电极7的一端22的长度Lc为1000微米，宽度Wc为80微米，所述第一悬浮电极7的一端22与第二悬浮电极8的一端23的间距Gc为100微米；
所述混合流道12的长度L为2300微米，宽度W为180微米，高度为100微米；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21的间距和所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20的间距相同；
所述第一悬浮电极7的一端22与第三激发电极5的一端20的间距Gl为30微米；
所述第一激发电极3的一端18与第二激发电极4的一端19的间距Gd等于第三激发电极5的一端20与第四激发电极6的一端21的间距，所述间距Gd为140微米。
进一步的是，所述第一金属连接器16和第二金属连接器17的内径均为1毫米，所述流出通孔15的直径为6毫米。
优选的是，所述薄膜电极的材质为ITO。
优选的是，所述薄膜电极的材质为金属。
所述第一激发电极3的一端18和第二激发电极4的一端19的电势均为V1。所述第三激发电极5的一端20和第四激发电极6的一端21的电势均为V2。当第一悬浮电极7的一端22和第二悬浮电极8的一端23不加电压时，两者的电势均为(V1+V2)/2。在对混合流道12内的流体进行混合时，分别对第一悬浮电极7的一端22和第二悬浮电极8的一端23施加电压，使第一悬浮电极7的一端22的电势大于(V1+V2)/2，第二悬浮电极8的一端23的电势小于(V1+V2)/2；或者使第一悬浮电极7的一端22的电势小于(V1+V2)/2，第二悬浮电极8的一端23的电势大于(V1+V2)/2。
本发明所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片，通过改变两个悬浮电极表面的电势，影响了悬浮电极与流体交界处双电层的电容充电，使得悬浮电极表面的电渗流发生改变，进而产生两个非对称的电渗漩涡，对微通道中的流体进行搅拌，实现流体的混合。本发明中的电极均为薄膜电极，与三维复杂的导体障碍物相比，薄膜电极更容易制备。因此本发明所述的微混合芯片，加工步骤简便，易于操作，能够解决现有基于感应电荷电渗的微混合芯片加工步骤繁琐、难于操作的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片进行更详细的描述，其中：
图1是实施例所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片的透视图；
图2是实施例中混合流道处的放大图；
图3是实施例中混合流道与电极端部的尺寸图；
图4是实施例中第一激发电极和第二激发电极上施加10Vpp电压，第三激发电极和第四激发电极接地，第一悬浮电极施加8Vpp电压，第二悬浮电极施加2Vpp电压，电压频率均为500Hz时，混合流道中，B溶液与C溶液的混合流场图；
图5是实施例中PDMS通道加工的流程图，a为硅基底，b为光刻胶，c为流道模板，d为PDMS与固化剂的混合物，UV为紫外线；
图6是实施例中ITO薄膜电极加工的流程图，e为ITO薄膜，f为电极模板；
图7是实施例中PDMS盖片与ITO基底的键合图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片作进一步说明。
实施例：下面结合图1至图7详细地说明本实施例。
本实施例所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片，包括玻璃基底1、PDMS盖片2、第一激发电极3、第二激发电极4、第三激发电极5、第四激发电极6、第一悬浮电极7和第二悬浮电极8；
所述第一激发电极3、第二激发电极4、第三激发电极5、第四激发电极6、第一悬浮电极7和第二悬浮电极8均为薄膜电极，并均设置在玻璃基底1的上表面；
所述PDMS盖片2的下表面上设置有第一流道9、第二流道10、第三流道11和混合流道12，所述混合流道12的流入端同时与第一流道9的流出端和第二流道10的流出端连接，所述混合流道12的流出端与第三流道11的流入端连接，所述第一流道9的流入端设置有第一流入槽13，所述第二流道10的流入端设置有第二流入槽14，所述第三流道11的流出端设置有流出通孔15；
所述第一流入槽13的底部设置有第一流入通孔，所述第二流入槽14的底部设置有第二流入通孔，所述第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔15均贯穿PDMS盖片2；
所述第一流入通孔的流入端和第二流入通孔的流入端分别接有第一金属连接器16和第二金属连接器17；
所述玻璃基底1的上表面与PDMS盖片2的下表面相对且密封设置，所述第一激发电极3的一端18和第二激发电极4的一端19均与混合流道12的一侧贴合，所述第三激发电极5的一端20和第四激发电极6的一端21均与混合流道12的另一侧贴合；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21相对设置，在两者之间设置第一悬浮电极7的一端22，所述第一悬浮电极7的一端22与两者的间距相等；
所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20相对设置，在两者之间设置第二悬浮电极8的一端23，所述第二悬浮电极8的一端23与两者的间距相等；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21的电势差等于所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20的电势差；
所述第一悬浮电极7的一端22与第二悬浮电极8的一端23的尺寸相同；
所述第一悬浮电极7的一端22的长度Lc为1000微米，宽度Wc为80微米，所述第一悬浮电极7的一端22与第二悬浮电极8的一端23的间距Gc为100微米；
所述混合流道12的长度L为2300微米，宽度W为180微米，高度为100微米；
所述第一激发电极3的一端18与第四激发电极6的一端21的间距和所述第二激发电极4的一端19与第三激发电极5的一端20的间距相同；
所述第一悬浮电极7的一端22与第三激发电极5的一端20的间距Gl为30微米；
所述第一激发电极3的一端18与第二激发电极4的一端19的间距Gd等于第三激发电极5的一端20与第四激发电极6的一端21的间距，所述间距Gd为140微米。
所述第一金属连接器16和第二金属连接器17的内径均为1毫米，所述流出通孔15的直径为6毫米；
所述薄膜电极的材质为ITO。
基于海姆霍兹-斯姆鲁乔斯基公式可以得到悬浮电极上电渗滑移的时均流速：
其中，<vs>为电渗滑移的时均流速，ε为溶液介电常数，η为溶液粘度，为诱导的电动电势，为金属表面电势，为双电层外侧电势，为电场强度复振幅，为电场切向分量复振幅，δ为扩散层与吸附层电容之比，n为法向量。
图3为混合流道与电极端部的尺寸图。图中的各项尺寸参数通过基于Comsol仿真优化得到。
本实施例所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片的制备方法按照以下步骤进行：
一、PDMS通道加工：
(1)、清洗硅基底：首先，采用清洗剂手洗硅基底。其次，将硅基底依次置于丙酮和异丙醇中分别超声清洗10分钟。再次，采用等离子水冲洗硅基底，并采用氮气吹干。最后，将吹干后的硅基底置于烘烤箱中，在80℃的温度下，加热15分钟。
(2)、光刻胶的平铺：首先，在硅基底的上表面涂覆一层光刻胶。其次，将硅基底放置在甩胶机上以1500r/s的速度旋转，直至光刻胶的厚度为100微米。最后，对硅基底进行前烘，将硅基底放置在60℃的热板上，将热板加热至95℃，以该温度加热硅基底1小时。所述光刻胶为SU-82050型号的负性光刻胶。
(3)、曝光：首先，将流道模板放置在光刻胶面上。其次，采用透光板将流道模板与光刻胶面压紧。最后，采用紫外线灯管对其进行曝光。
(4)、显影：首先，对曝光后的硅基底进行后烘，将硅基底放置在60℃的热板上，将热板加热至95℃，以该温度加热硅基底35分钟。其次，将冷却后的硅基底放置于SU-8显影液中显影10分钟。再次，对硅基底进行等离子水清洗、氮气吹干。最后，将硅基底置于烘烤箱中，在80℃的温度下，加热10分钟至20分钟，得到PDMS流道模子。
(5)、浇筑PDMS：首先，将PDMS与固化剂以10:1的质量比进行混合，并采用洁净的玻璃棒搅拌15分钟至20分钟，使其混合均匀。其次，采用真空泵对PDMS与固化剂的混合物抽真空30分钟，以消除混合物中的气泡。再次，对PDMS流道模子进行硅烷化处理，使PDMS流道模子的表面沉积一层硅烷。最后，在PDMS流道模子的硅烷面上浇筑PDMS与固化剂的混合物，并采用真空泵对其抽真空20分钟，以消除混合物中的气泡，在80℃的温度下，加热2小时，使其固化。
PDMS流道模子的表面的硅烷层用于避免PDMS流道模子与所述混合物粘连。
(6)、PDMS通道处理：首先，将固化后的PDMS从PDMS流道模子上缓缓揭下。其次，采用刀片将其切割为与玻璃基底相匹配的形状。最后，采用挖槽器和打孔器，设置第一流入槽、第二流入槽、第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔，得到PDMS盖片。
图5是PDMS通道加工的流程图。
二、ITO薄膜电极的加工：
(1)、清洗ITO基底：ITO基底包括玻璃基底和ITO薄膜，ITO基底的清洗方法与硅基底的清洗方法相同。
(2)、光刻胶的平铺：首先，在ITO薄膜上涂覆一层光刻胶。其次，将ITO基底放置在甩胶机上以3100r/s的速度旋转40秒。最后，对ITO基底进行软烘，将ITO基底放置在100℃的热板上，加热6分钟。
所述光刻胶为AZ4620型号的光刻胶。
(3)、曝光：将ITO基底放置在紫外线灯管下进行曝光。
(4)、显影：将曝光后的ITO基底放置于AZ显影液中，显影4分钟至5分钟。
(5)、腐蚀ITO薄膜：将显影后的ITO基底置于质量比为60％的盐酸溶液中，并加入氯化铁作为催化剂，浸泡40分钟，对ITO薄膜进行腐蚀。此过程中，经曝光固化的光刻胶层起到了保护ITO薄膜的作用，没有光刻胶覆盖的ITO薄膜被腐蚀掉。
(6)、去除光刻胶：完成ITO薄膜的腐蚀后，将ITO基底置于质量比为5％的NaOH溶液中浸泡，去除固化的光刻胶，得到ITO薄膜电极。
图6是ITO薄膜电极加工的流程图。
三、PDMS盖片与ITO基底的键合
首先，将PDMS盖片设置在ITO基底上，并将其放置在等离子机的腔室内，按照等离子机的使用步骤进行等离子化处理，使PDMS盖片与ITO基底密封设置，构成微混合芯片。
其次，取出微混合芯片，并在显微镜下，校准混合流道与薄膜电极的相对位置。
最后，完成校准后，用力按压几分钟，接着放置于烘烤箱中，在80℃的条件下，加热30分钟，得到微混合芯片。
图7是PDMS盖片与ITO基底的键合图。
本实施例所述的一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片的应用按照以下步骤进行：
一、颗粒的准备：
(1)、缓冲液的配制：向去离子水中加入氯化钾和氨水，配置出PH值为9.2、电导率为1mS/m缓冲液。
(2)、将缓冲液与荧光素粉混合，得到浓度为1.32×10-5mol/L的荧光素溶液。
(3)、首先，将无水乙醇与吐温溶液以9:1的体积比进行混合，得到A溶液(其主要作用是减少粒子在流道或者ITO基底表面粘结)。其次，将A溶液与缓冲液以1:99的体积比进行混合，得到B溶液。最后，将A溶液与荧光素溶液以1:99的体积比进行混合，得到C溶液。
二、实验操作：
(1)、打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、CCD以及荧光灯开关，观察设备运转是否正常，然后打开Q-Capture Pro图像采集软件，实时观察显微镜载物台。
(2)、首先，将等离子处理后的微混合芯片放置在显微镜的载物台上，调整芯片的位置与物镜的焦距。其次，经流出通孔向微混合芯片内部注入少量的B溶液，通过显微镜观察，确保微混合芯片内部的流道完全湿润。再次，将两个25微升的微量进样器固定在注射泵上，并分别吸入一定量的B溶液和C溶液。最后，通过金属连接器，使两个注射泵输出端口分别设置在第一流入通孔和第二流入通孔中。
(3)、首先，将第一激发电极、第二激发电极、第三激发电极、第四激发电极、第一悬浮电极和第二悬浮电极均与信号放大器相连。其次，将信号放大器与信号发生器相连。最后，调整信号发生器输出电压信号的幅值、相位和频率，以及注射泵的流量控制参数。
输出电压信号的幅值、相位和频率的最优值通过Comsol仿真优化得到。
(4)、启动注射泵，使B溶液和C溶液以给定的流速分别流入第一流道和第二流道，当混合流道内的流体流速稳定时，启动信号发生器。
(5)、通过显微镜观察混合流道，并再次调整微混合芯片的位置和物镜的焦距，直至观察到的荧光素粒子清晰，稳定度高时，进行视频的检测和录制。
(6)、重复实施(3)至(5)，不断调整电压、频率和流速，观察实验现象并记录。
(7)、实验数据的处理和分析。
图4是第一激发电极和第二激发电极上施加10Vpp电压，第三激发电极和第四激发电极接地，第一悬浮电极施加8Vpp电压，第二悬浮电极施加2Vpp电压，电压频率均为500Hz时，混合流道中，B溶液与C溶液的混合流场图。从图4中可以观察到，在混合流道的流出端，B溶液与C溶液实现了很好的混合。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.一种基于固定电势的感应电荷电渗的微混合芯片，所述芯片包括玻璃基底(1)和PDMS盖片(2)，所述玻璃基底(1)的上表面与PDMS盖片(2)的下表面相对且密封设置；
所述PDMS盖片(2)的下表面上设置有第一流道(9)、第二流道(10)、第三流道(11)和混合流道(12)，所述混合流道(12)的流入端同时与第一流道(9)的流出端和第二流道(10)的流出端连接，所述混合流道(12)的流出端与第三流道(11)的流入端连接，所述第一流道(9)的流入端设置有第一流入槽(13)，所述第二流道(10)的流入端设置有第二流入槽(14)，所述第三流道(11)的流出端设置有流出通孔(15)；
所述第一流入槽(13)的底部设置有第一流入通孔，所述第二流入槽(14)的底部设置有第二流入通孔，所述第一流入通孔、第二流入通孔和流出通孔(15)均贯穿PDMS盖片(2)；
其特征在于，所述芯片还包括第一激发电极(3)、第二激发电极(4)、第三激发电极(5)、第四激发电极(6)、第一悬浮电极(7)和第二悬浮电极(8)；
所述第一激发电极(3)、第二激发电极(4)、第三激发电极(5)、第四激发电极(6)、第一悬浮电极(7)和第二悬浮电极(8)均为薄膜电极，并均设置在玻璃基底(1)的上表面；
所述第一流入通孔的流入端和第二流入通孔的流入端分别接有第一金属连接器(16)和第二金属连接器(17)；
所述第一激发电极(3)的一端(18)和第二激发电极(4)的一端(19)均与混合流道(12)的一侧贴合，所述第三激发电极(5)的一端(20)和第四激发电极(6)的一端(21)均与混合流道(12)的另一侧贴合；
所述第一激发电极(3)的一端(18)与第四激发电极(6)的一端(21)相对设置，在两者之间设置第一悬浮电极(7)的一端(22)，所述第一悬浮电极(7)的一端(22)与两者的间距相等；
所述第二激发电极(4)的一端(19)与第三激发电极(5)的一端(20)相对设置，在两者之间设置第二悬浮电极(8)的一端(23)，所述第二悬浮电极(8)的一端(23)与两者的间距相等；
所述第一激发电极(3)的一端(18)与第四激发电极(6)的一端(21)的电势差等于所述第二激发电极(4)的一端(19)与第三激发电极(5)的一端(20)的电势差。
2.如权利要求1所述的微混合芯片，其特征在于，所述第一悬浮电极(7)的一端(22)与第二悬浮电极(8)的一端(23)的尺寸相同；
所述第一悬浮电极(7)的一端(22)的长度Lc为1000微米，宽度Wc为80微米，所述第一悬浮电极(7)的一端(22)与第二悬浮电极(8)的一端(23)的间距Gc为100微米；
所述混合流道(12)的长度L为2300微米，宽度W为180微米，高度为100微米；
所述第一激发电极(3)的一端(18)与第四激发电极(6)的一端(21)的间距和所述第二激发电极(4)的一端(19)与第三激发电极(5)的一端(20)的间距相同；
所述第一悬浮电极(7)的一端(22)与第三激发电极(5)的一端(20)的间距Gl为30微米；
所述第一激发电极(3)的一端(18)与第二激发电极(4)的一端(19)的间距Gd等于第三激发电极(5)的一端(20)与第四激发电极(6)的一端(21)的间距，所述间距Gd为140微米。
3.如权利要求2所述的微混合芯片，其特征在于，所述第一金属连接器(16)和第二金属连接器(17)的内径均为1毫米，所述流出通孔(15)的直径为6毫米。
4.如权利要求1所述的微混合芯片，其特征在于，所述薄膜电极的材质为ITO。
5.如权利要求1所述的微混合芯片，其特征在于，所述薄膜电极的材质为金属。
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