CN109806803B - 一种具有电润湿阀门的微流体混合装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电润湿阈门的微流体混合装置及其控制方法，通过在亲水微流通道中设置电润湿阀门来实现微流体的混合控制。当液体流到疏水电极时，由于介质层和PDMS微柱阵列的共同作用，液体将在疏水电极边缘停止流动。此时若加载很低的电压，疏水电极由于电润湿的作用而转变为亲水状态，微流体就可以实现混合。该装置中的微流通道是亲水性的，所以在其中流动的液体可以由毛细力的作用自动流动而不需要借助外力。本发明的优点在于不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构。具有电润湿阀门的微流体混合装置在化学分析、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种具有电润湿阀门的微流体混合装置及其控制方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种具有电润湿阀门的微流体混合装置及其控制方法。

背景技术

微全分析系统的目标是借助微机电加工（MEMS）技术与生物技术实现生化分析系统从式样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点，并以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、临床诊断、药物分析等领域显示了良好的应用前景，各种新的微流控芯片制备和检测技术层出不穷。

微流控芯片运用于生化各领域时，微混合器是其重要的组成部分。微量液体的混合使实现临床生化反应的重要步骤。由于微量元素成分和质量的严格要求，许多定量分析的微型生化分析中的液体需要微升、纳升级的控制，传统的混合方式已经很难达到这种需求，相应地，基于微流控芯片的混合系统研究作为一个全新领域获得了长足发展。目前对于微流体的混合系统包括静态型与动态型两种。前者依靠液体自身的相互扩散，后者通过外力加速微流体的流动。

这些混合器普遍加工技术复杂、操作繁琐。因此如何提供一种具有装配简单、制造方便的微流控混合器，从而有效控制微流体在管道内的混合，以实现芯片的功能，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有电润湿阀门的微流体混合装置及其控制方法，可以实现微流体的自动混合控制。

本发明的技术解决方案为：一种具有电润湿阀门的微流体混合装置，利用亲水微流通道与电润湿阀门相结合，通过毛细现象与电润湿原理，实现了对微流体混合的控制。

所述具有电润湿阀门的微流体混合装置，包括上基板、下基板、介质层、第一电极、电源、开关、第二电极和两组微柱阵列；上基板底面开有一个长条形的凹槽，两组微柱阵列沿长条形的凹槽的中心轴线对称设置在长条形的凹槽内，并将长条形的凹槽分为三条长条形的通道，上基板固定下基板的顶面，两者之间的三条长条形的通道为密封通道，第一电极铺满位于中间的长条形的通道，并固定在下基板上，第一电极顶面涂覆有介质层，第二电极设置在位于两侧的长条形的通道中任意一条的一端，第二电极和第一电极连接在电源两端，并通过开关控制通断电，上基板上设有两个通孔分别与位于两侧的长条形的通道端部相通，。

第一电极在涂覆介质层后为疏水表面，介质层的材料选用高介电常数的疏水材料。

一种基于具有电润湿阀门的微流体混合装置的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、将待混合的第一液体和第二液体置入两个通孔内，由于毛细力的作用，第一液体和第二液体自动沿着长条形的通道移动至第一电极的两侧停止；

步骤2、当第一电极和第二电极之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极变为亲水表面，使第一液体和第二液体自两组微柱阵列之间的空隙流入中间的长条形通道上，顺利混合。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构，并且减小了微流控装置的整体体积。

（2）本装置结构简单，只有上、下两个基板。

（3）利用很小的电压就能实现对液体混合的控制，不仅供电简便，而且节约能源。

附图说明

图1是本发明一种具有电润湿阀门的微流体混合装置的俯视图，其中图（a）是两种微流体在微通道中运动阶段，图（b）是两种液体流至电极两端，图（c）是两种液体完成混合。

图2是一种具有电润湿阀门的微流体混合装置的A-A’剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

将待混合的第一液体7和第二液体8置入两个通孔内，由于毛细力的作用，第一液体7和第二液体8自动沿着长条形的通道移动至第一电极5的两侧停止。当第一电极5和第二电极6之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极变为亲水表面，使第一液体7和第二液体8自两组微柱阵列2之间的空隙流入中间的长条形通道上，顺利混合，从而实现了微流体的自发流动和混合控制。

本发明实现了微流体的自发流动与混合控制，不需要额外的输液泵，对微流控器件的小型化、简便化方面具有重要意义。

结合图1和图2，具有电润湿阀门的微流体混合装置，包括上基板1、下基板3、介质层4、第一电极5、电源、开关、第二电极6和两组微柱阵列2；

上基板1底面开有一个长条形的凹槽，两组微柱阵列2沿长条形的凹槽的中心轴线对称设置在长条形的凹槽内，并将长条形的凹槽分为三条长条形的通道，上基板1固定下基板3的顶面，两者之间的三条长条形的通道为密封通道，第一电极5铺满位于中间的长条形的通道，并固定在下基板3上，第一电极5顶面涂覆有介质层4，所述介质层4应选用疏水材料，如PDMS，这是实现为混合器功能的关键，第二电极6设置在位于两侧的长条形的通道中任意一条的一端，第二电极6和第一电极5连接在电源两端，并通过开关控制通断电，上基板1上设有两个通孔分别与位于两侧的长条形的通道端部相通，。

上基板1和微柱阵列2均为聚合物材料，聚合物材料可采用PDMS。下基板3为玻璃基底。微柱阵列2由若干个间隔排列的圆柱构成。

电源电压小于15V 。

具有电润湿阀门的微流体混合装置的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、将所要混合的第一液体7和第二液体8置入两个圆形凹槽内，由于毛细力的作用，第一液体7和第二液体8自动沿着微流通道移动至第一电极5的两侧停止。

步骤2、当第一电极5和第二电极6之间接入很小的电压时，由于电润湿的作用，第一电极5变为亲水表面，使第一液体7和第二液体8顺利混合成为混合液体9。

本发明所述具有点润湿阀门的微流体混合装置的制作工艺如下：

1、利用软光刻的方法制备上基板1和两组微柱阵列2，材料选用PDMS。

2、利用金属镀膜和湿法刻蚀的方法在下基板3上制作第一电极5和第二电极6，电极材料可选用铜、铝或金等。

3、在第一电极5上修饰疏水层4，疏水层4的材料可选用PDMS，全氟十二烷硫醇等。

4、上基板1和两组微柱阵列2经过等离子体处理后，经过按压与下基板3结合形成微通道。

本发明的优点在于不需要额外的输液泵，简化了微流控装置结构。具有电润湿阀门的微流体混合装置在化学分析、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：利用亲水微流通道与电润湿阀门相结合，通过毛细现象与电润湿原理，实现了对微流体混合的控制；

所述具有电润湿阀 门的微流体混合装置，其特征在于：包括上基板（1）、下基板（3）、介质层（4）、第一电极（5）、电源、开关、第二电极（6）和两组微柱阵列（2）；上基板（1）底面开有一个长条形的凹槽，两组微柱阵列（2）沿长条形的凹槽的中心轴线对称设置在长条形的凹槽内，并将长条形的凹槽分为三条长条形的通道，上基板（1）固定下基板（3）的顶面，两者之间的三条长条形的通道为密封通道，第一电极（5）铺满位于中间的长条形的通道，并固定在下基板（3）上，第一电极（5）顶面涂覆有介质层（4），第二电极（6）设置在位于两侧的长条形的通道中任意一条的一端，第二电极（6）和第一电极（5）连接在电源两端，并通过开关控制通断电，上基板（1）上设有两个通孔分别与位于两侧的长条形的通道端部相通。

2.根据权利要求1所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：上基板（1）和微柱阵列（2）均为聚合物材料，下基板（3）为玻璃基底。

3.根据权利要求2所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：聚合物材料采用PDMS。

4.根据权利要求1所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：第一电极（5）在涂覆介质层（4）后为疏水表面，介质层（4）的材料选用高介电常数的疏水材料。

5.根据权利要求4所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：介质层（4）采用PDMS。

6.根据权利要求1所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：微柱阵列（2）由若干个间隔排列的圆柱构成。

7.根据权利要求1所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置，其特征在于：电源电压小于15V 。

8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的具有电润湿阀门的微流体混合装置的控制方法，其特征在于：方法步骤如下：

步骤1、将待混合的第一液体（7）和第二液体（8）置入两个通孔内，由于毛细力的作用，第一液体（7）和第二液体（8）自动沿着长条形的通道移动至第一电极（5）的两侧停止；

步骤2、当第一电极（5）和第二电极（6）之间的开关闭合后，由于电润湿的作用，第一电极（5）变为亲水表面，使第一液体（7）和第二液体（8）自两组微柱阵列（2）之间的空隙流入中间的长条形通道上，顺利混合。

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