[发明专利]基于介质上电润湿效应的数字微流控器件及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种数字微流控器件及其控制方法。

背景技术

过去十年以来，“芯片上实验室”(Lab-on-a-chip)的概念得到了飞速的发展和实现，它是利用微加工和集成技术结合各种分析检测原理而实现的微型分析仪器，具有体积小、功耗低、灵敏度高、便携等优势，可以广泛应用于生物、医学和化学检测，在国家安全、免疫检测、环境保护、食品卫生、基因筛选、疾病诊断等领域均有应用潜力。

无论其分析检测的对象如何，“芯片上实验室”的结构构成从功能上分，均由“样本处理”(如样本输入、混合、反应、分离等)和“样本检测”两个基本模块组成，即“微流控”和“传感器”功能的集成。

从流动形式来看，微流控技术分为两种：

(1)连续微流控技术。

这种技术主要完成流体的输送功能，即微泵的功能，要实现分析检测所需的功能仍需要其他微器件，如微流道、微阀、微混合器等。

早期采用类似于传统流体驱动方式，即由封闭的微流道、微机械泵和微阀等微器件组成、利用液压差连续流体驱动系统。这种连续流动系统控制容易，微设计加工技术相对成熟，由于具有可动的微机械部件，系统在可靠性、加工成本、封装的复杂性及能效方面仍存在很大的挑战，同时由于所需驱动力，即液压差与器件横向尺寸的二次方成反比，随着微流道截面尺寸的减小，液压差可能会变得过大而使得液压输运变为一种不现实的模式。

因而，研究人员探索其它更适合微流道的驱动方式，特别是流体在电场作用下受到动电力(Electrokinetic force)的驱动，如电泳驱动、电渗驱动和电湿润驱动等[3]。其中，电泳驱动、电渗驱动研究和应用较为成熟和广泛，国际国内均有很多报道及产品。但是它们通常需要极高的驱动电压(几百伏特)，功耗大，发热易于破坏样本，且不利于实现IC集成和微小型化，或是受到输送样本类型的限制(如必须导电等)。而利用电湿润效应的新型驱动方式则越来越受到重视，它不需要微流道(继而也消除了于微流道相关联的边界及泄漏问题)，而是利用微小尺度下迅速增加的表面效应实现的一种离散的液滴驱动方式。

(2)离散液滴微流控技术

这是一种利用表面张力作为微量流体液滴的驱动力，由表面张力梯度来改变液滴在器件表面的湿润性(wettability)而实现的微流控技术。改变液滴在器件表面的湿润性的技术有很多方式，如热毛细管效应、电化学梯度、非对称表面结构、光化学效应、介质电泳效应、介质上的电湿润效应(electro-wetting-on-dielectrics-EWOD)等，它们共同的优势在于不需要任何可动器件即可实现微流控，除产生液滴的功能之外，微流控芯片还具有分析测试时样本处理所需的输送、混合、分离等多个功能。其中，基于介质上电湿润效应的微流控技术，被视为最具潜力的方案。它所需工作电压低，因而功耗小，适合应用于多种流体样本的处理，包括人体所有体液，如血液、血浆、血清、尿液、唾液、汗和泪液，甚至汽雾剂和爆炸物颗粒。同时，它还具有如下特点：

(1)优秀的液滴控制能力和控制柔性，即通过改编软件即可实现液滴流动路径及上述各功能的转换；

(2)样本液滴体积控制精确，给检测提供了稳定的基本条件；

(3)结构和制作工艺相对简单，易于实现和其他微流控器件及IC控制电路的集成。

常规的数字微流控系统的构成如图1所示。液滴的驱动压力差为：