[发明专利]一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化化学生物仪器技术领域，具体涉及一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法。

背景技术

目前，传统的二维数字微流体技术需要通过将液滴置于上下两个控制极板之间，加电压，使液滴在两极板之间运动，这种控制芯片，由于需要上下两层，使液滴夹在中间，使得系统复杂度较高，液滴运动阻力较大，且液滴不具备聚光效果。我们之前申请的一项透明单平面单极性数字微流体芯片专利（公开号CN102350380A），公开了一种单平面二维双层芯片的实现方法，上述芯片属于通用芯片，功能较多，但是结构也非常复杂。而在实际应用中，往往只需要一种单一功能，但是简单易行，可靠性高的专用芯片，所以设计一种结构简单，成本低廉，功能转换简便的专用芯片是非常重要的。

化学试剂的自动混合反应对于便携式或自动化的化学分析和生物检测仪器是非常重要的。传统的液滴混合方法（参见专利《自动混合液体输送装置》专利号：200820214694）需要使用密闭的水管、混合腔体以及压缩空气管或者液体泵之类的动力装置，这些方法由于使用了大量的机械组件，体积庞大，不适合用于便携式仪器。而传统的基于电湿润原理的基于电润湿数字微流体芯片的液滴混合单元（公开号CN102836653A），其控制方法需要上下两层芯片，反应液滴被夹在中间，系统结构复杂，且滴加反应试剂困难，亦不适合便携式仪器使用。

因此，如何设计一种可用于便携式仪器，结构简单、成本低廉的液滴自动混合芯片，对于便携式自动化化学分析仪或生物检测仪器具有重要的意义。 

发明内容

 本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，便于滴加反应试剂的新型单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法，以克服现有技术中的不足。

本发明采用基于电湿润原理的芯片方案进行液滴的混合，体积小巧，可靠性高，以摆脱传统机械式或水泵式的液滴混合装置所带来的体积庞大，机械部件易损耗，成本高的缺点。

本发明使用单平面的电湿润芯片设计方法，用以摆脱最常用的双层电湿润芯片结构复杂，试剂滴加困难的缺点。

为了应用于试剂自动混合和反应，本发明创新性的对已有的单平面二维双层电湿润芯片进行了巧妙的改进，改变传统的“井”字形双层条状电极，提出单电极液滴驱动方法，由此设计出只有单层结构的，呈放射状分布的控制电极，以简易高效的实现化学试剂的自动混合与反应。 

除了创新的单层放射状控制电极结构，本发明的另一大创新点在于其特殊的单电极液滴驱动方法。目前国际上的基于电湿润原理的芯片，在驱动液滴运动时，均至少需要两个电极才能控制液滴运动。本发明首次发现利用仅将电源的信号端引入芯片中，接地端悬空，即仅在芯片上的一个电极加电，其余电极保持悬空，亦能顺利驱动液滴运动，只是驱动电压会略为升高。我们可以称之为单极性现象，该原理与电容式触摸传感器原理类似，均利用了空气耦合接地的原理形成回路。这种创新的单电极控制方式可以极大的简化外围电路和系统结构的设计。当然，在本发明的芯片结构中，当一个电极加电，其余电极不悬空，改为直接接地，本芯片亦能正常工作，顺利驱动液滴运动，只是外围电路需要加入接地控制器。

本发明提供的单平面液滴自动混合芯片，用于自动化地进行试剂混合并进行生物或化学反应，包括：电路相连的用于控制试剂进行混合的一液滴混合区，和用于引入液滴控制电压的一信号输入区两大部分，其中： 

所述液滴混合区由呈放射状分布的控制电极构成，相邻的控制电极间有缝隙相间隔；液滴可以从放射状外圈的各个控制电极上向放射状中心的控制电极运动，各个液滴运动到放射状中心的控制电极上时，进行混合并产生生物或化学反应；

所述液滴运动采用单电极控制方式，液滴仅受与液滴相邻且靠近所述放射状中心一侧的唯一的一控制电极的吸引力所吸引，所述单电极控制方式用以提高芯片液滴控制的灵活性，并极大的降低外围电路的复杂度；

所述信号输入区由与所述液滴混合区中的各个控制电极分别相连的方形引线电极构成，所述液滴控制电压依次施加在某个液滴所涉及的引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地；

所述控制电极和所述引线电极之间通过导电材料进行连接；

所述控制电极和所述引线电极由导电材料构成，并位于一绝缘基板的上表面。

本发明中，有一绝缘介质层覆盖在所述控制电极和所述引线电极上，以实现电学的隔离。

本发明中，有一疏水层覆盖在所述绝缘介质层的表面，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压；所述疏水层由特氟龙材料构成。