一種微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及微流控技術應用領域，公開了一種微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)。本實用新型中的微流控器件包含依次疊放的頂基板、涂覆有上疏水層的上電極層、涂覆有下疏水層的絕緣層、下電極層、下基板；通過將上電極層電極懸空或者接地，使得器件處于非加熱或者加熱模式，使得微流控器件可以進行加熱，為微流控器件整體工作溫度穩(wěn)定在測試溫度創(chuàng)造必要的前提條件。進一步地，通過帶有加熱功能的微流控器件，能夠提供及檢測基于以等溫DNA擴增技術測試方法所需要的溫度范圍，為在AM-EWOD數(shù)字微流控技術芯片平臺上進行基于等溫DNA擴增技術測試方法創(chuàng)造了前提條件。
【專利說明】
一種微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及微流控技術應用領域，尤其涉及一種微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]微流控技術提供了單分子核酸檢測方法的多種實現(xiàn)平臺，通過微機械加工技術把生化樣品的分析操作集成在幾平方厘米的芯片上，它也因此被通俗地稱為芯片實驗室(Lab-on-Chip，簡稱“L0C”)。體積微小的芯片，不僅極大地降低了分析成本，而且檢測時間短，靈敏度高，便于攜帶，引領著生化分析儀器向智能化和微型化的方向發(fā)展。在此概念下，為了能夠控制微量流體的流動，以便執(zhí)行樣品的制備、反應、分離和檢測等操作，微流控芯片技術逐漸為人所熟知，特別是基于有源矩陣的可編程-介電濕潤機理(Active Matrix-Electro Wetting on Dielectric，簡稱“AM-EWOD”)數(shù)字微流控技術芯片用于將不同化學成分的液滴進行組合來進行化學或生物化學反應已成為新的熱點。AM-EWOD是指通過施加電壓來控制單個液滴的一項微流技術，在實用芯片上的功能主要集中在對液體樣品的分配、輸運、混合、提取、分離等多種處理。由于具有相對簡單、較好的可控性及驅動能力，被認為是LOC應用中最可行，最具發(fā)展前景的技術。
[0003]具體而言，AM-EWOD的平臺搭建是將液晶顯示器中的薄膜晶體管(Thin FilmTransistor，簡稱“TFT”)技術應用于EWOD器件中，TFT層形成二維開關矩陣，控制與其連通的驅動電極陣列是否施加電壓。由于每個TFT可單獨尋址，很容易實現(xiàn)微液滴電極單元的獨立控制，從而實現(xiàn)大規(guī)模陣列化數(shù)字微流控芯片的設計。這種電極陣列內部集成了微阻抗傳感器，可以實時監(jiān)測液滴的運動狀態(tài)。
[0004]基于等溫DNA擴增技術的檢測方法是目前用來進行臨床病菌檢測的理想手段，其中重組酶聚合酶擴增(Recombinase Polymerase Amplificat1nJ|^:^“RPA”)法是一種常溫下的單分子核酸檢測方法，RPA靈敏度高，對溫度及設備要求低，而且檢測結果能實時快速顯示，特別適合用于病菌特別是抗生素耐藥性病菌的檢測。但是基于等溫DNA擴增技術的檢測方法需要測試平臺的溫度穩(wěn)定地保持在一定的溫度范圍內，如進行RPA檢測時需要穩(wěn)定在39攝氏度左右，而目前常規(guī)的基于AM-EWOD微流控器件尚不能提供這一溫度保持功能，所以RPA無法使用基于AM-EWOD的微流控器件平臺來進行化學及生物檢測，不能發(fā)揮以RPA為代表的基于等溫DNA擴增技術方法快速高效方便等的優(yōu)點。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)，使得基于AM-EWOD的微流控器件和液滴檢測系統(tǒng)能夠提供測試所需要的溫度范圍，從而使得基于等溫DNA擴增技術的檢測方法可以使用AM-EWOD數(shù)字微流控技術進行化學及生物檢測。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型的實施方式提供了一種微流控器件，包含依次疊放的頂基板、涂覆有上疏水層的上電極層、涂覆有下疏水層的絕緣層、下電極層、下基板；
[0007]所述上電極層的外圍設有低電阻接觸區(qū);所述接觸區(qū)一端連接用于進行介電濕潤驅動的交流電信號，另一端連接用于切換加熱模式的低電阻控制開關;其中，所述低電阻開關懸空時為非加熱模式;所述低電阻開關接地時為加熱模式。
[0008]本實用新型的相應地提供了一種液滴檢測系統(tǒng)，包括:由上述微流控器件組成的有源陣列、液滴輸入?yún)^(qū)、輸入貯液區(qū)、行驅動器、列驅動器和溫度傳感器;其中:輸入貯液區(qū)位于液滴輸入?yún)^(qū)和有源陣列之間，輸入貯液區(qū)包含若干個儲區(qū)電極且與有源陣列的上疏水層與下疏水層之間的間隙相連通;行驅動器和列驅動器分別沿橫向和縱向緊靠于有源陣列內側且行驅動器和列驅動器中的電極分別與有源陣列的上電極層的電極連接。
[0009]本實用新型實施方式相對于現(xiàn)有技術而言，上電極層外圍的低電阻接觸區(qū)連接了低電阻控制開關，除了作為現(xiàn)在技術中參考電極的功能以外，還可以通過該低電阻控制開關控制上電極層的電極進行加熱，為微流控器件整體工作溫度穩(wěn)定在測試溫度創(chuàng)造必要的前提條件。進一步地，通過帶有加熱功能的微流控器件，能夠提供及檢測基于以等溫DNA擴增技術測試方法所需要的溫度范圍，為在AM-EWOD數(shù)字微流控技術芯片平臺上進行基于等溫DNA擴增技術測試方法創(chuàng)造了前提條件。
[0010]另外，所述微流控器件還包含一用于控制所述加熱溫度的比例積分微分控制電路;所述比例積分微分控制電路的輸出端連接所述低電阻控制開關。采用比例積分微分控制電路可以進行精確的溫度控制。
[0011]另外，所述頂基板上還設有熱敏電阻；所述熱敏電阻連接至所述比例積分微分控制電路。采用熱敏電阻檢測溫度，進行溫度反饋，進一步進行精確的溫度控制。
[0012]另外，所述上疏水層和所述下疏水層之間設有一個溫差電偶;所述溫差電偶連接所述比例積分微分控制電路。采用溫差電偶可以確保器件在指定溫度上的精度。
[0013]另外，所述頂基板上還設有熱敏覆蓋層;所述熱敏覆蓋層連接所述比例積分微分控制電路。采用熱敏覆蓋層可以檢查器件溫度的精度及器件整體是否保持同一工作溫度。
[0014]另外，所述上疏水層和所述下疏水層之間還設有至少一個間隔器，調節(jié)上下層之間的合適間隙，以便于容納大小合適的液滴。
[0015]另外，所述低電阻接觸區(qū)為涂覆在所述上電極層的金屬層，可以增加一定的導電性。
[0016]另外，所述上疏水層和所述下疏水層填充非離子液體，占據(jù)板間液滴未占據(jù)的空間，且便于液滴快速移動。
[0017]另外，上述非離子液體是油，成本低，防止液滴揮發(fā)。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型第一實施方式的微流控器件剖面示意圖；
[0019]圖2是本實用新型第二實施方式的液滴檢測系統(tǒng)結構圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本實用新型各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節(jié)。但是，即使沒有這些技術細節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權利要求所要求保護的技術方案。
[0021]本實用新型的第一實施方式涉及一種微流控器件的剖面示意圖。如圖1所示，該微流控器件包含頂基板1、涂覆有上疏水層3的上電極層2、涂覆有下疏水層6的絕緣層7、下電極層9、薄膜電子器件10、下基板11。其中，頂基板I位于上導電層2的上方;上疏水層3涂覆在上電極層2下方;下疏水層6涂覆在絕緣層7的上方;下電極層9位于絕緣層7下方;下電極層9和下基板11之間布置有薄膜電子器件10;下電極層設有圖案化極陣列電極8。
[0022]在本實施方式中，上電極層的外圍設有低電阻接觸區(qū)。該接觸區(qū)一端連接用于進行介電濕潤驅動的交流電信號，另一端連接用于切換加熱模式的低電阻控制開關;其中，低電阻開關懸空時為非加熱模式;低電阻開關接地時為加熱模式。
[0023]具體地說，通過低電阻開關懸空，上電極層2作為參考電極，器件處于非加熱狀態(tài)，使得在傳播路徑上的相鄰兩個電極8之間加上交替變換的交流電壓，激勵工作電壓20V，使液滴5在不同的電壓的電極8上浸潤程度不同，通過表面張力的作用驅動液滴5在多個電極8間的高速運動，實現(xiàn)不同化學成分的液滴5進行高速組合進行生物化學反應。
[0024]當?shù)碗娮栝_關接地，器件處于加熱狀態(tài)，整個上電極層2的阻抗約為100歐姆，產(chǎn)生大約4瓦特的功率，使整個器件達到約39攝氏度的常溫。在加熱過程中，可以采用比例積分微分(PID)控制電路控制加熱溫度，比例積分微分控制電路的輸出端連接低電阻控制開關，控制其開合，閉合時使得低電阻開關接地。為了控制加熱溫度，PID控制電路需要從外部獲得一個溫度反饋，本實施方式在頂基板上還設有熱敏電阻；該熱敏電阻連接至比例積分微分控制電路，實時反饋器件溫度，使得PID控制電路能進行精確的溫度控制。
[0025]此外，值得一提的是，為了保證器件所需要溫度的精準度，本實施方式還在上疏水層5和下疏水層6之間設有一個溫差電偶，該溫差電偶連接PID控制電路，向PID控制電路反饋器件溫度。此外，還可以在頂基板I上加一層如英國LCR Hallcrest公司生產(chǎn)的熱敏覆蓋層，用于檢查溫度的精準度及整個器件中是否都保持同一溫度，確保整個微流控器件穩(wěn)定工作在RPA所要求的約39攝氏度的常溫溫度，為進行RPA測試方法創(chuàng)造了必要的前提條件。
[0026]本實施方式中薄膜電子器件可以是薄膜晶體管(ThinFilm Transistor，簡稱“TFT” )，上疏水層3和下疏水層6還有至少一個間隔器12，使上疏水層3和下疏水層6之間保持大小合適的間隙，以便于容納大小合適的液滴5。上電極層2和下電極層9中的電極8可以是由氧化銦錫等材料制成的。上疏水層3和下疏水層6是由聚四氟乙烯材料制成的，也可以是Tef 1n AF或是Cytop等其他疏水材料制成的，在此不做限定。上電極層2中的低電阻接觸區(qū)可以是涂覆在上電極層的金屬層(比如，鋁層)或其他導電性能高的材料的涂層，在此不作限定。
[0027]上疏水層3和下疏水層6之間還可以填充非離子液體，本實施方式中，該非離子液體是油，占據(jù)板間液滴未占據(jù)的空間，便于液滴5快速移動，同時防止液滴5揮發(fā)。
[0028]與現(xiàn)有技術相比，本實施方式中上電極層的電極連接了低電阻控制開關，除了作為現(xiàn)在技術中參考電極的功能以外，還可以通過該低電阻控制開關控制上電極層的電極進行加熱，為微流控器件整體工作溫度穩(wěn)定在測試溫度創(chuàng)造必要的前提條件。
[0029]本實用新型的第二實施方式涉及一種液滴檢測系統(tǒng)，該液滴檢測系統(tǒng)結構圖如圖2所示，包括由第一實施方式中的微流控器件組成的有源陣列21、液滴輸入?yún)^(qū)22、輸入貯液區(qū)23、行驅動器24、列驅動器25和溫度傳感器26。
[0030]本實施方式中的有源陣列21是由96X 175個TFT電路元件組成，每個TFT電路元件連接的電極大小尺寸為200μηι X 200μηι，電極之間的空隙是ΙΟμπι，整個陣列大小尺寸為7.37cm2ο
[0031]需要測試的液滴先從液滴輸入?yún)^(qū)22滴入，然后在輸入貯液區(qū)23分配成大小數(shù)量合適的測試子液滴;輸入貯液區(qū)23大小為3mm X 9mm，輸入貯液區(qū)23內有7個儲區(qū)電極，通過控制儲區(qū)電極的開閉及在垂直方向激勵陣列21，可以將滴入液滴輸入?yún)^(qū)22的液滴分配成約270至750nl容積大小，尺寸為210μπι、間隔為125μπι的測試子液滴，儲區(qū)電極進一步能驅動子液滴進入陣列21進行測試。
[0032]行驅動器24和列驅動器25分別沿橫向和縱向緊靠于陣列21內側且行驅動器24和列驅動器25中的電極分別與陣列21的電極連通;對行驅動器24和列驅動器25輸入時序數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)控制陣列21來完成整個測試過程。在本實施方式中的行驅動器24包含六個電極，列驅動器25包含三個電極，和陣列21中的圖案化陣列電極一樣也是集成在陣列21中的下基板之上，并受TFT電路控制。
[0033]本實施方式中的液滴檢測系統(tǒng)也可以包含一個電平轉換器，解決不同工作電壓的電路相互通信中，兩種電平轉換的問題，該電平轉換器也集成在陣列21中的下基板之上。
[0034]陣列21是由微流控器件組成的，通過控制微流控器件可以使整個陣列21的工作環(huán)境溫度達到適合測試方法的指定溫度。溫度傳感器26可以感測整個液滴檢測系統(tǒng)的工作溫度，使整個液滴檢測系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的測試溫度，為在AM-EWOD數(shù)字微流控技術LOC芯片平臺上進行以RPA為代表的基于等溫DNA擴增技術測試方法創(chuàng)造了前提條件。
[0035]在RPA檢測中，雖然只需要液滴的形成、移動、混合和溫度維持，但還需要檢測液滴的形成、移動、混合是否成功。在本實施方式中，實時檢測液滴的位置，可以通過檢測上下兩個電極之間的電容來實現(xiàn)，并且可以實時成像以便實驗人員進行觀察。具體地說，每個陣列元素也具有用于測量電容的傳感器功能。模擬傳感器被用于檢測在電極位置是否存在液滴，并設有行尋址和列讀放大器用于將測量得到的傳感器數(shù)據(jù)作為串行化電壓信號輸出，因此，能夠生成表示液滴的尺寸以及在陣列上的位置的傳感器圖像。液滴可以占用一個或多個電極，對所得到的傳感器圖像進行圖像處理可以測量液滴的尺寸。由于驅動圖案每秒可重寫50次，并且可以在每秒得到30個傳感器圖像，因此采用該傳感器可以實現(xiàn)液滴的尺寸和位置的實時反饋。
[0036]本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現(xiàn)本實用新型的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本實用新型的精神和范圍。
【主權項】
1.一種微流控器件，包括依次疊放的頂基板、涂覆有上疏水層的上電極層、涂覆有下疏水層的絕緣層、下電極層、下基板;其特征在于，所述上電極層的外圍設有低電阻接觸區(qū)；所述接觸區(qū)一端連接用于進行介電濕潤驅動的交流電信號，另一端連接用于切換加熱模式的低電阻控制開關； 其中，所述低電阻開關懸空時為非加熱模式;所述低電阻開關接地時為加熱模式。2.根據(jù)權利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述微流控器件還包含一用于控制所述加熱溫度的比例積分微分控制電路； 所述比例積分微分控制電路的輸出端連接所述低電阻控制開關。3.根據(jù)權利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述頂基板上還設有熱敏電阻；所述熱敏電阻連接至所述比例積分微分控制電路。4.根據(jù)權利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水層和所述下疏水層之間設有一個溫差電偶； 所述溫差電偶連接所述比例積分微分控制電路。5.根據(jù)權利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述頂基板上還設有熱敏覆蓋層； 所述熱敏覆蓋層連接所述比例積分微分控制電路。6.根據(jù)權利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水層和所述下疏水層之間還設有至少一個間隔器。7.根據(jù)權利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述低電阻接觸區(qū)為涂覆在所述上電極層的金屬層。8.根據(jù)權利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水層和所述下疏水層之間填充非尚子液體。9.根據(jù)權利要求8所述的微流控器件，其特征在于，所述非離子液體是油。10.—種液滴檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括:由如權利要求1至9任意一項所述的微流控器件組成的有源陣列、液滴輸入?yún)^(qū)、輸入貯液區(qū)、行驅動器、列驅動器;其中:輸入貯液區(qū)位于液滴輸入?yún)^(qū)和有源陣列之間，輸入貯液區(qū)包含若干個儲區(qū)電極且與有源陣列的上疏水層與下疏水層之間的間隙相連通； 行驅動器和列驅動器分別沿橫向和縱向緊靠于有源陣列內側且行驅動器和列驅動器中的電極分別與有源陣列的上電極層的電極電連接。
【文檔編號】C12M1/34GK205528801SQ201620095579
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月31日
【發(fā)明人】榮國光
【申請人】蘇州博爾達生物科技有限公司