一種基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于介質(zhì)層上電潤濕原理的微流控技術(shù)及液體的電解過程，具體涉及一種基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件。
【背景技術(shù)】
[0002]芯片實驗室可簡單定義為能夠完成生物化學處理的各個過程、能自動完成傳統(tǒng)實驗室功能的微小化、集成化微電子機械系統(tǒng)，其目標是在單個器件上集成完全的分析過程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等優(yōu)點，在生物、化學等許多領(lǐng)域具有非常好的前景。
[0003]作為芯片實驗室的動力部分，微流控技術(shù)起著重要作用。介質(zhì)上電潤濕技術(shù)通過電壓改變液滴在介質(zhì)表面的潤濕性能以對液滴進行操控，具有驅(qū)動方式簡單、驅(qū)動力強、自動化程度高等許多優(yōu)點，但存在功能單一、集成度低等不足。
[0004]電解在生物、化學等諸多領(lǐng)域中均為常用技術(shù)，而現(xiàn)有的電解手段大多存在產(chǎn)生氣泡、電解產(chǎn)物分布不均勻、電解反應程度控制不精確、工藝條件嚴格、試劑用量大等問題，極大地限制了其在便攜設備及芯片實驗室等領(lǐng)域的應用。因此在數(shù)字微流控芯片中實現(xiàn)電解功能的集成有著極其重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠精準產(chǎn)生定量電解產(chǎn)物并將氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物分割于不同液滴，同時又能夠與現(xiàn)有微流控技術(shù)相兼容的集成化數(shù)字微流控芯片，進而在改進現(xiàn)有電解功能器件的基礎(chǔ)上擴大數(shù)字微流控技術(shù)的應用范圍。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件，該電解器件包含:
下極板，該下極板由第一襯底、電極層、介質(zhì)層、第一疏水層從下到上依次設置構(gòu)成 '及上極板，該上極板由第二襯底、接地電極和第二疏水層從上到下依次設置構(gòu)成；
待電解液滴D置于第一疏水層與第二疏水層之間；其中，所述的電極層包含若干電解電極和若干驅(qū)動電極，電極兩兩之間電氣隔離；所述電解電極嵌入設置在驅(qū)動電極中，將電解功能集成入數(shù)字微流控器件，并能實現(xiàn)電解產(chǎn)物的隔離。所述電解電極的“嵌入”指的是電解電極被數(shù)字微流芯片驅(qū)動電極包圍但電氣隔離，且電極是處于同一個平面上。
[0007]所述驅(qū)動電極、電解電極的形狀、大小以及其“嵌入”位置并不嚴格限定，以實現(xiàn)其功能為設計準則，但電解電極尺寸在能夠?qū)崿F(xiàn)電解功能的條件下應盡量小，能夠被驅(qū)動電極包圍，以實現(xiàn)液滴能夠被運輸并被電解電極接觸電解，而將液滴運輸離開時電極上沒有液體殘留。
[0008]所述待電解“液滴”是指能用于介質(zhì)層上電潤濕驅(qū)動的液滴，其成分并不限定，可以是單一的生物樣品，也可以是多成分組成；同時其大小也不限定，考慮到液滴驅(qū)動結(jié)構(gòu)的限制最好為皮升到若干毫升之間。
[0009]上述的電解器件，其中，所述的電解電極由電解陽極匕和電解陰極E n組成，并被若干驅(qū)動電極隔開。
[0010]上述的電解器件，其中，所述電解陽極4和電解陰極E ?裸露設置，能與待電解液滴D直接接觸。電解電極上不覆蓋介質(zhì)層和疏水層，通過數(shù)字微流自動化操控方法將液滴運輸?shù)诫娊怆姌O實現(xiàn)自動化電解與液滴分裂以增強電解電極的工作效率。
[0011]上述的電解器件，其中，所述的電解電極和驅(qū)動電極均為平面電極。
[0012]上述的電解器件，其中，所述的電解電極和驅(qū)動電極的上下表面均處于同一平面。
[0013]上述的電解器件，其中，所述的第一襯底、第二襯底采用絕緣材料。
[0014]上述的電解器件，其中，所述的介質(zhì)層材料選擇具有一定介電常數(shù)與抗擊穿能力的不導電物質(zhì)，優(yōu)選介電常數(shù)高且抗擊穿能力強的物質(zhì)，包括但不限于脂環(huán)族環(huán)氧樹脂CEP、SU-8、五氧化二鉭等。
[0015]上述的電解器件，其中，所述的第一疏水層、第二疏水層的材料選擇能夠降低液滴表面張力的材料，包括但不限于特氟龍Teflon、氟樹脂Cytop等。
[0016]本發(fā)明還提供了一種基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件的制備方法，該方法包含:
步驟1，制備下極板:在第一襯底制備包含若干驅(qū)動電極和電解電極的電極層，其中，電解電極嵌入在驅(qū)動電極中；在電極層上制備介質(zhì)層；在介質(zhì)層上制備第一疏水層，并使得電解電極裸露于介質(zhì)層和第一疏水層；
步驟2，制備上極板:在第二襯底上制備接地電極，再制備第二疏水層；
步驟3，將上極板、下極板組裝形成所述的基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件。
[0017]本發(fā)明以介質(zhì)層上電潤濕原理為基礎(chǔ)，提出了一種將電解功能集成于數(shù)字微流控芯片結(jié)構(gòu)的新型微流控器件，通過控制數(shù)字微流控芯片中的液滴輸運、液滴分裂與電解等過程對液滴進行操作，從而產(chǎn)生含有不同電解產(chǎn)物的液滴。
[0018]本發(fā)明提供的基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解集成數(shù)字微流控芯片具有如下優(yōu)勢:
a)電解電極集成到數(shù)字微流控芯片驅(qū)動電極中，精簡了芯片結(jié)構(gòu)，簡化了制作工藝。
[0019]b)液滴輸運及電解過程可以完全自動化，速度快，通量高，有利于含電解產(chǎn)物液滴的大量快速生成，并實現(xiàn)對液滴內(nèi)部電解產(chǎn)物濃度的精準控制。
[0020]c)電解電極只占到芯片的一小部分，有利于更多功能的集成及芯片的便攜式應用，拓展了數(shù)字微流控芯片的應用范圍。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件的結(jié)構(gòu)示意圖(縱向剖面圖)。
[0022]圖2是本發(fā)明的基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件的下極板電極配置原理性示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明本發(fā)明，并不是對本發(fā)明保護范圍的限制。
[0024]本發(fā)明提供的基于介質(zhì)層上電潤濕原理的電解器件是通過電極設計和驅(qū)動信號控制來實現(xiàn)的，因此可以有多種配置方式，可以配置于各種數(shù)字微流芯片中。
[0025]本發(fā)明的原理性結(jié)構(gòu)示意圖(縱向剖面圖)如圖1所示。在絕緣的第一襯底100上為本發(fā)明的驅(qū)動電極E1-E6和電解電極Ep和En，其中電解電極Ep和En分別嵌入到驅(qū)動電極E3和E5當中，但兩兩之間電氣隔離。用作襯底的材料并不固定，只要絕緣即可；電解電極材料應為滿足電解要求的金屬，而數(shù)字微流驅(qū)動電極(包括上極板電極，即接地電極105)原則上可以由任何導電材料組成，但為了簡化芯片制作工藝，優(yōu)選為與電解電極一致的材料；所有電極的大小、間隔及個數(shù)并不限定，本說明書僅以一定數(shù)目及規(guī)格的電極為例；文末附圖只為原理性示意圖，并不精確反應電極的位置及排布。
[0026]在電極上設有介質(zhì)層102，其上設有疏水層103。第一襯底100、電極層101、介質(zhì)層102及第一疏水層103共同構(gòu)成了器件下極板201。在下極板201上放置驅(qū)動的液滴D，液滴之上為第二疏水層104，第二疏水層104上有接地電極105，其上為絕緣的第二襯底106。接地電極105的材料并不限定，但為了擴展芯片功能集成，優(yōu)選為導電透明材料，如氧化銦錫(ΙΤ0)、摻鋁的氧化鋅(AZO)等。第二疏水層104、接地電極105、第二襯底106共同構(gòu)成了器件的上極板202。
[0027]本發(fā)