一种微流控器件和液滴检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及微流控技术应用领域，公开了一种微流控器件和液滴检测系统。本实用新型中的微流控器件包含依次叠放的顶基板、涂覆有上疏水层的上电极层、涂覆有下疏水层的绝缘层、下电极层、下基板；通过将上电极层电极悬空或者接地，使得器件处于非加热或者加热模式，使得微流控器件可以进行加热，为微流控器件整体工作温度稳定在测试温度创造必要的前提条件。进一步地，通过带有加热功能的微流控器件，能够提供及检测基于以等温DNA扩增技术测试方法所需要的温度范围，为在AM-EWOD数字微流控技术芯片平台上进行基于等温DNA扩增技术测试方法创造了前提条件。
【专利说明】
一种微流控器件和液滴检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及微流控技术应用领域，尤其涉及一种微流控器件和液滴检测系统。
【背景技术】
[0002]微流控技术提供了单分子核酸检测方法的多种实现平台，通过微机械加工技术把生化样品的分析操作集成在几平方厘米的芯片上，它也因此被通俗地称为芯片实验室(Lab-on-Chip，简称“L0C”)。体积微小的芯片，不仅极大地降低了分析成本，而且检测时间短，灵敏度高，便于携带，引领着生化分析仪器向智能化和微型化的方向发展。在此概念下，为了能够控制微量流体的流动，以便执行样品的制备、反应、分离和检测等操作，微流控芯片技术逐渐为人所熟知，特别是基于有源矩阵的可编程-介电湿润机理(Active Matrix-Electro Wetting on Dielectric，简称“AM-EWOD”)数字微流控技术芯片用于将不同化学成分的液滴进行组合来进行化学或生物化学反应已成为新的热点。AM-EWOD是指通过施加电压来控制单个液滴的一项微流技术，在实用芯片上的功能主要集中在对液体样品的分配、输运、混合、提取、分离等多种处理。由于具有相对简单、较好的可控性及驱动能力，被认为是LOC应用中最可行，最具发展前景的技术。
[0003]具体而言，AM-EWOD的平台搭建是将液晶显示器中的薄膜晶体管(Thin FilmTransistor，简称“TFT”)技术应用于EWOD器件中，TFT层形成二维开关矩阵，控制与其连通的驱动电极阵列是否施加电压。由于每个TFT可单独寻址，很容易实现微液滴电极单元的独立控制，从而实现大规模阵列化数字微流控芯片的设计。这种电极阵列内部集成了微阻抗传感器，可以实时监测液滴的运动状态。
[0004]基于等温DNA扩增技术的检测方法是目前用来进行临床病菌检测的理想手段，其中重组酶聚合酶扩增(Recombinase Polymerase Amplificat1nJ|^:^“RPA”)法是一种常温下的单分子核酸检测方法，RPA灵敏度高，对温度及设备要求低，而且检测结果能实时快速显示，特别适合用于病菌特别是抗生素耐药性病菌的检测。但是基于等温DNA扩增技术的检测方法需要测试平台的温度稳定地保持在一定的温度范围内，如进行RPA检测时需要稳定在39摄氏度左右，而目前常规的基于AM-EWOD微流控器件尚不能提供这一温度保持功能，所以RPA无法使用基于AM-EWOD的微流控器件平台来进行化学及生物检测，不能发挥以RPA为代表的基于等温DNA扩增技术方法快速高效方便等的优点。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种微流控器件和液滴检测系统，使得基于AM-EWOD的微流控器件和液滴检测系统能够提供测试所需要的温度范围，从而使得基于等温DNA扩增技术的检测方法可以使用AM-EWOD数字微流控技术进行化学及生物检测。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种微流控器件，包含依次叠放的顶基板、涂覆有上疏水层的上电极层、涂覆有下疏水层的绝缘层、下电极层、下基板；
[0007]所述上电极层的外围设有低电阻接触区;所述接触区一端连接用于进行介电湿润驱动的交流电信号，另一端连接用于切换加热模式的低电阻控制开关;其中，所述低电阻开关悬空时为非加热模式;所述低电阻开关接地时为加热模式。
[0008]本实用新型的相应地提供了一种液滴检测系统，包括:由上述微流控器件组成的有源阵列、液滴输入区、输入贮液区、行驱动器、列驱动器和温度传感器;其中:输入贮液区位于液滴输入区和有源阵列之间，输入贮液区包含若干个储区电极且与有源阵列的上疏水层与下疏水层之间的间隙相连通;行驱动器和列驱动器分别沿横向和纵向紧靠于有源阵列内侧且行驱动器和列驱动器中的电极分别与有源阵列的上电极层的电极连接。
[0009]本实用新型实施方式相对于现有技术而言，上电极层外围的低电阻接触区连接了低电阻控制开关，除了作为现在技术中参考电极的功能以外，还可以通过该低电阻控制开关控制上电极层的电极进行加热，为微流控器件整体工作温度稳定在测试温度创造必要的前提条件。进一步地，通过带有加热功能的微流控器件，能够提供及检测基于以等温DNA扩增技术测试方法所需要的温度范围，为在AM-EWOD数字微流控技术芯片平台上进行基于等温DNA扩增技术测试方法创造了前提条件。
[0010]另外，所述微流控器件还包含一用于控制所述加热温度的比例积分微分控制电路;所述比例积分微分控制电路的输出端连接所述低电阻控制开关。采用比例积分微分控制电路可以进行精确的温度控制。
[0011]另外，所述顶基板上还设有热敏电阻；所述热敏电阻连接至所述比例积分微分控制电路。采用热敏电阻检测温度，进行温度反馈，进一步进行精确的温度控制。
[0012]另外，所述上疏水层和所述下疏水层之间设有一个温差电偶;所述温差电偶连接所述比例积分微分控制电路。采用温差电偶可以确保器件在指定温度上的精度。
[0013]另外，所述顶基板上还设有热敏覆盖层;所述热敏覆盖层连接所述比例积分微分控制电路。采用热敏覆盖层可以检查器件温度的精度及器件整体是否保持同一工作温度。
[0014]另外，所述上疏水层和所述下疏水层之间还设有至少一个间隔器，调节上下层之间的合适间隙，以便于容纳大小合适的液滴。
[0015]另外，所述低电阻接触区为涂覆在所述上电极层的金属层，可以增加一定的导电性。
[0016]另外，所述上疏水层和所述下疏水层填充非离子液体，占据板间液滴未占据的空间，且便于液滴快速移动。
[0017]另外，上述非离子液体是油，成本低，防止液滴挥发。
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型第一实施方式的微流控器件剖面示意图；
[0019]图2是本实用新型第二实施方式的液滴检测系统结构图。
【具体实施方式】
[0020]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0021]本实用新型的第一实施方式涉及一种微流控器件的剖面示意图。如图1所示，该微流控器件包含顶基板1、涂覆有上疏水层3的上电极层2、涂覆有下疏水层6的绝缘层7、下电极层9、薄膜电子器件10、下基板11。其中，顶基板I位于上导电层2的上方;上疏水层3涂覆在上电极层2下方;下疏水层6涂覆在绝缘层7的上方;下电极层9位于绝缘层7下方;下电极层9和下基板11之间布置有薄膜电子器件10;下电极层设有图案化极阵列电极8。
[0022]在本实施方式中，上电极层的外围设有低电阻接触区。该接触区一端连接用于进行介电湿润驱动的交流电信号，另一端连接用于切换加热模式的低电阻控制开关;其中，低电阻开关悬空时为非加热模式;低电阻开关接地时为加热模式。
[0023]具体地说，通过低电阻开关悬空，上电极层2作为参考电极，器件处于非加热状态，使得在传播路径上的相邻两个电极8之间加上交替变换的交流电压，激励工作电压20V，使液滴5在不同的电压的电极8上浸润程度不同，通过表面张力的作用驱动液滴5在多个电极8间的高速运动，实现不同化学成分的液滴5进行高速组合进行生物化学反应。
[0024]当低电阻开关接地，器件处于加热状态，整个上电极层2的阻抗约为100欧姆，产生大约4瓦特的功率，使整个器件达到约39摄氏度的常温。在加热过程中，可以采用比例积分微分(PID)控制电路控制加热温度，比例积分微分控制电路的输出端连接低电阻控制开关，控制其开合，闭合时使得低电阻开关接地。为了控制加热温度，PID控制电路需要从外部获得一个温度反馈，本实施方式在顶基板上还设有热敏电阻；该热敏电阻连接至比例积分微分控制电路，实时反馈器件温度，使得PID控制电路能进行精确的温度控制。
[0025]此外，值得一提的是，为了保证器件所需要温度的精准度，本实施方式还在上疏水层5和下疏水层6之间设有一个温差电偶，该温差电偶连接PID控制电路，向PID控制电路反馈器件温度。此外，还可以在顶基板I上加一层如英国LCR Hallcrest公司生产的热敏覆盖层，用于检查温度的精准度及整个器件中是否都保持同一温度，确保整个微流控器件稳定工作在RPA所要求的约39摄氏度的常温温度，为进行RPA测试方法创造了必要的前提条件。
[0026]本实施方式中薄膜电子器件可以是薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，简称“TFT” )，上疏水层3和下疏水层6还有至少一个间隔器12，使上疏水层3和下疏水层6之间保持大小合适的间隙，以便于容纳大小合适的液滴5。上电极层2和下电极层9中的电极8可以是由氧化铟锡等材料制成的。上疏水层3和下疏水层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。上电极层2中的低电阻接触区可以是涂覆在上电极层的金属层(比如，铝层)或其他导电性能高的材料的涂层，在此不作限定。
[0027]上疏水层3和下疏水层6之间还可以填充非离子液体，本实施方式中，该非离子液体是油，占据板间液滴未占据的空间，便于液滴5快速移动，同时防止液滴5挥发。
[0028]与现有技术相比，本实施方式中上电极层的电极连接了低电阻控制开关，除了作为现在技术中参考电极的功能以外，还可以通过该低电阻控制开关控制上电极层的电极进行加热，为微流控器件整体工作温度稳定在测试温度创造必要的前提条件。
[0029]本实用新型的第二实施方式涉及一种液滴检测系统，该液滴检测系统结构图如图2所示，包括由第一实施方式中的微流控器件组成的有源阵列21、液滴输入区22、输入贮液区23、行驱动器24、列驱动器25和温度传感器26。
[0030]本实施方式中的有源阵列21是由96X 175个TFT电路元件组成，每个TFT电路元件连接的电极大小尺寸为200μηι X 200μηι，电极之间的空隙是ΙΟμπι，整个阵列大小尺寸为7.37cm2ο
[0031]需要测试的液滴先从液滴输入区22滴入，然后在输入贮液区23分配成大小数量合适的测试子液滴;输入贮液区23大小为3mm X 9mm，输入贮液区23内有7个储区电极，通过控制储区电极的开闭及在垂直方向激励阵列21，可以将滴入液滴输入区22的液滴分配成约270至750nl容积大小，尺寸为210μπι、间隔为125μπι的测试子液滴，储区电极进一步能驱动子液滴进入阵列21进行测试。
[0032]行驱动器24和列驱动器25分别沿横向和纵向紧靠于阵列21内侧且行驱动器24和列驱动器25中的电极分别与阵列21的电极连通;对行驱动器24和列驱动器25输入时序数据流来实现控制阵列21来完成整个测试过程。在本实施方式中的行驱动器24包含六个电极，列驱动器25包含三个电极，和阵列21中的图案化阵列电极一样也是集成在阵列21中的下基板之上，并受TFT电路控制。
[0033]本实施方式中的液滴检测系统也可以包含一个电平转换器，解决不同工作电压的电路相互通信中，两种电平转换的问题，该电平转换器也集成在阵列21中的下基板之上。
[0034]阵列21是由微流控器件组成的，通过控制微流控器件可以使整个阵列21的工作环境温度达到适合测试方法的指定温度。温度传感器26可以感测整个液滴检测系统的工作温度，使整个液滴检测系统能够提供稳定的测试温度，为在AM-EWOD数字微流控技术LOC芯片平台上进行以RPA为代表的基于等温DNA扩增技术测试方法创造了前提条件。
[0035]在RPA检测中，虽然只需要液滴的形成、移动、混合和温度维持，但还需要检测液滴的形成、移动、混合是否成功。在本实施方式中，实时检测液滴的位置，可以通过检测上下两个电极之间的电容来实现，并且可以实时成像以便实验人员进行观察。具体地说，每个阵列元素也具有用于测量电容的传感器功能。模拟传感器被用于检测在电极位置是否存在液滴，并设有行寻址和列读放大器用于将测量得到的传感器数据作为串行化电压信号输出，因此，能够生成表示液滴的尺寸以及在阵列上的位置的传感器图像。液滴可以占用一个或多个电极，对所得到的传感器图像进行图像处理可以测量液滴的尺寸。由于驱动图案每秒可重写50次，并且可以在每秒得到30个传感器图像，因此采用该传感器可以实现液滴的尺寸和位置的实时反馈。
[0036]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。
【主权项】
1.一种微流控器件，包括依次叠放的顶基板、涂覆有上疏水层的上电极层、涂覆有下疏水层的绝缘层、下电极层、下基板;其特征在于，所述上电极层的外围设有低电阻接触区；所述接触区一端连接用于进行介电湿润驱动的交流电信号，另一端连接用于切换加热模式的低电阻控制开关； 其中，所述低电阻开关悬空时为非加热模式;所述低电阻开关接地时为加热模式。2.根据权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述微流控器件还包含一用于控制所述加热温度的比例积分微分控制电路； 所述比例积分微分控制电路的输出端连接所述低电阻控制开关。3.根据权利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述顶基板上还设有热敏电阻；所述热敏电阻连接至所述比例积分微分控制电路。4.根据权利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水层和所述下疏水层之间设有一个温差电偶； 所述温差电偶连接所述比例积分微分控制电路。5.根据权利要求2所述的微流控器件，其特征在于，所述顶基板上还设有热敏覆盖层； 所述热敏覆盖层连接所述比例积分微分控制电路。6.根据权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水层和所述下疏水层之间还设有至少一个间隔器。7.根据权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述低电阻接触区为涂覆在所述上电极层的金属层。8.根据权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述上疏水层和所述下疏水层之间填充非尚子液体。9.根据权利要求8所述的微流控器件，其特征在于，所述非离子液体是油。10.—种液滴检测系统，其特征在于，包括:由如权利要求1至9任意一项所述的微流控器件组成的有源阵列、液滴输入区、输入贮液区、行驱动器、列驱动器;其中:输入贮液区位于液滴输入区和有源阵列之间，输入贮液区包含若干个储区电极且与有源阵列的上疏水层与下疏水层之间的间隙相连通； 行驱动器和列驱动器分别沿横向和纵向紧靠于有源阵列内侧且行驱动器和列驱动器中的电极分别与有源阵列的上电极层的电极电连接。
【文档编号】C12M1/34GK205528801SQ201620095579
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月31日
【发明人】荣国光
【申请人】苏州博尔达生物科技有限公司