电动微流控液滴分配器的制作方法

本公开属于实验器具技术领域，特别涉及一种电动微流控液滴分配器，用于液体的定量化加样、分配和抽取。

背景技术：

分液器与移液器是生物、化学实验室常用的小量移取液体的可手持操作的仪器，其主要工作原理是通过活塞的抽吸与挤压完成对液体的转移：吸取与排出。这一种移液器又被称为“空气移位移液器(airdisplacementpipette)，利用活塞中密封的空气垫的移位来将液体吸入与排出。其初始原理早在1957被heinrichschnitger提出并申请了专利。其后一系列专利技术造就了现代移液器的基本结构与形式，如美国专利《pipettingsystem》(专利号：us3494201a，日期：1970年2月10日)。不同于活塞式操作连续液体，另一种方法——打印将液体/试剂分割成一个个离散的液滴，而单个液滴体积可以小至皮升量级。目前，这一技术已广泛应用于图文制备，如目前商用的压电与热电喷墨打印。欧洲专利《dropletdepositionapparatus》(专利号：ep0277703a1，公开日：1988年8月10日)揭示了一种压电喷墨打印装置，包括压电致动器、喷口、与喷口相连的腔体，脉冲电信号驱动压电致动器进行按需打印(drop-on-demand)。这种打印方式驱动器与喷口(也称喷孔)一体化，喷口容易被堵塞，也不能轻易更换喷孔。在喷墨打印的基础上，美国专利《methodforrapiddispensingofminutequantitiesofviscousmaterial》(专利号：5320250，日期：1994年6月14)提出了利用电磁驱动器冲击弹性腔体，进行粘性材料打印的方法。为避免需要清洗堵塞的喷口，带有喷口的腔体可以更换，但并不能像一次性移液器吸头那样即插即换。打印时，需要通过一个外接气源从墨盒向腔体内注入粘性墨水，效率很低。采用即插即用可更换墨盒芯片进行液滴打印的原理研究近年来开始国际上出现报道：如2013年《labonachip》(13卷，1902)，2015年《biomicrofluidics》(9卷，054101)报道了tingruipan的研究组在此方面的探索，2016年anasbsoul在《labonachip》(16卷，3351)也提出类似方法，均指出这种采用冲击打印，可更换墨盒芯片方法在微量液体操作方面精度高，成本低，具有巨大应用前景。

传统的滴定管、移液器等器具操作体积在微升及以上液体时，具有较高的精确度。但在实现1微升以下体积的加样时，误差较大。如eppendorf公司的0.1μl-2.5μl量程的微移液器，加样0.25微升液体，随机误差(cv值，变异系数)达到6％，0.1微升时，随机误差达到12％。rainin公司的0.1μl-2μl量程的微移液器在0.2μl时，随机误差为6％。对于超小体积液体的操作，一般通过气动式或打印方式实现。目前产品有：ttplabtech公司的mosquito系列，tecan公司的d300e数字分液器等。但都是自动化操作平台，在手持器具或小型便携式台式设备领域尚未涉及。这是因为气动式一般需要后接气源与气路控制，移动受限。而打印方式目前流行的喷墨打印由于其打印头需要经常清洗或更换，使用成本太高，不利用手持型小型化。采用微流控冲击打印方式可以实现皮升到纳升分辨率液滴的打印；采用低成本可更换芯片可以实现即插即用，无交叉污染应用；其简单结构设计有望实现手持式高精度液体的分配。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有分配器/移液器在操作更小体积液体时误差过大的问题，实现微流控液滴分配器具有抽吸液体的功能，本公开提出一种基于微流控打印的电动微流控液滴分配器，实现了液体的抽吸与液体的分配，并可达到亚纳升级分辨率。

(二)技术方案

本公开提供了一种电动微流控液滴分配器，用于连续产生微量体积液滴，定量化获得所需体积液体，包括：位移致动器，用于给微流控芯片提供位移或者力冲击，其包括一刚性延长件；微流控芯片，与所述位移致动器分离并可更换，包括一腔体和喷口，所述腔体被所述位移致动器的刚性延长件敲击，使液体以液滴方式从喷口喷出。

在本公开的一些实施例中，所述微流控芯片为即插即换式芯片。

在本公开的一些实施例中，所述微流控芯片包括依次层叠的支撑层、弹性层和管道层；所述腔体形成于所述管道层；所述喷口形成于所述管道层或支撑层。

在本公开的一些实施例中，所述微流控芯片还包括：形成于所述弹性层的注液口；以及形成于所述管道层、连通所述腔体和注液口的管道。

在本公开的一些实施例中，所述微流控芯片还包括：形成于所述管道层的储液池和管道，所述管道连通所述腔体和储液池，所述储液池开有一连接孔。

在本公开的一些实施例中，所述弹性层、管道层为高分子材料，所述支撑层为高分子材料或玻璃。

在本公开的一些实施例中，还包括：一取液装置，用于抽取液体。

在本公开的一些实施例中，所述取液装置为一套活塞系统，所述活塞系统包括套筒和活塞；所述活塞底端带有弹簧，并形成有一活塞内孔，所述活塞内孔经通孔与空气阀连接；所述微流控芯片安装于套筒底端，其连接孔与活塞内孔连通，其腔体正对位移致动器的刚性延长件。

在本公开的一些实施例中，微流控芯片的喷口所在的一端为尖端，所述微流控芯片的喷口端面具有微纳米沟槽结构，所述微纳米沟槽结构使喷口端面由疏水表面变为永久性超疏水表面。

在本公开的一些实施例中，所述套筒设置有脱附机构，用于卸除微流控芯片。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

(1)微流控芯片可以即插即换，使用方便快捷，微流控芯片与位移致动器分离，无需清洗，没有交叉污染；

(2)不仅可以分配液体还可以抽取液体，功能多样。

(3)产生的单个液滴体积更小，典型体积在0.1纳升至10纳升，单个液滴体积cv值小于3.4％，打印方向可以是任意方向，通过多次打印进行亚微升体积加样时，平均效应会进一步减小随机误差；

(4)液滴打印频率高，液滴产生的频率可以达到在50hz和500-1000hz；微流控芯片的液体剩余体积小于1微升，浪费少；

(5)采用单片机控制打印液滴数量，电动打印分液，自动化程度高；

(6)微流控芯片采用高分子材料制作，成本低，装置简单、体积小、易设计为手持式或便携桌面台式仪器。

附图说明

图1是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的功能模块示意图。

图2是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的结构示意图。

图3是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的打印过程示意图。

图4是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的微流控芯片结构示意图。

图5是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的管道结构示意图。

图6是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的控制模块示意图。

图7是本公开一实施例电动微流控液滴分配器的控制模块电路原理图。

图8为所打印液滴照片与液滴尺寸的分布示意图，其中，(a)为所打印液滴照片，(b)为液滴尺寸的分布示意图，(b)中横坐标是液滴体积，单位是纳升，纵坐标是液滴个数。

图9是本公开另一实施例电动微流控液滴分配器的微流控芯片结构示意图。

图10是本公开另一实施例电动微流控液滴分配器的液体产生示意图。

图11是本公开另一实施例电动微流控液滴分配器的功能模块示意图。

图12是本公开另一实施例电动微流控液滴分配器的结构示意图。

图13为喷口端面处理前后，液滴从端面脱附的照片；(a)显示了未处理疏水表面液滴脱落；(b)显示了超疏水处理后液滴脱落；(c)显示了未处理表面水滴接触角；(d)显示了超疏水处理后表面水滴的接触角。

图14是本公开另一实施例打印液滴的尺寸分布图。

【符号说明】

1-位移致动器；11-刚性延长件；

2-微流控芯片；21-连接孔；22-储液池；23-腔体；25-弹性层；26-管道层；27-支撑层；28-注液口；

3-喷口；4-外壳；5-电池；6-显示屏；7-按键；8-电路板；9-活塞；10-套筒；91-活塞按钮；101-脱附按钮；102-空气阀。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

如图1所示，本公开一实施例的电动微流控液滴分配器，该液滴分配器内部功能区包括三部分：一个微流控芯片作为盛液体的墨盒，一个位移致动器，一个由电源模块、控制模块与显示模块组成的控制系统，该控制系统主要功能是参数输入、结果显示与信号输出。

本实施例的液滴分配器可以是手持式的，也可以是桌面台式的，电源模块既可以是内置电池，也可以是外接电源。以内置电池供电的手持式液滴分配器为例，参见图2，液滴分配器的各个部件位于外壳4内，作为电源模块的电池5通过导线连接电路板8。控制模块包括电路板8、用于参数输入的按键7、开关选择电路和单片机微处理器，电路板上设置有作为显示模块的显示屏6。电路板8连接位移致动器1，位移致动器1例如为电磁位移致动器，也可以是压电位移致动器或静电位移致动器。外壳4底端设有用于安装微流控芯片的空间及安装结构，微流控芯片通过安装结构安装于外壳底端，位移致动器1通过其上连接的刚性延长件敲击微流控芯片2上的腔体，使腔体内的液体以液滴方式喷出，刚性延长件为一细长结构。其中，该安装结构例如可以是容置槽，微流控芯片可插拔的安装在该容置槽中。如图3所示，微流控芯片2基于微流控原理设计，包括三层结构：上层的弹性层，中间的管道层和下层的支撑层，弹性层和管道层可以采用高分子材料，支撑层可以采用高分子材料或玻璃，高分子材料例如是pdms(聚二甲基硅氧烷)。弹性层形成有注液口28，注液口28同时也是微流控芯片的储液池，管道层形成有腔体以及连通注液口28和腔体的管道，腔体位置正对位移致动器1的刚性延长件，腔体开有一个直径较小的喷口3。喷口尺寸直径在25微米到100微米，管道高度与宽度一般选择50微米到200微米范围，长度约10到30毫米。用于接受冲击的腔体直径从200微米到2毫米。

电动微流控液滴分配器工作时，可以通过注射器等工具将液体滴入微流控芯片的注液口，液体经管道流进腔体，直到腔体、管道和注液口均充满液体，注液口此时作为储液池使用。

本实施例的微流控芯片为即插即换式的芯片，具体来说，将微流控芯片安装于外壳底端的容置槽中，腔体位置正对移致动器的刚性延长件。本实施例的管道结构使得腔体被刚性延长件冲击时，从腔体到喷口的流阻大于腔体到注液口的流阻，腔体中的微量(纳升及以下)液滴从喷口喷出，且在冲击结束位移致动器回缩时，由于喷口的流阻rn流阻较大，使得注液口中的液体自动经管道注入腔体，准备下一次冲击的液滴打印。打印完成或需要更换类型液体试剂时，将微流控芯片从外壳底端的容置槽中拔出，更换其他微流控芯片即可。

本公开液滴分配器的位移致动器与微流控芯片相分离，位移致动器不接触试剂液体。更换试剂时只需要更换低成本微流控芯片，微流控芯片可即插即换，使用方便快捷，这使本公开区别于传统打印液滴生成方式。

微流控芯片的加工过程描述如下：先旋涂su-8光刻胶到指定厚度(典型值75微米)，光刻得到与所需结构相反的图形；再旋涂pdms覆盖其上到指定厚度(典型值200微米)，加热烘烤后脱模，手工打孔得到注液孔；在玻璃上旋涂得到100微米厚pdms薄膜，用激光打孔形成喷口(典型值直径100微米)，为方便pdms薄膜剥离，可以在玻璃上先旋涂一层1-2微米厚光刻胶；对两次得到的pdms进行等离子体处理后，对准绑定在一起形成所需微流控芯片。如果支撑层选择玻璃(如常用盖玻片)，可以直接用激光对玻璃打孔，然后用同样处理方法与pdms绑定。

如图4(a)，4(b)所示，喷口3可以开设在下层的支撑层；如图4(c)所示，也可以开设在中间的管道层，即液滴可以平行冲击方向打印，也可以垂直冲击方向打印。如图4(a)所示，喷口位置可以在冲击点正下方，即与位移致动器1的刚性延长件位置正对。如图4(b)所示，也可以不在冲击点正下方，即与位移致动器1位置错开。如果喷口与管道在同一层，如图4(c)，则喷口结构可以与管道一起加工，无需在支撑层打孔。如图5所示，示出了管道层的各种结构，管道一端连接注液口，另一端连接腔体，管道可以是直管，也可以是弯曲的，其长度、结构可以灵活设置。

如图6所示，控制模块一般包括一个单片机微处理器、直流稳压电路和开关选择电路。使用时，首先手工输入液滴滴数，即产生电脉冲数，液滴大小等参数给单片机微处理器，单片机产生指定参数的脉冲控制信号。当脉冲控制信号为高电平时，开关选择电路打开，让经过直流稳压电路的电流通过开关选择电路，电磁位移致动器被加载电压，产生向前的冲击。当脉冲控制信号为低电平时，开关选择电路关闭，电磁位移致动器没有电磁力，在弹簧回复力作用下回缩。

控制模块的电路图如图7所示，图中rl为位移致动器，u0，u1为直流稳压电路芯片，三极管q1、q2以及阻抗元件r1、r2、rs1、rs2等组成开关选择电路。外接9v电源分别接直流稳压电路芯片u1(sp1117-3.3)和直流稳压电路芯片u0(lm7806kc)的3端口和1端口，为二者供电。直流稳压电路芯片u1的2端口接微处理器(efm8lb12f64e)的vio和vdd管脚，为微处理器提供3.3v电压，微处理器的p1.5管脚经rs1(2.2kω)接三极管q1的基极。直流稳压电路芯片u0的3端口接三极管q2的集电极，并经r1(330ω)和r2(480ω)接q1的集电极，q1的集电极经r2(480ω)和rs2接三极管q2的基极，q2的发射极接位移致动器rl，位移致动器rl另一端接地。

这样一个脉冲控制信号使得电磁位移致动器及其刚性延长件产生一个脉冲式位移冲击振动，且该脉冲式位移冲击振动的振动频率、振动宽度受微处理器控制，振动幅度大小受稳压直流电路控制。电磁位移致动器的振动冲击到微流控芯片腔体所对应的弹性层表面，使得芯片管道内液体加速。

当液体速度足够时，其将克服表面张力作用，从喷口喷射形成单个液滴。单个液滴最小速度为：

其中，σ是表面张力系数，p是液体密度，dn是喷口直径。

设液滴体积大小表示为vn，

其中，vi是位移致动器冲击微流控芯片腔体时引起的腔体变形体积，或者说变形排出的液体体积，它由腔体的冲击位移s和腔体直径di决定；rn和rr分别代表腔体到喷口和腔体到注液口的流阻。流阻之比仅仅受微流体芯片管道尺寸、喷口尺寸影响。冲击位移、腔体直径、流阻之比都可以影响液滴体积大小。当rn＞10rr时，液滴体积近似可表示为

其中，dn是喷口直径，h，w，l，l分别代表微流控芯片管道的高度、宽度、注液口到腔体的长度和喷口长度。可见，当喷口直径较小时，液滴体积随直径减小四次方缩减。因此最直接方法的是通过调控喷孔尺寸来调控液滴大小，可以获得单个体积大小从0.1纳升到几个纳升的液滴。

本公开液滴分配器的液滴打印频率高，液滴产生的频率在低频时取决于位移致动器频率。例如：一般电磁位移致动器频率在50hz以下，液滴产生频率也可以达到50hz。采用工作频率可高达数千赫兹的压电位移致动器时，液滴产生频率取决于腔体内液体填充速度，一般可以达到500-1000hz。

图8是打印液滴的照片(图8(a))与液滴尺寸的分布(图8(b))。液滴体积均值1.3纳升，73个液滴样本统计分散性cv＜3.6％。

该液滴分配器基于液滴打印的原理，可以高精度定量化进行试剂的加样。可用于生化实验室常用的注液、稀释等基本操作。单次注液的分辨率可高达0.1纳升，典型量程上限在10微升，可以解决目前高精度微移液器在微升、亚微升液滴操作精度低的问题。同时，整个仪器结构简单，操作方便。不仅可以替代目前最高精度的微移液器，还进一步扩展的对更小体积液体的操作能力。具有可期的应用前景。

本公开另一实施例的电动微流控液滴分配器，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

该电动微流控液滴分配器不仅可以分配液体，还可以吸取液体。参见图9，微流控芯片2包括弹性层25、管道层26和支撑层27，管道层形成有管道连通的储液池、腔体和喷口，微流控芯片的喷口3所在的一端截面积渐缩，形成一尖端，在于喷口相对的一端，储液池22还开有一连接孔21与外界连通。腔体23被冲击时，从腔体到喷口的流阻大于腔体到储液池的流阻，腔体中的微量(纳升及以下)液滴从喷口喷出，如图10所示；在冲击结束位移致动器回缩时，由于喷口的流阻rn流阻较大，使得储液池中的液体从腔体入口自动注入腔体，准备下一次冲击的液滴打印。

参见图11，该电动微流控液滴分配器还包括一取液装置，同时参见图12，该取液装置为一套活塞系统，包括套筒10和活塞9，电池5和位移致动器1安装于套筒外壁的安装腔体内，电路板8、控制模块和显示屏6固定在套筒外壁。活塞9底端带有弹簧回复结构，并形成有一活塞内孔，活塞内孔为中空的圆柱体，中空圆柱体外壁开有通孔，该通孔与一个空气阀102连接，空气阀的开关可以控制活塞内孔的气体压力。微流控芯片2安装于套筒10底端，微流控芯片的连接孔21与活塞内孔连通，且微流控芯片的腔体正对位移致动器的刚性延长件11。套筒10上还设置有脱附机构，当打印完成时，通过按压脱附按钮101将微流控芯片2从电动微流控液滴分配器卸除下来，以更换新的微流控芯片。

本实施例的电动微流控液滴分配器分配液体时，空气阀打开，其余过程与上一实施例类似，利用微流控冲击打印，将微流控芯片中的液体打印成体积均匀的液滴。打印的次数决定液滴数量，进而来控制加样的体积。液滴的数量可以利用控制模块进行预先的设置，并在打印时控制位移致动器冲击次数。打印具体过程如下：利用电动位移致动器产生的冲击，击打微流控芯片的与腔体对应的弹性层，弹性层的变形加速芯片管道中的液体，液体向腔体入口和喷口两个方向流动，从喷口流出的液体具有足够速度克服出口处的表面张力，同时具有较小的体积，最终从芯片的喷口喷射出形成体积超小的(范围从0.1纳升到100纳升)液滴。位移致动器回缩时，弹性层在自身结构回复力作用下回缩，在腔体产生负压。喷口与入口的液体有向腔体流动趋势。喷口方向的流阻较大，阻止空气回流到腔体内；入口方向流阻较小，使得液体完成从储液池进入腔体完成补液。等待下一次液滴的产生。当需要更换试剂种类时，可以更换微流控芯片，无需清洗。

当电动微流控液滴分配器抽取液体时，空气阀关闭，微流控芯片的喷口浸入液体，在弹簧回复力的作用下，活塞回缩运动使活塞内孔产生负压，液体经微流控芯片的喷口、腔体、管道流到储液池内，完成液体抽取。活塞系统可以是电控式也可以是手动式，活塞按钮91带有体积调节功能，可对抽取液体体积进行调节。

进一步地，本实施例的电动微流控液滴分配器，微流控芯片的喷口端面具有宽20微米、间距30微米的微纳米沟槽结构，形成带有超疏水端面的微流控芯片。该沟槽结构可以使喷口端面由原来的疏水表面(接触角约为93度)变为永久性超疏水表面(接触角大于150度，为154度)，图13为喷口端面处理前后，液滴产生效果图，(a)显示了未处理疏水表面液滴脱落，(b)显示了超疏水处理后液滴脱落，(c)显示了未处理表面水滴接触角，(d)显示了超疏水处理后表面水滴的接触角。申请人研究发现，液滴克服表面张力从喷口表面脱附时，液滴大小受喷口外形尺寸影响，而且在普通表面(包括一般疏水表面)会有超小的液滴残留，这会影响液滴大小的一致性。同时，在芯片喷口浸入液体抽吸液体后，在喷口端面也容易残留液体。而采用超疏水处理的喷口端面可以使得液滴大小不受喷口外结构影响，表面无残留，有利于提高转移液体的精确性。图14是采用高速相机拍摄75个液体体积的统计效果，其体积变异系数(cv)小于3.4％。

本实例中微流控芯片的加工过程为：首先通过3d打印制造模具，然后脱模再键合的方法加工微流控芯片。模具有两个，一个用于加工弹性层，这里成为上层，另一个用于一体加工管道层与支撑层，这里称为下层。具体加工过程描述如下：首先利用三维造型软件solidworks分别建立弹性层(上层)与管道层支撑层(下层)的模具模型，然后利用精密3d打印机(projet3500hdmax，3dsystems)与3d打印材料(visijetm3crystal)打印成型。将pdms双组份试剂(184，dowcorning)按10∶1的质量比进行混合，而后分别对两个模具进行浇筑，置入90℃烤箱中烘烤30分钟后取出，待冷却完全后对已固化的pdms进行脱模。而后使用等离子体清洗机(pdc-mg，铭恒)对两次脱模所得到的pdms结构在约100帕的环境下进行约50秒的等离子体处理，再对准键合，形成所需的微流控芯片。在芯片的喷口端面处，使用飞秒激光器(chameleonvision-s/legendelitefhe-1k，coherent)以60毫瓦功率及1毫米每秒的扫描速度在其整个端面烧蚀出宽20微米，间距30微米的沟槽结构。

本公开将位移致动器与微流控芯片分离，位移致动器不接触试剂液体。更换试剂时只需要更换低成本微流控芯片，避免试剂的交叉污染。该液滴分配器基于液滴打印的原理，可以高精度定量化进行试剂的加样，不同于传统移液器工作方式。可用于生化实验室常用的转移液体、稀释配样等基本操作。单次注液的分辨率可高达0.1纳升，可以解决目前高精度微移液器在微升、亚微升液滴操作精度低的问题。同时，整个仪器结构简单，操作方便。不仅可以替代目前最高精度的微移液器，还进一步扩展的对更小体积液体的操作能力。具有可期的应用前景。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。