能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件及修饰方法

摘要

本发明公开了一种能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件及修饰方法，该电润湿器件包含：下极板，该下极板由衬底、电极层、介质层、疏水层从下到上依次设置构成；其中，包含修饰物质的液滴置于疏水层之上；电极层包含若干驱动电极和若干修饰电极，电极两两之间电气隔离；上述的驱动电极定义液滴传入路径；上述的修饰电极由自内而外分布的若干环状电极构成，基于电润湿效应通过修饰电极能确定上述的液滴的中心位置及边缘位置。本发明通过对液滴输运与蒸发过程的控制，使得修饰电极表面不同位置被修饰上了不同的物质。本发明的修饰方法具有设计新颖、控制简单、自动化程度高等特点，极大地拓展了数字微流控及现场快速检测等技术的应用范围。

权利要求

1.一种能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件进行表面修饰的方法，该电润湿器件包含：下极板(100)，该下极板(100)由衬底(104)、电极层(103)、介质层(102)、疏水层(101)从下到上依次设置构成；其中，包含修饰物质的液滴(D)置于疏水层(101)之上；电极层(103)包含若干驱动电极(ET)和若干修饰电极(ED)，电极两两之间电气隔离；所述的驱动电极(ET)定义液滴传入路径；所述的修饰电极(ED)由自内而外分布的若干环状电极构成，通过修饰电极(ED)能确定所述的液滴(D)的中心位置及边缘位置，其特征在于，该方法包含：步骤1，对驱动电极(ET)施加电压，将含有修饰物质的液滴(D)由驱动电极输运至修饰电极中心；

步骤2，对修饰电极(ED)施加电压，控制上述液滴(D)的形态以确定修饰位置；

步骤3，通过蒸发过程使液滴内修饰物质沉积在液滴边缘位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，自修饰电极的中心位置对应的电极至待修饰位置对应的电极，自内向外依次施加电压，使液滴(D)的边界被固定在待修饰位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，在蒸发过程中，保持在修饰位置对应电极施加电压，直至液滴(D)蒸发过程结束或被驱动电极(ET)输运离开。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的驱动电极(ET)和修饰电极(ED)均为平面电极。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的驱动电极(ET)和修饰电极(ED)的上、下表面分别处于同一平面。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的修饰电极(ED)由自内向外依次包裹的环状电极构成。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的衬底(104)的材料为绝缘材料。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的介质层(102)的材料为高介电常数材料，选择CEP、SU-8及五氧化二钽中的任意一种。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的疏水层(101)为疏水材料，选择特氟龙或氟树脂。

说明书

能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件及修饰方法

技术领域

[0001] 本发明属于数字微流控技术领域，涉及基于介质层上电润湿原理的微流控技术及液体的蒸发过程，具体涉及一种基于咖啡环效应的用于介质层上电润湿器件的表面修饰器件及修饰方法。

背景技术

[0002] 芯片实验室可简单定义为能够完成生物化学处理的各个过程、能自动完成传统实验室功能的微小化、集成化微电子机械系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等优点，在生物、化学等许多领域具有非常好的前景。

[0003] 作为芯片实验室的动力部分，微流控技术起着重要作用。介质上电润湿技术通过电压改变液滴在介质表面的润湿性能以对液滴进行操控，具有驱动方式简单、驱动力强、自动化程度高等许多优点，但存在功能单一、集成度低等不足。同时，介质层上电润湿器件表面覆盖一层较为脆弱的疏水层，因而难以对其表面进行修饰，极大地限制了其在便携设备及芯片实验室等领域的应用。因此寻找修饰数字微流控芯片表面的方法有着极其重要的意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种能够精准修饰介质层上电润湿器件特定位置表面，同时又能够与现有微流控技术相兼容的数字微流控芯片方法，进而在改进现有数字微流控器件的基础上扩大数字微流控技术的应用范围。

[0005] 为达到上述目的，本发明提供了一种能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件，该电润湿器件包含：下极板，该下极板由衬底、电极层、介质层、疏水层从下到上依次设置构成；其中，包含修饰物质的液滴置于疏水层之上；电极层包含若干驱动电极和若干修饰电极，电极两两之间电气隔离；所述的驱动电极定义液滴传入路径；所述的修饰电极由自内而外分布的若干环状电极构成，基于电润湿效应通过修饰电极能确定所述的液滴的中心位置及边缘位置。

[0006] 所述的驱动电极和修饰电极均为平面电极。

[0007] 所述的驱动电极和修饰电极的上、下表面分别处于同一平面。

[0008] 所述的修饰电极由自内向外依次包裹的环状电极构成，从而液滴的边缘可以自内向外依次吻合各环状电极的边缘。

[0009] 所述的衬底的材料为绝缘材料。

[0010] 所述的介质层材料选择具有一定介电常数与抗击穿能力的不导电物质，优选介电常数高且抗击穿能力强的物质，包括但不限于脂环族环氧树脂CEP、SU-8、五氧化二钽等。

[0011] 所述的疏水层的材料选择能够降低液滴表面张力的材料，包括但不限于特氟龙Teflon、氟树脂Cytop等。

[0012] 本发明还提供了一种采用上述的能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件进行表面修饰的方法，该方法将含有修饰物质的液滴由驱动电极输运至修饰电极中心，通过控制液滴的形态(基于电润湿效应)确定修饰位置，随后通过蒸发过程使液滴内修饰物质沉积在液滴边缘位置。该方法具体包含：

[0013] 步骤1，对驱动电极施加电压，将含有修饰物质的液滴由驱动电极输运至修饰电极中心；

[0014] 步骤2，对修饰电极施加电压，控制上述液滴的形态以确定修饰位置；

[0015] 步骤3，通过蒸发过程使液滴内修饰物质沉积在液滴边缘位置，实现表面修饰，该表面修饰的实现依赖于液滴蒸发过程中的咖啡环效应。

[0016] 优选地，步骤2中，自修饰电极的中心位置对应的电极至待修饰位置对应的电极，自内向外依次施加电压，使液滴的边界被固定在待修饰位置。

[0017] 优选地，步骤3中，在蒸发过程中，保持在修饰位置对应电极施加电压，直至液滴蒸发过程结束或被驱动电极输运离开。

[0018] 所述驱动电极、修饰电极的形状、大小以及其相对位置并不严格限定，以实现其功能为设计准则，但修饰电极尺寸在能够实现功能的条件下应保证能够被器件适用范围内大小的液滴在电润湿效应下覆盖，以实现液滴能够被运输并被修饰表面任意位置的目的。

[0019] 所述“包含修饰物质的液滴”是指能用于介质层上电润湿驱动且其溶质为需要被修饰在器件表面的物质的液滴，其成分并不限定，可以是单一的生物样品，也可以是多成分组成；同时其大小也不限定，考虑到液滴驱动结构的限制最好为皮升到若干毫升之间。

[0020] 本发明所述的咖啡环效应是指在蒸发过程中，液体内部的溶质在其内部流场的作用下沉积在其边缘处。本发明以介质层上电润湿原理及咖啡环效应为基础，提出了一种将利用液体蒸发过程中的咖啡环效应修饰数字微流控芯片表面的全新方法，通过将内含修饰物质的液滴边界固定在修饰电极不同位置后进行蒸发，使得其中的修饰物质沉积在边界位置。

[0021] 本发明提供的基于介质层上电润湿原理和咖啡环效应的表面修饰方法具有如下优势：

[0022] a)修饰电极集成到数字微流控芯片电极结构中，精简了芯片结构，简化了制作工艺；

[0023] b)液滴输运及修饰过程可以完全自动化，速度快，通量高，有利于对较大数量或面积表面的快速修饰，并实现了对修饰位置的精确控制；

[0024] c)修饰电极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携式应用，拓展了数字微流控芯片的应用范围。

附图说明

[0025] 图1是本发明的一种能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件的结构示意图(纵向剖面图)。

[0026] 图2是本发明的能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件的电极层配置的原理性示意图(俯视图)。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

[0028] 本发明提供的基于咖啡环效应的表面修饰方法是通过电极设计和驱动信号控制来实现的，因此可以有多种配置方式，可以配置于各种数字微流芯片中。

[0029] 本发明的能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件的原理性结构示意图(纵向剖面图)如图1所示。在绝缘的衬底104上为本发明的驱动电极(ET)和修饰电极(ED)，其中驱动电极(ET)负责将液滴输运至修饰电极(ED)处，但各电极两两之间电气隔离。用作衬底104的材料并不固定，只要绝缘即可；驱动电极(ET)和修饰电极(ED)原则上可以由任何导电材料组成，但为了简化芯片制作工艺，二者优选为一致的材料。在电极层103上设有介质层
102，其上设有疏水层101。衬底104、电极层103、介质层102及疏水层101共同构成了器件下极板100。在下极板100上放置驱动的液滴(D)。所有电极的大小、间隔及个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例；附图只为原理性示意图，并不精确反应电极的位置及排布。

[0030] 本发明的电极层配置原理示意如图2所示，此处以修饰电极(ED2)为例描述器件工作方式。介质层上电润湿结构的驱动电极(ET)将内含修饰物质的液滴(D)传输至修饰电极(ED)中心位置(ED0)。此时中心电极(ED0)至待修饰位置对应电极(ED2)按照自内向外的顺序(ED0-ED1-ED2)依次施加电压，从而使液滴(D)的边界被固定在待修饰位置，保持修饰位置对应电极(ED2)加电直至液滴(D)蒸发过程结束或被驱动电极(ET)输运离开。期间除加电电极外，其他电极均接地。在液滴(D)蒸发过程中，为保持其边界位置固定，应随时间适当增大加电电压。液滴(D)蒸发过程中，其内部的溶质物质会在咖啡环效应作用下聚集沉积在修饰电极ED2外侧边缘处，从而完成修饰过程。对其他电极位置处进行修饰过程相似。应当指出，上述仅为本发明的原理性说明，允许在不影响其功能性的前提下对器件结构及用途进行改进与拓展。

[0031] 本发明中，所述驱动电极(ET)施加电压(加电)是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生。

[0032] 本发明中，所述修饰电极(ED)施加电压(加电)是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成不为0以便调整并固定液滴边界位置。

[0033] 本发明中，所述“接地”是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成0或与0足够接近。

[0034] 结合图1、图2，本发明的电解集成数字微流控芯片的一种可实施的制备工艺如下：

[0035] 步骤1，在下极板100的绝缘衬底104上采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成金属薄膜，通过光刻刻蚀方法形成驱动电极(ET)和修饰电极(ED)；

[0036] 步骤2，通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积等方法制备绝缘介质层102；

[0037] 步骤3，通过旋涂、蒸发、溅射成膜等方法制备疏水层101。自此，本发明的基于咖啡环效应的表面修饰方法所用器件结构制备完成，将其与其他微流控器件相结合后，采用数字微流控操作方法即可自动化实现溶液的各种操作及传感。

[0038] 本发明采用能基于咖啡环效应进行表面修饰的电润湿器件进行表面修饰的方法包含：

[0039] 步骤1，对驱动电极(ET)施加电压，将含有修饰物质的液滴由驱动电极输运至修饰电极中心(即，修饰电极的中心位置对应的电极正上方)；

[0040] 步骤2，对修饰电极(ED)施加电压，控制上述液滴的形态以确定修饰位置；较佳地，自修饰电极的中心位置对应的电极至待修饰位置对应的电极，自内向外依次施加电压，使液滴(D)的边界被固定在待修饰位置；

[0041] 步骤3，通过蒸发过程使液滴内修饰物质沉积在液滴边缘位置；较佳地，在蒸发过程中，保持在修饰位置对应电极施加电压，直至液滴(D)蒸发过程结束或被驱动电极(ET)输运离开。

[0042] 本发明的修饰方法是将咖啡环效应应用于基质层上电润湿器件表面的修饰过程。具体来说，通过修饰电极的加电情况控制并固定含有修饰物质的液滴的边界位置，利用液体蒸发过程中的咖啡环效应使得液滴内部含有的修饰物质沉积在液滴的边缘处。

[0043] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。