一种微流控器件、微流控系统、及液滴质量检测方法与流程

1.本技术涉及微流控技术领域，尤其涉及一种微流控器件、微流控系统、及液滴质量检测方法。


背景技术：

2.微流控技术在生物化学领域应用非常广泛，具有试剂消耗量小，控制精确，无需微泵微阀等优势。微流控器件对液滴驱动的操控是通过介电润湿效应实现的，介电润湿是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，造成液滴一侧表面张力改变引起疏水角变化，使液滴发生形变、位移的现象。但是目前的微流控技术分裂液滴大小的均一性控制能力有限，导致分裂的各液滴大小不均，严重影响后续利用液滴进行实验的结果的可靠性。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种微流控器件、微流控系统、及液滴质量检测方法，用以提高液滴大小均一性。
4.本技术实施例提供的一种微流控器件，所述微流控器件包括：衬底基板，位于所述衬底基板之上的多个驱动电极，以及位于所述驱动电极之上的力敏层；
5.所述微流控器件具有液滴容置通道；所述液滴容置通道在所述衬底基板的正投影，覆盖所述驱动电极在所述衬底基板的正投影；
6.所述液滴容置通道包括：称重通道，与所述称重通道入口连通的入液通道，与所述称重通道第一出口连通的第一出液通道，以及与所述称重通道第二出口连通的第二出液通道；所述力敏层位于所述称重通道覆盖的区域；
7.所述力敏层的电阻与所述力敏层受到的压力成正比，所述力敏层用于：当液滴移动到所述力敏层之上时，根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件；
8.所述驱动电极用于：驱动所述液滴沿所述入液通道移动至所述称重通道，当所述液滴的质量符合预设条件时，驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第一出液通道，当所述液滴的质量不符合预设条件时，驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第二出液通道。
9.在一些实施例中，在所述称重通道覆盖的区域，所述驱动电极在所述衬底基板的正投影落入所述力敏层在所述衬底基板的正投影内。
10.在一些实施例中，在所述称重通道覆盖的区域，所述驱动电极在所述衬底基板的正投影与所述力敏层在所述衬底基板的正投影重合。
11.在一些实施例中，所述微流控器件还包括：与所述入液通道的入口以及所述第二出液通道的出口均连通的储液单元；
12.所述驱动电极还用于：当所述液滴的质量不符合预设条件时，控制所述液滴沿所述第二出液通道移动返回至所述储液单元。
13.本技术实施例提供的一种微流控系统，所述微流控系统包括：本技术实施例提供的微流控器件，与所述微流控器件中的力敏层电连接的电路桥，以及与所述电路桥电连接的驱动芯片；
14.所述驱动芯片用于：根据所述电路桥输出的与所述力敏层的电阻相关的信号，判断所述液滴的质量是否符合预设条件。
15.在一些实施例中，所述电路桥包括：第一电阻，第二电阻，第三电阻、电源模块以及电压计；
16.所述第一电阻与所述第二电阻串联，所述第三电阻与所述力敏层串联，串联的所述第一电阻和所述第二电阻与串联的所述第三电阻和所述力敏层并联至所述电源模块；
17.所述电压计与所述第二电阻的一端以及所述第三电阻的一端电连接，且所述电压计与所述驱动芯片电连接，所述电压计用于确定所述第二电阻和所述第三电阻之间的电压差。
18.在一些实施例中，所述第一电阻，所述第二电阻，以及所述第三电阻为可变电阻。
19.在一些实施例中，所述微流控系统还包括：与所述驱动芯片以及所述微流控器件的驱动电极电连接的继电器。
20.本技术实施例提供的一种液滴质量检测方法，所述方法包括：
21.利用本技术实施例提供的微流控系统生成液滴；
22.驱动所述液滴沿所述微流控器件的入液通道移动至所述微流控器件的称重通道；
23.根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件；
24.若所述液滴的质量符合预设条件，则驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第一出液通道；
25.若所述液滴的质量符不合预设条件，则驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第二出液通道。
26.在一些实施例中，所述微流控系统的电路桥包括：第一电阻，第二电阻，第三电阻以及电压计；根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件，具体包括：
27.判断所述电压计的测量值是否超过预设值；
28.若是，则确定所述液滴的质量不符合预设条件；
29.若否，则确定所述液滴的质量符合预设条件。
30.在一些实施例中，所述第一电阻，所述第二电阻，以及所述第三电阻为可变电阻；根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件之前，所述方法还包括；
31.当所述的微流控系统生成的第n个液滴到达所述称重通道时调节所述电路桥中的第一电阻、第二电阻以及第三电阻的阻值，以使所述电压计的测量值为0，其中，n为大于0的整数。
32.本技术实施例提供的微流控器件、微流控系统及液滴质量检测方法，微流控器件设置有力敏层，从而当液滴移动至力敏层之上时，可以根据力敏层的电阻判断液滴的质量是否符合预设条件，后续可以驱动质量符合预设条件的液滴向第一出液通道移动，驱动质量不符合预设条件的液滴向第二出液通道移动，从而实现对液滴的筛选，将质量符合预设条件的液滴与质量不符合预设条件的液滴分流。从而可以控制液滴质量均一性，即可以控制液滴大小均一性，可以提高实验结果可靠性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例提供的一种微流控器件的结构示意图；
35.图2为本技术实施例提供的一种微流控器件的俯视图；
36.图3为本技术实施例提供的另一种微流控器件的结构示意图；
37.图4为本技术实施例提供的一种微流控系统的结构示意图；
38.图5为本技术实施例提供的一种液滴质量检测方法的示意图。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
41.需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本技术内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
42.本技术实施例提供了一种微流控器件，如图1、图2所示，所述微流控器件包括：衬底基板1，位于所述衬底基板1之上的多个驱动电极2，以及位于所述驱动电极2之上的力敏层3；
43.所述微流控器件具有液滴容置通道4；所述液滴容置通道4在所述衬底基板1的正投影，覆盖所述驱动电极2在所述衬底基板1的正投影；
44.所述液滴容置通道4包括：称重通道5，与所述称重通道5入口连通的入液通道6，与所述称重通道5第一出口连通的第一出液通道7，以及与所述称重通道5第二出口连通的第二出液通道8；所述力敏层3位于所述称重通道覆盖的区域9；
45.所述力敏层3的电阻与所述力敏层3受到的压力成正比，所述力敏层3用于：当液滴移动到所述力敏层3之上时，根据所述力敏层3的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件；
46.所述驱动电极2用于：驱动所述液滴沿所述入液通道6移动至所述称重通道5，当所述液滴的质量符合预设条件时，驱动所述液滴沿所述称重通道5移动至所述第一出液通道
7，当所述液滴的质量不符合预设条件时，驱动所述液滴沿所述称重通道5移动至所述第二出液通道8。
47.需要说明的是，本技术实施例提供的微流控器件中，力敏层的电阻与其受到的压力有关，当力敏层受到压力时，其电阻变小。具体的，力敏层的力敏电阻的阻值rx＝k
×
f(f)，其中，k为压力和阻值之间的转换系数，是一个常数，与力敏层材料有关，f(f)为力敏层受到的压力大小。当液滴移动至称重通道位于力敏层之上时，力敏层受到的压力大小等于液滴的重力大小，液滴的重力g＝m
×
g，其中，m为液滴的质量，g为比例系数。因此m＝rx/(k
×
g)。即力敏层的电阻大小与液滴的质量存在对应关系，从而可以利用力敏层对各液滴进行筛选，保留质量符合预设条件的液滴，以使各液滴之间的质量相差较小，保证液滴大小均一性。
48.本技术实施例提供的微流控器件，设置有力敏层，从而当液滴移动至力敏层之上时，可以根据力敏层的电阻判断液滴的质量是否符合预设条件，后续可以驱动质量符合预设条件的液滴向第一出液通道移动，驱动质量不符合预设条件的液滴向第二出液通道移动，从而实现对液滴的筛选，将质量符合预设条件的液滴与质量不符合预设条件的液滴分流。从而本技术实施例提供的微流控器件可以控制液滴质量均一性，即可以控制液滴大小均一性，可以提高实验结果可靠性。
49.需要说明的是，液滴质量满足的预设条件例如可以是：液滴的质量与预设质量之差小于预设误差。对于不同应用场景，所需液滴大小不同，从而所需液滴质量也不同。液滴质量的预设条件可以根据实际需要进行设置。
50.在一些实施例中，如图1所示，在所述称重通道覆盖的区域9，所述驱动电极2在所述衬底基板1的正投影落入所述力敏层3在所述衬底基板1的正投影内。
51.或者，在一些实施例中，如图3所示，在所述称重通道覆盖的区域9，所述驱动电极2在所述衬底基板1的正投影与所述力敏层3在所述衬底基板1的正投影重合。
52.在具体实施时，如图1～3所示，称重通道5覆盖的区域9可以仅设置一块驱动电极2，力敏层3位于该驱动电极2之上。在具体实施时，力敏层至少覆盖驱动电极，从而可以避免液滴移动至驱动电极时无法完全覆盖力敏层，可以保证力敏层对液滴质量检测的准确度。在具体实施时，力敏层以及驱动电极在平行于衬底基板的方向的尺寸，不小于液滴在平行于衬底基板的方向的尺寸。
53.在一些实施例中，如图2所示，所述微流控器件还包括：与所述入液通道6的入口以及所述第二出液通道8的出口均连通的储液单元12；
54.所述驱动电极2还用于：当所述液滴的质量不符合预设条件时，控制所述液滴沿所述第二出液通道8移动返回至所述储液单元12。
55.在具体实施时，储液单元中存储有待分裂成液滴的样品。如图2所示，驱动电极驱动储液单元12生成的液滴沿入液通道6移动至称重通道5，当液滴的质量符合预设条件时，驱动电极驱动液滴向第一出液通道7的入口移动，之后驱动电极驱动液滴沿第一出液通道7继续移动，当液滴的质量不符合预设条件时，驱动电极驱动液滴向第二出液通道8的入口移动，之后驱动液滴沿第二出液通道8移动返回至储液单元12，等待样品再次分裂生成液滴。
56.在一些实施例中，如图1、图3所示，微流控器件还包括：位于所述力敏层3之上的介电层10，以及位于介电层10之上的疏水层11。
57.在具体实施时，微流控器件中，疏水层之上的空间容置液滴，即疏水层之上的空间作为液滴容置通道，液滴在疏水层之上移动。
58.在具体实施时，衬底基板例如为玻璃基板。驱动电极的材料例如包括钼、铝等金属材料。在具体实施时，力敏层例如可以为力敏薄膜。力敏层的材料多为复合物，例如包括热塑性聚氨酯/高导电碳黑复合材料(tpu/cb)、铁基-丁基复合膜等。介电层的材料例如包括氧化铝(al2o3)、钽(ta2o5)等。疏水层的材料例如包括聚四氟乙烯、透明氟树脂(cytop)。
59.在具体实施时，本技术实施例提供的微流控器件，通过对位于衬底基板之上的驱动电极提供电压信号，控制相邻驱动电极之间形成电压差，便可以驱动液滴移动，因此微流控器件无需设置相对设置的两个基板，仅设置一个基板便可以实现对液滴的控制，可以简化微流控器件的结构。
60.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种微流控系统，如图4所示，所述微流控系统包括：本技术实施例提供的微流控器件，与所述微流控器件中的力敏层3电连接的电路桥，以及与所述电路桥电连接的驱动芯片(未示出)；
61.所述驱动芯片用于：根据所述电路桥输出的与所述力敏层3的电阻相关的信号，判断所述液滴的质量是否符合预设条件。
62.本技术实施例提供的微流控系统，设置有力敏层，从而当液滴移动至力敏层之上时，力敏层的电阻会发生变化，从而可以根据与力敏层的电阻相关的信号判断液滴的质量是否符合预设条件，后续对液滴的筛选，将质量符合预设条件的液滴与质量不符合预设条件的液滴分流。从而可以控制液滴质量均一性，即可以控制液滴大小均一性，可以提高实验结果可靠性。
63.需要说明的是，图4中仅示出称重通道对应的微流控器件的部分。在具体实施时，微流控器件还包括与力敏层电连接的第一连接引线，第一连接引线延伸至微流控器件的边缘与电路桥电连接。
64.在一些实施例中，如图4所示，所述电路桥包括：第一电阻r1，第二电阻r2，第三电阻r3、电源模块14以及电压计13；
65.所述第一电阻r1与所述第二电阻r2串联，所述第三电阻r3与所述力敏层3串联，串联的所述第一电阻r1和所述第二电阻r2与串联的所述第三电阻r3和所述力敏层3并联至所述电源模块14；
66.所述电压计13与所述第二电阻r2的一端以及所述第三电阻r3的一端电连接，且所述电压计13与所述驱动芯片电连接，所述电压计13用于确定所述第二电阻r2和所述第三电阻r3之间的电压差δv。
67.需要说明的是，电压计的测量值即为电路桥输出的与力敏层的电阻相关的信号。具体的，力敏层的电阻rx、第一电阻r1、第二电阻r2以及第三电阻r构成惠斯通电桥。其中，力敏层的电阻rx的阻值为rx，第一电阻r1的阻值为r1，第二电阻r2的阻值为r2，第三电阻r3的阻值为r3，电源模块的电压为v。第二电阻r2两端的电压为v2，第三电阻r3两端的电压为v3，电压计测量值即为第二电阻r2两端的电压v2与第三电阻r3两端的电压v3之差δv的值。则v2＝v
×
r2/(r1 r2)，v3＝v
×
r3/(r3 rx)，则
因此，液滴的质量在具体实施时，可预先设置v、r1、r2以及r3的数值，因此根据δv便可以确定rx值，即电压计的测量值与力敏层的电阻的阻值相关。进而可以根据δv确定液滴的质量m，即δv可以反映液滴的质量，从而可以通过δv来判断液滴的质量是否满足预设条件，即可以根据电压计的测量值对液滴进行筛选。当两液滴的质量相同时，两液滴先后移动到力敏层之上时，δv相同，即电压计的数值相同。当rx、r1、r2以及r3均相等时，δv＝0。
68.在一些实施例中，所述第一电阻，所述第二电阻，以及所述第三电阻为可变电阻。
69.当第一电阻、第二电阻以及第三电阻为可变电阻时，可以根据实际需要设置可变电阻的阻值。
70.例如，在具体实施时，以生成的某一个液滴作为基准，例如以生成的第一个液滴作为基准，当该液滴移动至称重通道对应的力敏层之上，调节第一电阻、第二电阻以及第三电阻的阻值，以使电压计的测量值为0v，后续生成的液滴的质量与第一个液滴的质量之差不超过预设误差时，认为后续生成的液滴的质量符合预设条件，可以保留并控制其向第一出液通道移动并进行后续操作，相应的，后续生成的液滴移动至力敏层之上，且δv不超过预设值时，即电压计的测量值不超过预设值时，便可以认为该液滴的质量符合预设条件，否则认为液滴的质量不符合预设条件，后续控制质量不符合预设条件的液滴沿第二出液通道返回至储液单元。
71.当然，在具体实施时，还可以预先确定所需液滴的质量，并确定当预设质量的液滴到达力敏层之上时力敏层的电阻，调节可变电阻的阻值等于液滴到达称重区时力敏层的电阻的阻值，以使预设质量的液滴移动至力敏层之上时，电压计的测量值为0v。考虑到误差因素，当生成的液滴移动至力敏层之上时，电压计的测量值不超过预设值时，认为液滴的质量符合预设条件，否则，认为液滴的质量不符合预设条件。
72.需要说明的是，与力敏层组成惠斯通电桥的各个电阻也可以集成于微流控器件，即微流控器件包括第一电阻、第二电阻以及第三电阻。此种情况第一电阻、第二电阻以及第三电阻为固定电阻，惠斯通电桥通过延伸至微流控器件边缘的引线与电压计、电源模块电连接，第一电阻、第二电阻、第三电阻、力敏层、电压计、以及电源模块的连接方式与图4所示的连接方式相同。驱动芯片可以根据电压计的测量值计算力敏层的电阻，进而计算位于力敏层之上的液滴的质量，从而判断液滴的质量是否符合预设条件。
73.在一些实施例中，所述微流控系统还包括：与所述驱动芯片以及所述微流控器件的驱动电极电连接的继电器。
74.在具体实施时，驱动芯片控制继电器开关，并向驱动电极提供电压信号，以使相邻驱动电极之间形成电压差，从而可以驱动液滴移动。并且，驱动芯片接收电压计的测量值，并根据接收的测量值判断液滴的质量是否符合预设条件。
75.本技术实施例提供的微流控系统，驱动芯片与继电器独立于微流控器件设置，通过驱动芯片控制继电器，并通过继电器向驱动电极提供电压信号，设置方式简单，易于实现。
76.在一些实施例中，驱动芯片为单片机。
77.在具体实施时，电压计的输出端可以与单片机的精密模数转换器(adc)接口连接，
该adc接口的电压范围为0～5伏，该接口可接收数据长度为12位，因此单片机的电压测量精度可以达到5/2
12
＝1.22毫伏(mv)，测量精度较高，可以满足测量需求，保证测量结果的准确度。
78.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种液滴质量检测方法，如图5所示，所述方法包括：
79.s101、利用本技术实施例提供的微流控系统生成液滴；
80.s102、驱动所述液滴沿所述微流控器件的入液通道移动至所述微流控器件的称重通道；
81.s103、根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件；若所述液滴的质量符合预设条件，执行步骤s104；否则执行步骤s105；
82.s104、驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第一出液通道；
83.s105、驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第二出液通道。
84.本技术实施例提供的液滴质量检测方法，利用设置有力敏层的微流控系统，当液滴移动至力敏层之上时，力敏层的电阻会发生变化，从而可以根据与力敏层的电阻判断液滴的质量是否符合预设条件。进而实现对液滴的筛选，将质量符合预设条件的液滴与质量不符合预设条件的液滴分流。从而可以控制液滴质量均一性，即可以控制液滴大小均一性，可以提高实验结果可靠性。
85.在一些实施例中，所述微流控系统的电路桥包括：第一电阻，第二电阻，第三电阻以及电压计；根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件，具体包括：
86.判断所述电压计的测量值是否超过预设值；
87.若是，则确定所述液滴的质量不符合预设条件；
88.若否，则确定所述液滴的质量符合预设条件。
89.本技术实施例提供的液滴质量检测方法，可以预先确定所需液滴的质量，并确定当预设质量的液滴到达力敏层之上时力敏层的电阻，同时设置第一电阻、第二电阻、以及第三电阻的阻值等于液滴到达称重区时力敏层的电阻的阻值。这样，当生成的液滴的质量等于预先确定的质量时，电压计的测试值为0，考虑到误差因素，当生成的液滴移动至力敏层之上时，电压计的测量值不超过预设值时，认为液滴的质量符合预设条件，否则，认为液滴的质量不符合预设条件。
90.在一些实施例中，所述第一电阻，所述第二电阻，以及所述第三电阻为可变电阻；根据所述力敏层的电阻判断所述液滴的质量是否符合预设条件之前，所述方法还包括；
91.当所述微流控系统生成的第n个液滴到达所述称重通道时调节所述电路桥中的第一电阻、第二电阻以及第三电阻的阻值，以使所述电压计的测量值为0，其中，n为大于0的整数。
92.即将第n个到达力敏层之上的液滴的质量作为质量检测的基准。
93.在具体实施时，可以设置为n等于1，即当微流控系统生成的第n个液滴到达称重通道时调节电路桥中的第一电阻、第二电阻以及第三电阻的阻值，以使电压计的测量值为0。具体实施时，将第一个到达力敏层之上的液滴的质量作为基准，当第一个到达力敏层之上的液滴对压敏层产生压力，调节可变电阻的阻值，以使电压计的测量值为0，这样后续生成的液滴与作为基准的液滴质量相等时，电压计的测量值也为0。考虑到误差因素，后续生成
的液滴到达力敏层之上后，当电压计的测量值超过预设值，则代表液滴的质量与作为基准的液滴的质量之差超过预设误差，其质量不符合预设条件，当电压计的测量值未超过预设值，则液滴的质量与作为基准的液滴的质量之差未超过预设误差，其质量符合预设条件，可以对液滴进行后续操作。
94.在具体实施时，考虑到生成液滴的稳定情况，也可以设置为n大于1，此种情况，可以控制第n个液滴之前的液滴沿第二出液通道返回至储液单元。
95.在一些实施例中，若所述液滴的质量符不合预设条件，驱动所述液滴沿所述称重通道移动至所述第二出液通道之后，所述方法还包括：
96.驱动所述液滴沿所述第二出液通道移动返回至所述储液单元。
97.综上所述，本技术实施例提供的微流控器件、微流控系统及液滴质量检测方法，微流控器件设置有力敏层，从而当液滴移动至力敏层之上时，可以根据力敏层的电阻判断液滴的质量是否符合预设条件，后续可以驱动质量符合预设条件的液滴向第一出液通道移动，驱动质量不符合预设条件的液滴向第二出液通道移动，从而实现对液滴的筛选，将质量符合预设条件的液滴与质量不符合预设条件的液滴分流。从而可以控制液滴质量均一性，即可以控制液滴大小均一性，可以提高实验结果可靠性。
98.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。