基于超滑技术的数字微流控单元以及数字微流控系统

技术领域

本发明涉及结构超滑的技术领域，具体涉及一种基于超滑技术的数字微流控单元以及数字微流控系统。

背景技术

在现有的数字微流控系统中，常见的微流体的驱动方式有介电润湿驱动、声表面波驱动、磁力驱动和温度梯度驱动等。数字微流控系统可以操控的微流体尺寸一般是毫米及毫米以上，且对反应物的需求量较多，现有数字微流控系统操控微流体运动的速度较慢，一般在cm/s的量级，导致反应所需要的时间被大大延长。

造成上述现象的原因是：在对微流体进行操控时，微流体的驱动力来自外界的驱动源，微流体的驱动力F

另外，现有的数字微流控系统无法对微小的液滴进行驱动，在对液滴进行操控时，仅可以实现移动、分离、控温和融合等简单操作。离心作为生物化学实验中的重要且常用操作，但是，由于现有的数字微流控系统对单个微流体的操控是全局性的，无法对其进行局部操控，因此不能够实现离心的操作，严重限制了数字微流控系统的推广和应用。

因此，急需一种可以对小尺度的微流体，尤其是微米级的微流体进行快速和多功能操控的数字微流控平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超滑技术的数字微流控单元以及数字微流控系统，以解决现有技术中的数字微流控平台对于小尺度的微流体不能够进行快速和多功能操控的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于超滑技术的数字微流控单元，设于基底的上方并用于操控微流体运动，包括至少一个滑动部件，所述滑动部件包括超滑片和用于粘附微流体的亲水修饰层，所述亲水修饰层设于所述超滑片的外侧，所述超滑片与所述基底的接触面为超滑面，所述基底和所述超滑片为超滑接触。

进一步地，所述亲水修饰层位于所述超滑片的顶面，所述亲水修饰层的表面具有亲水图案化修饰。

进一步地，所述滑动部件还包括设于所述超滑片和所述亲水修饰层之间的岛盖。

进一步地，所述滑动部件的数量为两个或两个以上，且所有所述滑动部件阵列排布并拼接成整体。

进一步地，所述超滑片的长度和宽度的范围为1至20微米。

本发明还公开了一种基于超滑技术的数字微流控系统，包括基底、驱动部件和设于所述基底上的若干个如上所述的基于超滑技术的数字微流控单元，所述数字微流控单元由所述驱动部件驱动在所述基底上滑动。

进一步地，所述驱动部件的数量为一个，且所述驱动部件同时驱动所有所述数字微流控单元运动。

进一步地，所述基底上具有若干个工位，且每个工位对应一个所述数字微流控单元，每个工位内均设有一个所述驱动部件，所述驱动部件驱动所述数字微流控单元移动至下一工位。

进一步地，若干所述工位组合为至少一个环形工位阵列，所述环形工位阵列层状排布。

进一步地，每一层的所述环形工位阵列中至少一个工位上未设置所述数字微流控单元。

本发明提供的基于超滑技术的数字微流控单元以及数字微流控系统的有益效果在于：

1、改变了微流体与基底之间的接触界面。微流体与基底之间不直接接触，而是与超滑片形成“微流体-超滑片-基底”的接触模式，相较于现有技术中微流体直接与基底接触的模式，其粘附力略小，且微流体能够与滑动部件的运动同步，可以在驱动部件的驱动下达到快速的移动，而不受到微流体的特征长度的限制。并且，超滑片和基底之间超滑接触，可以实现极低摩擦、无磨损的滑动，能够实现超长寿命的快速驱动。

2、超滑片的尺寸一般亚微米到微米量级，因此超滑片所搭载的微流体的尺寸也是亚微米到微米量级，能够适用于微小液体的操控，多个数字微流控单元可以拼接和组合形成一个大尺度的微流控单元，能够适应较大尺寸的液体的控制，其适用面积更广。

3、可以通过对多个数字微流控单元的批量控制，还可以实现移动、分离、融合和离心等的控制，仅需要对数字微流控单元的位置进行调整和控制即可，其控制方式简单，且不仅能够实现全局性的操控，还可以针对单个数字微流控单元进行局部的操控，扩大了数字微流控系统的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本发明实施例提供的基于超滑技术的数字微流控单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于超滑技术的数字微流控单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于超滑技术的数字微流控系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、基底；2、数字微流控单元；3、微流体；11、工位；21、滑动部件；211、超滑片；212、亲水修饰层；213、岛盖。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”，本发明所指“超滑”特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的基于超滑技术的数字微流控单元进行说明。所述基于超滑技术的数字微流控系统，其包括基底1、设于基底1内部的驱动部件(图未示)和设于基底1上的数字微流控单元2，驱动部件能够对数字微流控单元2进行整体的控制或者局部的控制。

数字微流控单元2包括至少一个滑动部件21，所述滑动部件21包括超滑片211和用于粘附微流体3的亲水修饰层212，所述亲水修饰层212设于所述超滑片211的外侧，所述基底1具有原子级平整表面，且所述超滑片211的任一面具有超滑面，所述基底1和所述超滑片211为超滑接触。滑动部件21可以在基底1的表面以极低摩擦力无磨损滑动，同时，不会因电极上的电荷积累而发生粘附失效，也不会发生“静电吸合”现象，能够实现超长寿命。

其中，超滑片211一般采用HOPG石墨片，且所述超滑片211的至少一个表面为原子级光滑的表面。超滑片211是超滑副的一部分，基底1即构成超滑副的另一部分，超滑副两个接触的超滑表面超滑接触，相对滑动时摩擦力几乎为零，摩擦系数小于千分之一，磨损为零。

优选的，基底1上还可以设置有一层绝缘层(图未示)，该绝缘层一般是疏水性质的绝缘层，且绝缘层具有原子级平整表面，还可以由绝缘层和超滑片211构成超滑副，此处不作唯一限定。

其中，对于亲水修饰层212，其设置在超滑片211的外缘，优选的是设置在超滑片211的顶端，微流体3能够粘附在超滑片211的顶端，由超滑片211带动微流体3实现快速的滑动，且微流体3不会从超滑片211的顶端滑落。

由于超滑片211一般是采用HOPG石墨片，石墨材料的表层难以构建亲水修饰层212，因此需要在超滑片211的顶部设置岛盖213，岛盖213一般采用二氧化硅材料或金属材料。优选的，岛盖213采用金属材料制成，此时能够在采用电驱动时与驱动部件形成电容，能够实现快速的驱动。

对于亲水修饰层212的亲水处理方式，其一般可以采用物理方法和化学方法：

1、物理方法是在岛盖213的表面构建微纳米尺度结构，该微纳米尺度结构一般是指在岛盖213的表面形成凹凸结构，从而增强其亲水性能。对于微纳米尺度结构的加工方法，其一般是采用刻蚀、自组装、溶胶-凝胶法、静电纺丝等方法。

2、化学方法是采用化学改性的方式，采用等离子体处理方式、紫光光照处理的方式或者亲水型硅烷等表面活性剂处理的方式对岛盖213进行处理，使得岛盖213的上表面具有亲水性能。

超滑片211的尺寸一般亚微米到微米量级，其尺寸范围一般为1至20微米，因此超滑片211所搭载的微流体3的尺寸也是亚微米到微米量级，能够适用于微小液体的操控。超滑片211的形状一般为方形，请参阅图2，多个数字微流控单元2可以拼接和组合形成一个大尺度的微流控单元，多个数字微流控单元2共同承载一个大尺寸的液体，从而适应微流体3之间的融合和反应，其适用面积更广。

在同一基底1上一般设置有多个数字微流控单元2，多个数字微流控单元2可以由一个大驱动部件统一控制，也可以由若干个小的驱动部件单独控制，驱动部件一般是采用电荷驱动的方式，通过在滑动部件21的两侧形成压差，使得滑动部件21能够在压差的驱动下朝向一方向移动。

优选的，驱动部件的数量为多个，且驱动部件的数量大于数字微流控单元2的数量。基底1上一般设置有若干个工位11，每个工位11内部均设置有驱动部件，驱动部件一般包括至少两个电极，通过朝向两个电极通电对工位11内部的数字微流控单元2的移动进行控制。

基底1上的工位11一般为阵列排布，若干个工位11可以组合为多个环形工位阵列，且多个环形工位阵列的尺寸和大小可以相同，则此时多个环形工位阵列依次阵列排布于基底1上。多个环形工位阵列也可以尺寸不同，此时多个环形工位阵列依次从大到小排列，且尺寸较大的环形工位阵列位于外侧，尺寸较小的环形工位阵列位于内侧，其由外至内的尺寸依次变小。

例如：其排布方式可以为n*n形式的方形阵列排布，请参阅图3，图中的排布方式为4*4的阵列排布，其包括两侧环形排布的工位环，其中101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111和112为第一层级；201、202、203和204为第二层级，其中第一层级和第二层级分别各具有一个空穴，即工位11上未设置有数字微流控单元2，可以供第一层级和第二层级旋转时使用，如101工位和201工位即形成空穴。驱动部件控制102工位内部的数字微流控单元2朝向101工位移动，103工位内的数字微流控单元2朝向102工位内移动，以此类推既可以实现第一层级的逆时针转动；同时，202工位内部的数字微流控单元2，朝向201工位移动，203工位内的数字微流控单元2朝向202工位内移动，以此类推既可以实现第二层级的逆时针转动；

若需要实现顺时针选择，则由驱动部件控制112工位内部的数字微流控单元2朝向101工位移动，111工位内的数字微流控单元2朝向112工位内移动，以此类推既可以实现第一层级的顺时针转动；同时，204工位内部的数字微流控单元2，朝向201工位移动，203工位内的数字微流控单元2朝向204工位内移动，以此类推既可以实现第二层级的逆时针转动。

通过控制单个数字微流控单元2的移动既可以实现整个数字微流控系统的整体旋转和离心，其控制方式简单，可以实现移动、分离、融合和离心等的控制，不仅能够实现全局性的操控，还可以针对单个数字微流控单元2进行局部的操控，扩大了数字微流控系统的应用范围。

作为本发明的可替换实施例，在超滑片211和亲水修饰层212之间还可以不设置岛盖213，直接在超滑片211的表面进行亲水修饰，此处不作唯一限定。

作为本发明的可替换实施例，超滑片211的形状还可以不为方形，还可以为圆形、三角形或其他异形，此处不作唯一限定。

作为本发明的可替换实施例，基底1上工位11的排序还可以为非方形的排布，其还可以排布为环形或其他异形，此处不作唯一限定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。