專利名稱：一種磁控芯片微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬分析化學(xué)領(lǐng)域中的一種混合器，特別是涉及一種基于磁性微粒子在微流通道中借助外加磁場實(shí)現(xiàn)微流體快速混合的磁控芯片微混合，可用于芯片分析檢測中兩種以上微流體在微尺度條件下的均勻混合，特別適用于芯片分離系統(tǒng)中的柱前和柱后衍生化反應(yīng)。
背景技術(shù)：
九十年代初出現(xiàn)的微全分析概念是分析化學(xué)的一次革命。它借助半導(dǎo)體微加工技術(shù)，在硅、玻璃、石英、高聚物表面加工出10～100微米的微通道網(wǎng)絡(luò)，通過控制液體在微通道網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)方向和速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物從樣品預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測的集成化和微型化分析。與常規(guī)分析系統(tǒng)相比，微流控分析系統(tǒng)的優(yōu)勢在于分析速度快，試樣試劑消耗低，中間環(huán)節(jié)誤差和污染少等，但同時(shí)，系統(tǒng)的微型化也帶來一些負(fù)面影響，如因通道長度和孔徑的減少，增加了流體達(dá)到均勻混合的難度，如何實(shí)現(xiàn)微尺度條件下層流流體間的快速混合，是目前一個(gè)重要的研究方向。
1999年，英國Bessoth設(shè)計(jì)和制作了薄層液體分流型芯片微混合器(BessothF G，deMello A J，Manz A，Anal Commun 1999，36213)；該薄層液體分流型芯片微混合器在芯片上制作密集、微細(xì)的分支通道，通過將液流分裂成多個(gè)薄層液流，可縮短液流間擴(kuò)散距離，顯著降低混合時(shí)間，但混合器及其通道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，不易與芯片其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化。
2001年，美國Dertinger加工了“圣誕樹”型芯片微混合器(Dertinger SKW，Chiu DJ，Jeon N L，Whitesides G M，Anal Chem 2001，731240)；該“圣誕樹”型芯片微混合器通道構(gòu)型為多層次的通道網(wǎng)絡(luò)，每一層次由多個(gè)并行的分支蜿蜒通道構(gòu)成，并行的通道數(shù)逐級(jí)增加，象一個(gè)“圣誕樹”形狀，它提供了一個(gè)利用復(fù)雜微通道網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜混合操作的方法。
2002年，美國Stroock發(fā)明了混沌芯片微混合器(stroock A D，Detinger SKW，Ajdari A，Mezie I，Stone H A，Whitesides G M，Science，2002，295647)；該混沌芯片微混合器在通道底部加工各種構(gòu)型的凸脊，凸脊與通道軸向成一定夾角，凸脊對(duì)于不同流向的低雷諾數(shù)流體具有不同的阻力，由此產(chǎn)生液流在通道內(nèi)的螺旋式流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)為通道內(nèi)的液體快速混勻。
上述這些發(fā)明雖然精妙，但芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微加工難度大，成本高，不易與芯片其他系統(tǒng)集成，限制了它們做為一個(gè)普適性單元在芯片發(fā)展中的應(yīng)用推廣。注此處應(yīng)簡單描述上述3種微混合器的結(jié)構(gòu)，及其缺陷發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是提出了一種在微米級(jí)深、寬尺度條件下，借助磁場力實(shí)現(xiàn)通道中微流體簡易快速混合的磁控芯片微混合器，在微流控芯片分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下1、本實(shí)用新型提供的磁控芯片微混合器，包括一基板1，所述基板1的上表面上設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形微流道2，以及與所述環(huán)形微流道2相連通的進(jìn)樣口3和出樣口4；裝入所述環(huán)形微流道2內(nèi)的磁性微粒子5；覆蓋于所述基板1上表面上的蓋板21，所述蓋板21上設(shè)有與所述進(jìn)樣口3和出樣口4相通的通孔；以及，位于所述基板1下方的帶有控制器的磁攪拌器。
所述的基板1可為硅片、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或金屬材質(zhì)的基板。所述的環(huán)形微流道2可為2-8個(gè)；環(huán)形微流道2的寬為20～1000微米，深10～500微米；所述的環(huán)形微流道2內(nèi)設(shè)有均勻阻擋圍欄6。
所述的帶有控制器的磁攪拌器包括一微型交變轉(zhuǎn)速控制器8和與之相連并由該微型交變轉(zhuǎn)速控制器8控制的環(huán)形磁體9；所述的磁性微粒子5為表面包裹有高聚物外殼的微米直徑的鐵磁性微針；所述的磁性微粒子為疏水或水溶性超順磁納米級(jí)磁流體或鐵釹硼強(qiáng)磁粉體。
本實(shí)用新型提供的磁控芯片微混合器具有如下優(yōu)點(diǎn)1、混合通道結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，易與芯片其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化。
2、通過場控粒子的運(yùn)動(dòng)，形成可控制的微區(qū)湍流混合；可在微小體積內(nèi)完成秒級(jí)至毫秒級(jí)的快速混合，效率高。
3、混合所需的時(shí)間和空間小，兩液流流速和流速比范圍較廣，使用普適性好，易于批量生產(chǎn)。
本實(shí)用新型提供的磁控芯片微混合器的工作原理如下環(huán)形微流通道2，通道寬通常為20～1000微米、通道深10～500微米，環(huán)形微流道2相連通的進(jìn)樣口3和出樣口4。通道內(nèi)導(dǎo)入桿狀微磁粒子，將芯片微混合器放置在帶有控制器的磁攪拌器上表面或上方，開動(dòng)攪拌器，磁攪拌器的環(huán)形永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變磁場對(duì)環(huán)形微流通道2中的磁性微粒子5施加磁場作用力，使其一方面沿環(huán)形微流通道同步同向公轉(zhuǎn)，另一方面繞其N、S極重心做自旋轉(zhuǎn)動(dòng)。通過微型交變轉(zhuǎn)速控制器8可以達(dá)到多項(xiàng)微流體在環(huán)形微流通道中的快速混勻的目的。
本實(shí)用新型的磁控芯片微混合器是通過外加磁場梯度的變化來控制磁性微粒在混合器中的旋轉(zhuǎn)、攪拌、移動(dòng)，使多層層流液體達(dá)到主動(dòng)快速湍流混勻的目的。
本實(shí)用新型的磁場控制部件最常用和通用型式是由微型直流電機(jī)帶動(dòng)的環(huán)形鐵釹硼永磁體；或者使用實(shí)驗(yàn)室小型磁力攪拌器；也可以式由電磁材料專門設(shè)計(jì)訂制的強(qiáng)交變轉(zhuǎn)速控制器。
本實(shí)用新型使用的磁性微粒子是一種專門制作的表面包裹有高聚物外殼的微米直徑的鐵磁性微針；也可以根據(jù)分析要求選擇超順磁納米級(jí)磁流體(疏水或水溶性)或鐵釹硼強(qiáng)磁粉體。
本實(shí)用新型微芯片混合池由基板和蓋板組成。材質(zhì)為硅玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻濕法腐蝕或者模壓注塑的方法在基板表面加工流體腔或者流體槽，鍵合封裝。形成完整微流路通道。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，也是圖2的A-B剖視圖；圖2為基板1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為帶有阻擋圍欄6的基板1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為帶有多個(gè)(4個(gè))環(huán)形微流通道2的基板1的結(jié)構(gòu)示意圖；其中基板1 環(huán)形微流道2 進(jìn)樣口3出樣口4 蓋板21磁性微粒子5阻擋圍欄6 微型交變轉(zhuǎn)速控制器8 環(huán)形磁體9具體實(shí)施方式
實(shí)施例1在硅片、玻璃或金屬材質(zhì)的基板1上制備一層光敏感性材料，根據(jù)設(shè)計(jì)的環(huán)形通道微結(jié)構(gòu)光掩模板，進(jìn)行光學(xué)曝光，顯影后在基板1上形成光敏圖形。用濕法腐蝕或干法腐蝕在基板1上制備出環(huán)形通道微2(環(huán)形微流道2可為2-8個(gè))和輸入、輸出流道端口(即進(jìn)樣口3和出樣口4)等，用蓋板21對(duì)上述制備的基板1進(jìn)行鍵合封裝，導(dǎo)入預(yù)制好的磁性微粒子5，在基板1下方設(shè)置一帶有控制器的磁攪拌器，即可進(jìn)行快速微流混合操作。所述的帶有控制器的磁攪拌器包括一微型交變轉(zhuǎn)速控制器8和與之相連并由該微型交變轉(zhuǎn)速控制器8控制的環(huán)形磁體9。
實(shí)施例2根據(jù)設(shè)計(jì)好的磁控芯片微混合器結(jié)構(gòu)，制備出相應(yīng)的塑料或橡膠的精密模具。直接應(yīng)用微鑄造技術(shù)，制備各種塑料或橡膠的環(huán)形微流通道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行裝配和封裝，導(dǎo)入預(yù)制好的超順磁微針，在混合器外加入匹配的交變磁場，即可對(duì)進(jìn)入器件的多項(xiàng)層流進(jìn)行快速混合操作。
實(shí)施例3在本發(fā)明的微混合器的環(huán)形微流通道中利用MEMS加工技術(shù)等距離固定多個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針(即磁性微粒子5)，并進(jìn)行裝配和封裝。憑借外界磁場梯度變化產(chǎn)生扭矩旋轉(zhuǎn)磁針，帶動(dòng)微流體打破層流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)、小空間簡易微流混合。
實(shí)施例4如圖3所示，可以在微混合器的環(huán)形微流道2中均勻設(shè)置阻擋圍欄6，使磁性微粒子5只能在一段時(shí)間和通道范圍內(nèi)自由移動(dòng)，形成多微區(qū)同步磁攪拌混合或設(shè)計(jì)不同磁場變化的混合微區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同步混合及順序混合的分析目標(biāo)。
實(shí)施例5如圖4所述的多通道的磁控芯片微混合器中，可以設(shè)計(jì)和制作微型化的陣列混合器，通過磁場磁路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)混合及順序混合。
實(shí)施例6在制備好的環(huán)形微混合器中通過蠕動(dòng)泵帶動(dòng)液流沿圓周做順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，通過磁場控制磁性粒子與液流逆流運(yùn)動(dòng)，快速而充分的固液接觸在免疫分析中提高靈敏度，縮短反應(yīng)時(shí)間是十分有利的技術(shù)方式。
權(quán)利要求1.一種磁控芯片微混合器，其特征在于，包括一基板(1)，所述基板(1)的上表面上設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形微流道(2)，以及與所述環(huán)形微流道(2)相連通的進(jìn)樣口(3)和出樣口(4)；裝入所述環(huán)形微流道(2)內(nèi)的磁性微粒子(5)；覆蓋于所述基板(1)上表面上的蓋板(21)，所述蓋板(21)上設(shè)有與所述進(jìn)樣口(3)和出樣口(4)相通的通孔；以及，位于所述基板(1)下方的帶有控制器的磁攪拌器。
2.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的基板(1)為硅片、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或金屬材質(zhì)的基板。
3.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的環(huán)形微流道(2)為2-8個(gè)。
4.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的環(huán)形微流道(2)的寬為20～1000微米，深10～500微米。
5.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的帶有控制器的磁攪拌器包括一微型交變轉(zhuǎn)速控制器(8)和與之相連并由該微型交變磁場控制器(8)控制的環(huán)形磁體(9)
6.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的環(huán)形微流道(2)內(nèi)設(shè)有均勻設(shè)有阻擋圍欄(6)。
7.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的磁性微粒子(5)為表面包裹有高聚物外殼的微米直徑的鐵磁性微針。
8.按權(quán)利要求1所述的磁控芯片微混合器，其特征在于，所述的磁性微粒子(5)為疏水或水溶性超順磁納米級(jí)磁流體或鐵釹硼強(qiáng)磁粉體。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種磁控芯片微混合器，包括上表面設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形微流道的基板；與環(huán)形微流道相連通的進(jìn)樣口和出樣口；裝入環(huán)形微流道內(nèi)的磁性微粒子；覆蓋于基板上表面的蓋板；位于基板下方的帶有控制器的磁攪拌器；磁攪拌器包括微型交變轉(zhuǎn)速控制器和與之相連并由其控制的環(huán)形磁體。其優(yōu)點(diǎn)在于混合通道結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，易與芯片其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化；通過場控粒子運(yùn)動(dòng)，形成可控制微區(qū)湍流混合；可在微小體積內(nèi)完成秒級(jí)至毫秒級(jí)的快速混合，效率高；混合所需的時(shí)間和空間小，兩液流流速和流速比范圍較廣，使用普適性好，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B01F11/00GK2874467SQ20052010314
公開日2007年2月28日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者王永寧, 高云華, 顧忠澤, 李成武, 郭小英 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所