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      一種微流控芯片的封接方法及其應(yīng)用的制作方法

      文檔序號:6150971閱讀:325來源:國知局
      專利名稱:一種微流控芯片的封接方法及其應(yīng)用的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及微流控芯片的封接方法及其應(yīng)用,特別是一種微流控芯片的兩步可 逆封接方法及其應(yīng)用。
      背景技術(shù)
      微流控技術(shù)(microfluidic)定義為在微尺度與介觀尺度上研究流體行為,以及 相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用的,由物理、化學(xué)、微加工與生物技術(shù)等學(xué)科組成的交叉領(lǐng) 域。微流控芯片(MicrofluidicChip)就是將微流控技術(shù)集成在幾厘米的玻璃、石英 等平臺上,將生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離、檢 測等基本操作單元集成或部分集成起來,用來實現(xiàn)常規(guī)實驗室下物理、化學(xué)、生物 實驗的微型化集中分析。
      玻璃微流控芯片的通用制作方法是采用標準光刻技術(shù),利用濕法刻蝕和高溫鍵 合的方法,該方法要求超凈環(huán)境,復(fù)雜的加工設(shè)備與技術(shù),以及煩瑣的、成功率不 高的高溫鍵合程序;而且, 一旦芯片堵塞往往就會報廢,因而成為微流控分析技術(shù) 普及的主要障礙之一。方群等提出了一種簡單的室溫鍵合制作玻璃微流控芯片的方 法,克服了高溫鍵合成品率極低、操作耗時的缺點。但是該方法制得的芯片容易泄 漏,芯片不可逆鍵合,操作條件苛刻(Zhi Jian Jia, Qun Fang, and Zhao lun Fang. Analytical chemis-try.2004, 76, 5597-5602)。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是提供一種微流控芯片的封接方法及其應(yīng)用。 本發(fā)明提供的一種微流控芯片的封接方法,包括如下步驟
      1) 將聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)薄膜緊密貼合于刻蝕有通道的基片上,保 證所述聚二甲基硅氧垸薄膜與所述刻蝕有通道的基片之間沒有氣泡;
      2) 將真空處理過的PDMS預(yù)聚體與固化劑的混合液涂敷在聚二甲基硅氧烷薄 膜和刻蝕有通道的基片表面未被聚二甲基硅氧烷薄膜覆蓋的部分,再加蓋一層基片, 熱固化后,完成所述微流控芯片的封接。
      上述封接方法中,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度為50微米至1厘米,優(yōu)選1毫米; 刻蝕有通道的基片上,通道的寬度為10-2000微米;構(gòu)成基片的材料為玻璃、硅或 石英。步驟2)中,聚二甲基硅氧垸預(yù)聚體與固化劑的質(zhì)量比為10: 1,聚二甲基硅 氧烷與固化劑的混合液是在真空度為5X10^托的條件下保持30min時間,熱固化的溫度為80'C,熱固化時間為lh。
      另外,本發(fā)明提供的上述微流控芯片的封接方法在制作微流控芯片中的應(yīng)用, 也屬于本發(fā)明的保護范圍。
      本發(fā)明提供的微流控芯片的封接方法操作簡單,成本低廉,制作周期短,重現(xiàn)
      性好;非常適宜于加工數(shù)十微米的微觀結(jié)構(gòu),特別是對于水相介質(zhì)芯片完全不會發(fā) 生泄漏,成品率達到100%。當芯片需要清洗或發(fā)生堵塞的情況時,PDMS可與微流 控芯片基片可逆拆分,即疏通或清洗通道后,可用同樣的方法再次封接芯片,實現(xiàn) 了芯片的可逆封接。利用本發(fā)明提供的封接方法制備微流控芯片,很容易實現(xiàn)混合、 分離等單元操作,可用于化學(xué)反應(yīng)、細胞培養(yǎng)等領(lǐng)域中,用于制作共軛聚合物傳感 芯片。該方法對微流控分析技術(shù)的普及及產(chǎn)業(yè)化,具有重要的意義。


      圖1為玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片的制作流程示意圖。 圖2為玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片的封接流程示意圖。 圖3a和圖3b分別為染色劑進樣前后對比實物圖。 圖4為聯(lián)乙炔(PDA)共軛聚合物傳感芯片示意圖。
      具體實施例方式
      下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明,但本發(fā)明并不限于以下實施例。
      本發(fā)明提供的微流控芯片的封接方法,當所用芯片基片為玻璃基片時,即玻璃-聚二甲基硅氧烷(PDMS)-玻璃微流控芯片的兩步可逆封接方法,包括第一步PDMS-玻璃的可逆封接(如圖1中步驟G所示)和第二步PDMS- PDMS-玻璃芯片可逆封 接(如圖1中步驟H所示)。具體描述如下
      第一步、PDMS-玻璃基片可逆封接將PDMS薄膜用保鮮膜保護,裁剪成適當 的尺寸,該尺寸應(yīng)小于芯片基片的大小但要求能夠完全覆蓋住微通道,之后用保鮮 膜保護好存儲待用。在超凈臺中將PDMS薄膜直接貼合于刻蝕有通道的芯片基片上, 隔著保鮮膜小心地攆出氣泡并用適當?shù)膲毫壕o覆蓋有圖形的部分約5min,即完成 了第一步的PDMS-玻璃可逆封接。
      第二步、PDMS-PDMS-玻璃芯片的可逆封接
      該步驟的流程示意圖如圖2所示,其中,2為玻璃基片,5為PDMS薄膜,6為 玻璃蓋片,7為真空處理過的聚二甲基硅氧垸預(yù)聚體與固化劑的混合液。
      超凈臺中去掉上述步驟得到的PDMS-玻璃芯片上的保護膜。用真空處理過的聚 二甲基硅氧垸預(yù)聚體與固化劑的混合液澆筑到PDMS膜上及其未覆蓋的玻璃基片部 分上,再用干凈的玻璃片封蓋住PDMS預(yù)混合黏稠液,用保鮮膜包裹好防止PDMS
      4預(yù)混合黏稠液外溢,置于80。C的烘箱中烘烤1小時,完成第二步PDMS-PDMS-玻璃 芯片可逆封接,得到三明治式微流控芯片。
      該步驟也可為用真空處理過的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑的混合液澆筑 到干凈的玻璃片上,再封蓋上PDMS薄膜-玻璃芯片,固化后也可得到同樣效果的三 明治式微流控芯片。
      這種澆筑法封接芯片利用了 PDMS表面的活性硅羥基與酸洗處理的玻璃表面的 硅羥基的縮合反應(yīng)和分子間的范德華作用力,使得PDMS封接緊密;另外,預(yù)聚體 PDMS本身的黏稠性,使得二次封接既不會堵塞微通道,又填充上PDMS膜和基片 的未封接部分增強了一次封接的強度。同時,當需要清洗微通道或微通道發(fā)生堵塞 的時候,PDMS又可以從玻璃夾片間剝離,用新的PDMS薄膜可以實現(xiàn)多次可逆封 接。如果通道內(nèi)壓力太大而使芯片泄漏,可以外加剛性夾具增加三明治式芯片的垂 直壓力以加強芯片的封接強度。本發(fā)明中所用PDMS和固化劑,均購自"道康寧(上 海)有限公司",產(chǎn)品名稱為"SYLGARD@ 184 SILICONE ELASTOMER KIT"。
      實際操作中,第一步中所用的刻蝕有通道的芯片基片,是按照常規(guī)方法進行制 備的
      1) 玻璃片用Piranha洗液(98% (wt) H2S04 : 30% (wt) &02體積比為3:1) 加熱煮沸清洗30min ,蒸餾水沖洗后吹干備用。用Freehand軟件設(shè)計圖形,微通道 圖形寬度設(shè)計為100um,激光高分辨打印出掩模備用。
      2) 將步驟l)洗干凈的玻璃片置于KW-4A型均膠機中,以2000r/min的勻膠速 度涂一層厚約2um的正性光刻膠(RZJ-304)。如圖1中步驟A (涂膠)所示,其中, l為正性光刻膠,2為玻璃基片。
      將涂好膠的玻璃片置于恒溫熱板烘箱中于10(TC活化90sec,冷卻致室溫待用。 將掩模置于光膠保護的玻璃片上,用500W的紫外光源曝光30sec,立即投入顯影液 (2.38MTMAN四甲基氫氧化銨)中顯影至曝光部分光膠完全脫落,蒸餾水沖洗,吹干 后,置于恒溫熱板烘箱中于12(TC堅膜90sec,冷卻致室溫待用。上述操作均是在超 凈間中進行。該步驟如圖1中步驟B (曝光)和步驟C (顯影)所示,其中,3為 500nm紫外光,4為光刻掩模。
      3) 將步驟2)得到的玻璃片光膠朝下置于中空塑料盒中,接著浸入HF酸刻蝕液 (HF:NH4F=1:1 mol:mol)中,5(TC恒溫攪拌,通風避光刻蝕20min;該步驟如圖1中步 驟D (酸刻蝕)所示。
      將上述玻璃片光膠水洗吹干,接著用丙酮或乙醇洗掉殘留光膠,水洗吹干。該 步驟如圖1中步驟E (除膠)所示。
      5接著用超聲波打孔器在刻蝕好通道的芯片上加工出直徑3mm的進樣口和出樣 口。 Piranha洗液加熱煮沸清洗芯片,水洗吹干,備用。該步驟如圖1中步驟F (打 孔)所示。
      在第二步之后,上述封接完畢的芯片需在微注射泵的正壓驅(qū)動下進行工作。所 述微注射泵正壓驅(qū)動是以內(nèi)外徑1X2mm的硅膠管為導(dǎo)管輸送樣品,以內(nèi)外徑為2 X3mm的聚氨酯塑料管為進樣連接口,以環(huán)氧AB膠(1:1 v:v)黏合聚氨酯管和玻 璃芯片進樣口,使用500um和1000um的微量進樣器進樣,用硅膠管直接連接進樣 器針頭,用TS-1A微注射泵控制輸入流量(流速)直接驅(qū)動進樣。
      實施例l、制作玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片
      1) 玻璃片在薄層色譜展開缸中用Piranha洗液(98% (wt) H2S04 : 30% (wt) 11202體積比為3:1)加熱煮沸清洗30min,蒸餾水沖洗后吹干備用。用Freehand軟件 設(shè)計圖形,微通道圖形寬度設(shè)計為100um,激光高分辨打印出掩模備用。
      2) 將步驟l)洗干凈的玻璃片置于KW-4A型均膠機中,以600r/min的勻膠速度, 2000r/min的鬼膠速度涂一層厚約2um的正性光刻膠(RZJ-304)。
      將涂好膠的玻璃片置于恒溫熱板烘箱中于10(TC活化90sec,冷卻致室溫待用。 將掩模置于光膠保護的玻璃片上,用500W的紫外光源曝光30sec,立即投入顯影液 (2.38"/。TMAN四甲基氫氧化銨)中顯影至曝光部分光膠完全脫落,蒸餾水沖洗,吹干 后,置于恒溫熱板烘箱中于12(TC堅膜90sec,冷卻致室溫待用。
      3) 將步驟2)得到的玻璃片光膠朝下置于中空塑料盒中,接著浸入HF酸刻蝕 液(HF:NH4F=1:1 mol:mol)中,5(TC恒溫攪拌,通風避光刻蝕20min,水洗吹干, 接著用丙酮或乙醇洗掉殘留光膠,水洗吹干。接著用超聲波打孔器在刻蝕好通道的 芯片上加工出直徑3mm的進樣口和出樣口。 Piranha洗液加熱煮沸清洗芯片,水洗 吹干,備用。
      4) PDMS薄膜制備PDMS預(yù)聚體和固化劑(Dow Corning Corp,USA)按10:l(m:m) 的比例混合均勻后,抽真空處理30min,將PDMS混合黏稠液緩慢倒在兩個玻璃片 之間,中間用訂書釘?shù)茸鹘橇?,保鮮膜包裹保護,高溫固化后,拆除玻璃片即得到 PDMS薄膜。
      5) 將步驟4)得到的PDMS薄膜裁剪好,貼合到步驟3)得到的芯片進行第一步 PDMS-玻璃芯片的可逆封接。再將如步驟4)所述的PDMS預(yù)混合黏稠液澆筑到裁剪 的PDMS薄膜上,補上裁剪膜的空缺后,用干凈的玻璃片貼到PDMS-玻璃芯片上, 8(TC固化2h,完成PDMS-PDMS-玻璃芯片可逆封接封裝,最終得到玻璃-PDMS-玻 璃三明治式微流控芯片。該芯片的結(jié)構(gòu)如圖l所示。
      6實施例2、采用實施例1的微流控芯片用于混合單元操作
      在試樣管中分別吸取紅墨水和藍墨水2ml,分別加入8ml的雙蒸水稀釋5倍, 作為指示劑來觀察微混合。Freehand軟件設(shè)計成混合結(jié)構(gòu)的微流路,按照實施例1 提供的方法制作微流控芯片。用1000ul微量進樣器分別取1000ul的紅、藍指示劑, 安裝到微注射泵上。以硅膠管為導(dǎo)管,聚氨酯管為連接管,接通微流控芯片和微注 射泵。以相同的20nl/min 200nl/min的進樣速率注入指示劑,該流速范圍流體在微 流路中按照層流的方式流動,紅藍指示劑相交混合出現(xiàn)一層紫色流路??梢钥吹剑?處在兩種指示劑交界面的儲液室中存儲了紫色的混合液,未處于指示劑交界面的儲 液室中分別存儲了紅色和藍色的指示劑。以不同的速率注入指示劑,可以明顯的看 到紅藍界面的移動,并且在不同的儲液室中指示劑發(fā)生了更新,顏色改變,如圖3a 和圖3b所示。其中,圖3a和圖3b分別為染色劑進樣前后對比實物圖。
      該混合單元的操作同時適用于細胞的培養(yǎng)和檢測,通過更新不同的營養(yǎng)液或注 入不同的藥物,來對細胞選擇性地培養(yǎng)和識別。
      實施例3、制作聯(lián)乙炔(PDA)共軛聚合物傳感芯片
      聯(lián)乙炔是一種重要的傳感分子,它在254nm的紫外照射下可以發(fā)生聚合呈現(xiàn)出 藍色,在pH、壓力、溫度、特定分子等的擾動下,聚合物的線性骨架發(fā)生扭動,藍 色的PDA會變?yōu)榧t色,并有熒光出現(xiàn)。本實施例采用10,12-二十五烷基二炔酸 (PCDA)做變色分子,取10ml lmM的PCDA氯仿溶液加入到25ml的圓底燒瓶中, 以5(TC, 65r/min的速度旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去氯仿,加入等體積的的雙蒸水,在IO(TC水浴 中超聲15min,得到半透明的囊泡水溶液。冷卻至室溫后置于4"C的冰箱中放置12h 以上。254nm的紫外照射30sec,得到藍色的PDA囊泡溶液。
      Freehand設(shè)計的流動匯聚式微流控結(jié)構(gòu),按照實施例1提供的方法制作微流控 芯片。用1000ul微量進樣器分別取500ul的PDA囊泡溶液和1000ulpH值為10的 NaOH溶液,安裝到微注射泵上。用200nl/min的速率注射NaOH溶液,用100nl/min 的速率注射PDA囊泡溶液,可以清晰地看到兩個液流的交界處出現(xiàn)紅色的區(qū)帶液流, 如圖4所示,該紅色區(qū)域為變色的PDA囊泡識別區(qū)域,在倒置熒光顯微鏡下可以看 到微弱的熒光出現(xiàn)。利用這種微流路中平行的層流特征,可以得到用PDA傳感微流 控芯片能夠方便地檢測不同的識別分子,并且這種方法也適用于其它能夠發(fā)生熒光 增強、淬滅、選擇性發(fā)光或其它變色響應(yīng)的共軛聚合物體系。
      權(quán)利要求
      1、一種微流控芯片的封接方法,包括如下步驟1)將聚二甲基硅氧烷薄膜緊密貼合于刻蝕有通道的芯片基片上,保證所述聚二甲基硅氧烷薄膜與所述刻蝕有通道的芯片基片之間沒有氣泡;2)將真空處理過的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑的混合液涂敷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜和所述刻蝕有通道的芯片基片表面未被聚二甲基硅氧烷薄膜覆蓋的部分,再加蓋一層基片,熱固化后,完成所述微流控芯片的封接。
      2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度為50微米至1厘米,優(yōu)選1毫米。
      3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于所述刻蝕有通道的芯片基片上,通道的寬度為10-2000微米。
      4、 根據(jù)權(quán)利要求l-3任一所述的方法,其特征在于所述構(gòu)成芯片基片的材料為玻璃、硅或石英。
      5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4任一所述的方法,其特征在于所述步驟2)中,聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑的質(zhì)量比為10: 1。
      6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的方法,其特征在于所述步驟2)中,聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑的混合液是在真空度為5X 10'4托的條件下保持30min時間。
      7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的方法,其特征在于所述熱固化的溫度為8(TC,熱固化時間為lh。
      8、 權(quán)利要求1所述微流控芯片的封接方法在制作微流控芯片中的應(yīng)用。
      9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用,其特征在于所述微流控芯片為共軛聚合物傳感芯片。
      全文摘要
      本發(fā)明公開一種微流控芯片的封接方法及其應(yīng)用。該封接方法,包括如下步驟1)將聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜緊密貼合于刻蝕有通道的基片上,保證PDMS薄膜與刻蝕有通道的基片之間沒有氣泡;2)將真空處理過的PDMS與固化劑的混合液涂敷在刻蝕有通道的基片表面未被PDMS薄膜覆蓋的部分,再加蓋一層基片,熱固化后,完成所述微流控芯片的封接。該方法操作簡單,成本低廉,制作周期短,重現(xiàn)性好;非常適宜于加工數(shù)十微米的微觀結(jié)構(gòu),特別是對于水相介質(zhì)芯片完全不會發(fā)生泄漏,成品率達到100%。當芯片需要清洗或發(fā)生堵塞的情況時,PDMS可與微流控芯片基片可逆拆分。利用本發(fā)明提供的封接方法制備微流控芯片,可很容易地實現(xiàn)混合、分離等單元操作,可用于制作共軛聚合物傳感芯片。
      文檔編號G01N33/00GK101510518SQ20091008098
      公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
      發(fā)明者張建平, 李少華, 龍 江, 韓建華 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所
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