CN100503222C - 聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片溶剂辅助热压封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片溶剂辅助热压封装方法。选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小且沸点较高的有机溶剂如环戊酮和冰乙酸等为粘合剂，使用硅阳模原位聚合制作的含微流通道的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片，将上述有机溶剂均匀滴涂在聚甲基丙烯酸甲酯盖膜上并与基片合上，置于75-85℃的烘箱中，通过两块玻璃板施加1-2牛顿/平方厘米的压力10-15分钟，冷却到室温，即得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。本发明方法封装成功率和封装强度均大幅提高，而且操作简便，成本较低，可用于聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的大规模生产。
Description
技术领域
本发明属生物检测技术领域，具体涉及一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片溶剂辅助热压封装方法。
背景技术
自从1990年Manz和Widmer[1]首次提出微型全分析系统(μ-TAS)以来，在短短的十余年中已发展成为当前世界上最前沿的科技领域之一。作为一个跨学科的新领域，其目标是借助微机电加工(MEMS)技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片则以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点，并以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、临床诊断、药物分析、法医和军事等领域显示了良好的应用前景，各种新的微流控芯片制备技术层出不穷。
微流控芯片主要使用玻璃和聚合物芯片[2]，玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是聚合物被芯片得到了发展，其制作主要采用注塑、印模、浇铸和单体注模原位聚合等技术，因为价格低廉和容易大批量生产，具有良好产业化前景，其中聚甲基丙烯酸甲酯是微流控芯片制作中较常用的聚合物[3]。通常聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片采用普通热压封装，即在高于聚甲基丙烯酸甲酯玻璃化温度(105℃)的条件下，通过加压力(5-10牛顿/平方厘米)使微流控芯片基片和盖膜粘合成芯片。缺点为在高于玻璃化温度时，微流通道变形大，且容易堵塞，成为限制聚甲基丙烯酸甲酯芯片投入生产和应用的瓶颈[4]。此外，纯热压封装的芯片使用中容易裂开而报废。
参考文献
[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244-248.
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[3]Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，56，267-287.
[4]Becker H，Gartner C.Electrophoesis 2000，21，12-26.
发明内容
本发明的目的在于提出一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的溶剂辅助热压封装方法，以降低芯片封装的温度和压力，从而降低芯片中微流通道在芯片封装过程中的变形，提高芯片封装的成功率，为进一步产业化打下基础。
本发明提出的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的溶剂热压封装方法，选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小的且具较高沸点的有机溶剂(如环戊酮和乙酸等)为粘合剂，使用由硅阳模原位聚合制作的含微流通道的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片，将上述有机溶剂均匀滴涂在与基片同尺寸的聚甲基丙烯酸甲脂盖膜上，然后与含微流通道的基片对准并合上，置于75-85℃的烘箱中，通过两块玻璃板和铁块在待封装的微流控芯片上施加1-2牛顿/平方厘米的压力10-15分钟，再冷却到室温，即得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。
本发明选择的热压封装有机溶剂如环戊酮和乙酸等，对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较低且沸点较高(高于100℃)，借助溶剂对聚甲基丙烯酸甲酯的微小溶解性使表面很薄一层的聚合物溶涨，使玻璃化温度下降，从而降低热压封装的温度和压力，但由于溶剂对聚甲基丙烯酸甲酯的溶解度很小，表面层以下的聚合物玻璃化温度不变，所以在热压封装过程中微流通道变形很小。同时残留在微流通道内的少量溶剂对本体芯片溶解度小且会在热压过程中从通道出口挥发，从而避免通道在热压封装堵塞，使芯片封装强度和封装成功率大幅提高。使用较高沸点溶剂主要是为了防止在涂布和封装过程中溶剂过快挥发，影响封装效果。该芯片溶剂辅助热压封装技术操作简便，成本低，可进行大规模生产，有良好的应用前景。
本发明涉及聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制作方法如下：
采用计算机辅助设计软件设计芯片，典型的设计如图1所示，由单十字交叉微流通道和溶液连接孔构成，采用高分辨率(大于3000dpi)激光照排系统在透明薄膜上打印成掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为40-100μm，溶液连接孔直径1-2mm，其中分离微流通道2和进样通道7和溶液孔1、4、5和6(图1)为透明，剩余部分为黑色。设计图的正像见图1。在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层负性光刻胶(如SU-8光刻胶)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，经紫外线曝光和烘烤处理后，用配套显影剂浸泡处理，分别在丙酮和异丙醇中洗去未部曝光部分(毛细管和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于烘箱中烘烤使毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，于稀HF-NH4F溶液蚀去硅片表面未部曝光部分的SiO2层，然后于50-70℃用40％ KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时，即制成硅片阳模9，将有毛细管凸槽的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板(约2mm厚)，即成芯片模具。
将甲基丙烯酸甲酯单体与少量热引发剂偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.1-0.2％)和少量光引发剂安息香(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.1-0.2％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状清亮溶液。注意在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。预聚后期聚合速度加快。将上述预聚溶液通过模具开口槽注入模具，开口槽朝上，用20W紫外灯(356nm，距离4-5厘米)通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为80-120μm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜。待预聚的聚合溶液硬化后，将模具于30-50℃水浴中超声10分钟脱模。将脱模的微流控芯片基片通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液。选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小且具沸点较高的有机溶剂如环戊酮和乙酸等为粘合剂，将使用硅阳模原位聚合制作的含微流通道的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片9，通过本发明的溶剂辅助热压封装技术与同尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯盖膜10粘合制作微流控芯片。先将上述有机溶剂均匀滴涂在聚甲基丙烯酸甲酯盖膜10上，然后与含微流通道的基片9对准并合上，有微流通道一面在基片9和盖膜10之间，用滤纸吸去渗出的溶剂，然后在75-85℃的烘箱中，然后通过两块玻璃板(8和8’)和铁质重物11施加1-2牛顿/平方厘米的压力10-15分钟，冷却到室温，即得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。
本发明封装聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的方法操作简便、重现性好、样品用量少，其中用环戊酮封装的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片与电导检测仪联用已成功用于三种常见有机阴离子草酸根、酒石酸根和醋酸根的分离分析，分析效率高。具体可见下述的测试实验结果：
使用图1所示的本发明封装的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片与电导检测仪联用，获得的1mM草酸根、酒石酸根和醋酸根的电泳图的电泳图谱见图3。测试条件为：分离电压为-1500V，进样电压为-1500V，进样时间为1s，缓冲溶液为20mM 2-吗啉乙磺酸(MES)-20mM组氨酸(pH6.1)，电导检测波形为正弦波(频率为200kHz，电压峰-峰幅度为10V，非接触电导检测电极对在分离毛细管的末端，即右侧。对上述测定的阴离子的线性范围为0.01-5mM，检测下限在5-8μM范围内，10次测定1mM草酸根、酒石酸根和醋酸根的峰信号的相对标准偏差分别为3.1％、2.9％和4.1％，表明该聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片线性范围宽、重现性良好和高效快速，在90秒内就可完全分离并同时检测三种阴离子，可用于实际样品的测定。
附图说明
图1为本发明涉及的典型微流控芯片设计图。
图2聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的溶剂辅助热压封装装置示意图。(a)热压封装装置的分解图；(b)不加重物的芯片封装装置；(c)加重物的芯片封装装置。
图3为本发明封装的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片分离检测三种有机阴离子：1mM草酸根(a)、酒石酸根(b)和醋酸根(c)的电泳图谱。
图中标号：1为样品溶液孔，2为分离微流通道(分离毛细管)，3为含微流通道2和进样毛细管7以及溶液孔1，4，5和7的微流控芯片，4、5和6均为缓冲溶液孔，7为进样微流通道(进样毛细管)，8和8’均为玻璃板，9为微流控芯片基片，10为微流控芯片盖膜，11为铁质重物。
具体实施方式
下面通过实施例和附图进一步描述本发明：
1、聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的环戊酮辅助热压封装
(A)微流控芯片的设计采用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的微流通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3600dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜上打印成掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为50μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离毛细管2和进样毛细管7)和溶液孔1、4、5和6(图1)为透明，剩余部分为黑色。微流控芯片的正像见图1。分离微流通道2长5.0cm，进样微流通道7长0.5cm，其中毛细管2和7的交叉点到最近的三个溶液连接孔的距离均为0.5cm。
(B)硅负片及芯片模具的制作在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术(转速3000rpm，40秒)涂覆一层负性光刻胶(SU-8光刻胶)，于65℃烘箱中烘40分钟(前烘)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，用石英玻璃板(1.5-2mm)压紧，于紫外线下曝光30min(365nm，45W)，于65℃烘箱中烘25分钟(曝光后烘)，用SU-8配套显影剂浸泡处理90秒后，分别在丙酮和异丙醇中漂洗20秒以洗去未部曝光部分(微流通道和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于150℃烘箱中烘10分钟(后烘)使硅片上毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，将硅片浸于0.5M HF-0.5M NH4F溶液3.5分钟，将硅片表面的SiO2层蚀去，然后于60℃用40％ KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时(刻蚀速度为0.35μm/分钟)，形成阳膜的突出毛细管通道和溶液孔结构部分，硅片未刻蚀部分表面的光刻胶在刻蚀过程中会自动脱落，光刻胶下的二氧化硅层不会被40％ KOH水溶液刻蚀而保护二氧化硅层下的硅结构，即得制成硅片阳模。将有毛细管凸槽的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板(约2mm厚)，即成芯片模具。
(C)注模和聚合 在甲基丙烯酸甲酯单体中加入少量热引发剂偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯单体质量的0.15％)和少量光引发剂安息香(甲基丙烯酸甲酯单体质量的0.15％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状清亮溶液。注意在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。将上述预聚溶液通过模具开口槽注入模具，开口槽朝上，用20W紫外灯(365nm)通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为100μm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜10。
(D)芯片的脱模和环戊酮辅助热压封装待预聚的聚合溶液硬化后，将模具于40℃水浴中超声10分钟脱模。将脱模的微流控芯片基片9通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液，选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小沸点较高的环戊酮(沸点为130.6℃)为粘合剂，将使用硅阳模原位聚合制作的含微流通道的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片9，通过溶剂辅助热压封装技术与同尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯盖膜10粘合制作微流控芯片。具体是先将环戊酮均匀滴涂在聚甲基丙烯酸甲酯盖膜10上，然后与含微流通道的基片9对准并合上，有微流通道一面在基片9和盖膜10之间，用滤纸吸去渗出的溶剂，然后在80-85℃的烘箱中，然后通过两块玻璃板(8和8’)和铁质重物11施加1.5(牛顿/平方厘米)的压力10-15分钟，冷却到室温即得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。实验发现环戊酮是辅助热压封装芯片的较理想溶剂。
本聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的溶剂辅助热压封装方法操作简便快速，可降低微流控芯片制备的废品率。有盖膜的一面为芯片上表面。微流控芯片的长度为6.5mm，宽度为2.0mm，厚度为2.0mm。
本方法封装的芯片已成功用于检测三种有机阴离子(见图3)
2、聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的乙酸辅助热压封装
电泳芯片的设计、硅阳模及芯片模具的制作和聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片9和盖膜10的制作同实施例1。将脱模的微流控芯片基片9通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液，选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小的沸点较高的乙酸(沸点为117.9℃)为粘合剂，先将上述有机溶剂均匀滴涂在聚甲基丙烯酸甲酯盖膜10上，然后与含微流通道的基片9对准并合上，有微流通道一面在基片9和盖膜10之间，用滤纸吸去渗出的溶剂，然后在75-80℃的烘箱中，然后通过两块玻璃板(8和8’)和铁质重物11施加1.5(牛顿/平方厘米)的压力10-12分钟，冷却到室温即得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。因为乙酸沸点(117.9℃)较实施例中使用的环戊酮(沸点130.6℃)低，在热压封装中使用了较低的温度。使用乙酸的不足是挥发气体有腐蚀性，但价格低廉。
采用乙酸辅助热压封装技术制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片也成功用于实施例1中三种常见有机阴离子草酸根、酒石酸根和醋酸根的分离分析，结果与实施例1相似。
Claims (1)
1、一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片溶剂辅助热压封装方法，其特征在于选择对聚甲基丙烯酸甲酯溶解度较小的有机溶剂环戊酮或乙酸为粘合剂，使用由硅阳模原位聚合制作的含微流通道的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片，将上述有机溶剂均匀滴涂在与基片同尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯盖膜上，然后与基片对准并合上，置于75-85℃的烘箱中，通过在微流控芯片上下两侧的两块玻璃板和铁块对待封装的微流控芯片施加1-2牛顿/平方厘米的压力10-15分钟，冷却到室温，得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。
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