CN101051044A

CN101051044A - 凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片及制备方法

Info

Publication number: CN101051044A
Application number: CN 200710078143
Authority: CN
Inventors: 杨军; 刘向绍; 张丽果; 翟盛杰; 郑小林
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2007-10-10

Abstract

本发明提出一种凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，它由相互结合的三层组成，第I层为承载层，第II层为传感阵列层，第III层为微流通道层；传感阵列层上分布有微通道网络，所有微通道都被包被有化学传感物质的凝胶充满；微流通道层上也有微通道网络，微通道畅通，用于样品溶液流动，传感阵列层和微流通道层上的微通道网络相正交。本发明还进一步提出了其制备方法。本发明结构简单，加工方便，成本低廉，有利于推广，它可以用于微芯片上固定不同性质的传感物质，实现高通量传感分析和筛选芯片的研制开发。

Description

凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片及制备方法

技术领域

本发明属于生物工程和分析化学技术领域，具体涉及化学传感阵列芯片。

背景技术

近年来，把化学和生物传感装置集成到微流控芯片中作为检测手段的研究得到很大发展，这些微流控的传感装置在遗传分析、药物筛选、食物检疫和临床分析等方面都有重要的应用价值。由于高度集成和并行处理技术有利于微流控芯片装置的微型化，大量的相似功能单元的并行工作可用于提高分析效率，实现高通量分析和筛选，因此，微流控芯片中的传感阵列技术得到了越来越广泛的重视。而微加工技术的快速发展是传感阵列技术得以实现的重要基础，如微加工技术或者微加工仪器可以实现芯片上微结构阵列的加工，在微型化装置上集成成千上万的敏感单位。目前，多步光刻技术和芯片点样机已经被广泛用于传感阵列的加工。但是，基于这些方法的微传感阵列芯片仍然存在结构和加工复杂，价格昂贵等缺点。因此，开发更简单实用的微传感阵列芯片及其加工技术仍然是当务之急。

最近，有学者利用胶包被方法把荧光传感器集成到微流控系统中，在微流环境中很好地保留了超分子化学传感物质的复杂信号传输机制。这种芯片采用光敏感的胶物质，胶物质本身需要和化学敏感物质发生耦连作用，然后采用光刻的方法进行微加工。由于胶物质和敏感物质之间的化学耦连只能在少数物质之间发生，可应用的范围很窄。而且，传统光刻方法成本较高，加工工艺复杂，这种通道内集成的胶包被传感单元通常都是单个存在，未见有传感阵列的报道。利用微通道阵列和微通孔的微马赛克方法则实现了芯片上的细胞阵列加工。该微阵列芯片芯片由四层结构：承载层，传感阵列层，通孔层和流动通道阵列层由下到上依次叠加而成。在传感阵列层中利用琼脂糖凝胶包裹具有生物荧光的细胞系(表达萤火虫荧光素酶的大肠杆菌)，然后注入微通道中，并在微通道和通孔层的通孔中凝固。流动通道阵列层中的每条通道正好流过不同的微通孔，在通道中注入荧光素/ATP混合物后，可以在通孔处检测到荧光，每个通孔都是荧光检测阵列的一个单元。这个系统集合了微流控技术和阵列芯片的优点，适合于高通量分析和筛选。但是，这个芯片只用在了细胞中生物荧光的检测上，未进行更普遍的化学传感检测，在凝胶浓度等方面的要求较低。而且，该芯片中微通孔的存在，虽然减小了样品扩散带来的影响，微米级的通孔和上下两层微通道的对齐在加工工艺上有很大的难度，不利于推广使用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，是微马赛克方法的进一步发展。首先，通过选择合适浓度的凝胶来实现化学传感物质的包被和固定，并利用两层微通道阵列(胶阵列和流动通道阵列)的直接接触来形成化学传感单元阵列，排除了微马赛克方法中微孔加工和对齐所带来的不便。

本发明提出的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片是由相互结合的三层组成，第I层为承载层，第II层为传感阵列层，第III层为微流通道层；传感阵列层上分布有微通道网络，所有微通道都被包被有化学传感物质的凝胶充满；微流通道层上也有微通道网络，微通道畅通，用于样品溶液流动，传感阵列层和微芯片层上的微通道网络相正交。

所述承载层的材料可采用玻璃、硅等硬质材料。

所述传感阵列层材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚氨酯等弹性橡胶材料。

所述微芯片层采用玻璃、石英、PDMS等常用透明芯片加工材料。

所述凝胶采用采用加热等方法融化，与不同浓度化学传感物质混合后，按不同浓度依次埋填在微通道网络的不同微通道中。

本发明还提出了上述凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片的制备方法，首先通过微加工方法在传感阵列层基底材料上加工微通道网络，将不同混合比例的凝胶与化学传感物质混合物融化后注入不同的微通道中，凝结后形成传感阵列层；然后在该传感阵列层上叠加另一个具有微通道网络的微流通道层，叠加时保证传感阵列层和微流通道层上的微通道网络相正交；最后，将结合好的微流通道层和传感阵列层再结合到承载层上，由此形成一个完整的微流控化学传感阵列芯片。

本发明提出的化学传感阵列芯片具有以下优点：

(1)采用非偶连的方法，实现了用凝胶直接包被化学传感物质。与化学偶连方法相比，操作简单，应用广泛；

(2)本发明的传感物质在凝胶中保持了很好的传感特性；

(3)本发明取消了以前微马赛克方法中的硅片和其中的微孔结构，使上下两层基片(即第II和第III层)的对齐变得非常容易，避免在加工过程中使用复杂的对齐平台和装置，降低了加工难度。

(4)可以在芯片上获得更多的传感单元(在2×2cm大小的芯片上可以加工上万个传感单元和复杂的传感单元阵列分布)，大量不同的敏感物质也可以被加工到同一个芯片上，在高通量分析和筛选方面有巨大的潜在应用价值。

附图说明

图1是本微流控化学传感阵列芯片的平面示意图。

图2是本微流控化学传感阵列芯片的剖面示意图。

图3是微流控化学传感阵列芯片的检测装置示意图。

图4是单一传感单元传感检测时间响应曲线。

图5是传感单元阵列荧光扫描结果。

图6是其中传感阵列层的制备工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1和图2，微流控芯片由三层组成，第I层是承载层1，采用玻璃，第II层是传感阵列层2，第III层为微流通道层3，两层均采用PDMS制成。第II和III层2和3上有正交的微通道网络4，一个用于胶的凝固，另一个用于样品的流动。第II层的微通道网络由十条平行的微流通道A-J组成，在与其它层结合前，微通道网络中所有通道都被凝胶充满。而第III层的微通道网络由六条平行的微流通道K-P组成，它们在芯片结合好后与第II层2的微通道垂直相交。两个相交的微通道网络共有60个交叉点，也只有在这些特定的交叉点，填埋的凝胶才能和第III层3中流动的样品溶液相接触。由于凝胶完全充满了第II层2的微通道，因此，第III层的溶液只能在上面的微通道网络中流动而不能进入胶填充的微通道网络中。每个特定交叉点下方凝胶块中的敏感物质可以与溶液中的待测物质作用而成为一个单独的敏感单元。一系列不同浓度的Fluo-3/凝胶混合物被凝固在第II层2的微通道网络的不同微通道中，从而形成一个与上层样品溶液的流动方向一致的浓度梯度。其中，在微流通道A中Fluo-3浓度最低，在微流通道J中浓度最高。在第III层上钻的12个通孔用做样品流动的进口5(靠近微流通道A)和出口6(靠近微流通道J)。芯片中的第I层1的玻璃主要起支撑作用。整个芯片的尺寸为20(长)×10(宽)×5(高)mm，通道的宽度和深度分别为100μm和30μm，相邻通道的间隔为300μm，所有进口5和出口6小孔的直径为2mm。

实施例2：利用琼脂糖凝胶包被Fluo-3传感物质检测溶液的钙离子浓度

图3是采用这一微流控芯片的检测装置的结构示意图，采用内径1mm的橡胶管与芯片进口5和出口6连接，并用支架固定好。盛放于6个试剂瓶7中的样品溶液在微流蠕动泵8的驱动下流过流动通道网络中的不同通道。在各个交叉点位置，溶液中的钙离子扩散到下层的凝胶中，并与其中的Fluo-3分子发生反应，在激光的照射下发出荧光。利用激光共聚焦显微镜9来检测各个交叉点的荧光强度。

当1μM的氯化钙溶液流经微流通道K的时候，监测交叉点JK(标记为J和K通道的交点，以下同)处的荧光强度。图4表示荧光强度和时间的关系，插图为JK点的荧光显微照片。图中的荧光强度值经过标准化处理，最大荧光强度值与背景荧光强度的差值定义为1。当溶液流动约1分钟后，可以在交叉点JK检测到微弱的荧光。在随后的几秒钟之内，荧光强度很快从0增加到0.8，然后缓慢增加到达稳定状态，此时荧光强度基本维持在最大，而钙离子在胶里面的扩散也基本达到平衡。然后，用三蒸水来替代氯化钙溶液，会观察到一个明显的荧光下降过程。这个集成的传感单元的响应非常快(其它荧光单元的相应曲线也基本类似)，从荧光出现到荧光强度基本稳定的时间大概为1分钟。由于在钙离子溶液换为不含钙离子的三蒸水后，钙离子从凝胶内部扩散出来的速度比钙离子溶液中钙离子的向内扩散更加缓慢，因而恢复时间比响应时间曲线坡度要缓很多。

4个不同浓度的氯化钙溶液被加入不同的微通道中，溶液在1分钟内可以充满第II层2中的所有通道。3分钟后，用共聚焦显微镜扫描每个交叉点的荧光强度，检测结果在图5中。对于中的任何一条微流通道，沿流动方向(A到J，图中的箭头方向)的一系列交叉点上所检测到的荧光强度成梯度排列，这是因为在这个方向排列的胶通道中所固定的荧光物质具有同样的浓度梯度。对于所有的流动通道来说，与胶通道J相交的交叉点上的荧光强度最高。对于给定的荧光物质浓度，很明显，高浓度溶液所发出的荧光强度也最高。在1μM氯化钙溶液流经的通道中，所有交叉点的荧光都可以被清楚地检测到，而当100nM氯化钙溶液流经通道时，在荧光物质较低的胶通道的交叉点上难以检测清晰的荧光。在芯片上的流动通道中，荧光强度梯度非常明显，最小可检测的钙离子浓度与普通溶液中的检测结果基本一致。因此，Fluo-3对钙离子的敏感性在微流的凝胶环境得到了很好的保留。

实施例3：化学传感阵列层的制备方法，参见图6：

首先，利用光刻-湿蚀刻技术在硅片上加工目标通道结构的正浮雕母板，该母板一经加工完成可以多次重复使用。母板中的图案与弹性橡胶中通道的尺寸完全一致。

当母板加工完成后，用复制模塑方法在弹性橡胶上加工所需要的通道网络。在模塑操作前，先把硅母板依次用水和甲醇清洗，然后用氮气吹干。

把脱气的弹性橡胶，此处采用PDMS，聚合物前聚物(Sylgard 184硅橡胶，Dow Corning，Midland，MI)和硬化剂根据10∶1的重量比配好然后倾倒在硅母板上。真空去除气泡后在85℃恒温箱中经过至少4小时的硬化，PDMS在母板上凝固成型。

把复制好的PDMS胶块从母板上剥离，可以得到与母板上凸结构对应的通道结构。在每个通道的末端用打孔器打孔，用于凝胶注射。

把PDMS胶块用氧气等离子活化(在150W，0.75Torr条件下一分钟)，然后盖在清洁的硅片上。把敏感物质溶液和熔融的凝胶溶液混合，然后混合物从不同的进口依次加入不同的凝胶通道中，在通道的出口用注射器缓慢往外吸。

在不同浓度的混合物加入不同的通道以后，把芯片从恒温箱中取出，让凝胶完全凝结。

把所有通道都完全充满凝固的凝胶的PDMS胶块从硅片上小心剥离下来，用刻刀把PDMS块加工成合适的尺寸。

在传感阵列上面盖上加工有微通道的网络的微芯片，构成一个完整的微流控化学传感阵列芯片。

Claims

1.一种凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：它由相互结合的三层组成，第I层为承载层，第II层为传感阵列层，第III层为微流通道层；传感阵列层上分布有微通道网络，所有微通道都被包被有化学传感物质的凝胶充满；微流通道层上也有微通道网络，微通道畅通，用于样品溶液流动，传感阵列层和微流通道层上的微通道网络相正交。

2.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：所述承载层采用玻璃、硅硬质材料。

3.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：所述传感阵列层采用聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶、聚氨酯等弹性橡胶材料制成。

4.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：所述微流动通道层采用玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷PDMS常用透明芯片加工材料制成。

5.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：所述凝胶采用加热方法融化，与化学传感物质混合后，按浓度大小依次埋填在微通道网络的不同微通道中，凝胶浓度大于4％。

6.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：微通道尺寸为10-100微米宽，10-50微米深。

7.根据权利要求1所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片，其特征在于：相邻微通道的间隔为1-2个通道宽度。

8.权利要求1、2、3、4、5、6或7之任意一项所述的凝胶包被为基础的微流控化学传感阵列芯片的制备方法，其特征在于通过微加工方法在传感阵列层基底材料上加工微通道网络，将不同混合比例的凝胶与化学传感物质混合物融化后注入不同的微通道中，凝结后形成传感阵列层；然后在该传感阵列层上叠加另一个具有微通道网络的微流通道层，叠加时保证传感阵列层和微流通道层上的微通道网络相正交；最后，将结合好的微流通道层和传感阵列层再结合到承载层上，由此形成一个完整的微流控化学传感阵列芯片。