CN101158694A - 一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征是：首先在一基片上制作微流体管道或腔体，并在另一基片上制作可以与该基片微管道或腔体嵌合的模具，然后在嵌合了模具的微流体管道或腔体中浇注凝胶溶液，利用模具图形的限定，使得凝胶聚合后在微流体管道或腔体中特定区域形成集成的微孔膜结构，最后除去模具，并将微流体管道或腔体基片与一平整基片键合制得集成微孔膜的微流控芯片。本发明具有制作过程简单、成本低廉的特点，所制作的微流控芯片可实现芯片上样品制备功能的集成，尤其适于微量生物样品的过滤、富集和透析等在片操作，可应用于复杂样品的在线、快速、高灵敏度分析检测。

Description

一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，属于微型全分析系统领域。

背景技术

微型全分析系统(Micro Total Analysis System，μTAS)，又称芯片实验室(Lab-on-a-Chip，LOC)，代表着分析仪器走向微型化、集成化的发展方向，旨在通过分析化学、微机电加工、材料科学、电子学以及生物学、医学的交叉，实现分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化和便携化。微流控芯片是微型全分析系统的核心，其优点在于通过芯片通道中自动的微流控操作，显著降低样品和试剂消耗，而且使分析速度大大提高、费用显著降低。除此之外，微型化所具有的体积小、重量轻、便于携带等特点，也使得其应用范围可以拓展到实验室以外的许多场合，如家庭里的疾病诊断、野外的环境监测、犯罪现场的法医鉴定和战场上生化武器的侦测等。

在微流控芯片技术发展早期(20世纪90年代中后期)，毛细管电泳芯片是其主流技术，其中大多数应用集中在分析过程下游的分离、检测等方面，所用芯片结构简单，功能单一；进入新世纪后，微流控芯片开始向功能化、集成化方向飞速发展，诸如聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)、免疫反应、细胞裂解等重要的生物和化学过程都得以在芯片上实现，而现阶段，为了构建真正意义上的微型全分析系统，人们开始将更多的目光投向各种样品预处理技术在芯片上的集成，如过滤、液相萃取、固相萃取及微透析等。

目前，在微流控芯片的样品预处理功能集成方面，利用集成的微孔膜结构来实现芯片上的初级样品过滤、透析和浓缩等操作已成为一个公认的有效手段，比如Song等人利用光原位聚合方法在微流体芯片上制作纳米孔半透膜结构，进行芯片上的在线透析操作[Song S，et al.Microchip Dialysis ofProteins Using in Situ Photopattemed Nanoporous Polymer Membranes.Anal.Chem.，2004，76：2367-2373.]；Foote等人通过在毛细管电泳芯片主通道和侧通道之间加工硅酸盐纳孔膜进行蛋白质样品浓缩，实现了样品浓缩功能与分离检测功能的集成[Foote R S，et al.Preconcentration of Proteins onMicrofluidic Devices Using Porous Silica Membranes.Anal.Chem.，2005，77：57-63.]。但是上述这些集成式的微流控芯片都对加工材料和设备有较高的要求，制作过程相对复杂、繁琐，限制了这些技术的推广应用。

另外，利用常规的石英材质或聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)材质毛细管电泳芯片进行分离分析，为了获得较好的分离效果，往往要对电泳微管道表面进行繁琐、复杂的修饰处理，比如Youssouf Badal等人利用PDMS结合表面活性剂对石英材料的电泳芯片管壁进行涂层处理[Youssouf Badal M et al.Protein separation and surfactant control ofelectroosmotic flow in poly(dimethylsiloxane)-coated capillaries and microchips.Journal of Chromatography A，2002，947：277-286.]，整个过程涉及多个清洗和涂覆步骤以及高温处理过程，整个流程耗时近4个小时。此外还有磷脂双分子层涂层方法、连续多重离子聚合物涂层方法等，均需要繁琐的操作，且涂层效果不稳定，随着电泳实验次数的增加电泳分离性能会有所下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，通过注模方法结合凝胶溶液，在微流体管道或腔体中制作集成微孔膜的微流控芯片，实现芯片上样品预处理功能与分析检测功能的集成。该方法工艺简单、成本低廉，且微管道管壁为常规电泳凝胶材料，无须额外修饰处理，易于推广使用。

本发明提供的一种集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于：1)制备带微管道或微腔体的底层基片；2)在另一基片上制作与该底层基片微腔体嵌合的模具；3)将上述模具的基片与微管道或微腔体基片实行嵌合；4)在嵌合模具的微管道或微腔体中浇注凝胶溶液；5)凝胶溶液聚合，利用模具图形的限定使凝胶聚合后在微流体管道或腔体中的特定区域形成集成的微孔膜结构；6)揭去模具；7)将除去模具的微管道或微腔体基片与一平整盖片键合。

具体而言，首先利用光刻结合湿法刻蚀或等离子刻蚀工艺在硅片或玻璃片上制作带微管道或微腔体的底层基片，或利用SU-8制作模具，通过PDMS注模工艺制作带微管道或微腔体的底层基片；在硅片或玻璃片上旋涂SU-8光刻胶，通过光刻、显影、热烘制作阳模模具基片，或者先利用硅片或玻璃刻蚀形成阴模，也可以利用SU-8光刻形成阴模，然后再利用PDMS浇注固化形成阳模模具基片；之后将阳模模具基片和微管道底层基片对准嵌合，并在模具和微管道或微腔体之间空隙以及模具图案本身形成的空隙中浇注凝胶溶液，凝胶溶液为琼脂糖溶液或聚丙烯酰胺前体溶液(丙烯酰胺、N，N-甲叉双丙烯酰胺、N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和过硫酸铵四种成分的混合溶液)；静置，待凝胶聚合后，揭去模具，将一表面平整玻璃、PDMS或PMMA盖片与微管道或微腔体基片贴合制得微流控芯片，利用模具图案的设计可以在微流控芯片选择区域形成微孔膜结构，用于芯片上的样品过滤、透析或浓缩等操作。

本发明所述制备微管道或微腔体的基片材料可以为玻璃、硅片、PMMA或PDMS中的一种；所述制备模具的基片材料可以为玻璃、硅片、PMMA或PDMS中的一种；所述模具为阳模，模具材料可以为SU-8、PI(聚酰亚胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PDMS(聚二甲基硅氧烷)的一种；所述微管道或微腔体基片上微管道或微腔体深度大于嵌合模具高度；所述微管道或微腔体基片上微管道或微腔体宽度大于嵌合模具宽度；所述盖片材料可以为玻璃、硅片、PMMA或PDMS中的一种；所形成的微管道除顶壁外，其余管壁均为凝胶构成；所述凝胶溶液为加热熔化的琼脂糖凝胶溶液，或者加入加速剂和催化剂的聚丙烯酰胺凝胶单体溶液(丙烯酰胺和N，N-甲叉双丙烯酰胺混合液)；其中，琼脂糖凝胶溶液的浓度在0.1％～5％(w/v)之间，聚丙烯酰胺凝胶单体母液中丙烯酰胺所占体积百分比在1％～30％之间，加速剂可以为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺或β-二甲基胺基丙晴，催化剂可以为过硫酸铵或核黄素；所述集成微孔膜的孔径在5nm～500nm之间。

本发明与目前常规的毛细管电泳芯片制备方法相比，集成了微孔膜结构，实现了芯片上样品预处理功能的集成，尤其适用于微量生物样品的过滤、富集和透析等的在片操作，同时，由于管壁为电泳凝胶材料，省去了繁琐、复杂的内壁修饰处理，减少了工艺复杂度，降低了制作成本，易于微流控芯片的推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例制作底层微腔体基片模具示意图

图2为本发明实施例注模模具示意图

图3为本发明实施例制作底层微腔体PDMS基片示意图

图4为本发明实施例注模模具和微腔体基片对准嵌合示意图

图5为本发明实施例注模并剥离模具后凝胶上形成微管道示意图

图6为图5区域4局部放大示意图

图7为本发明实施例将PDMS盖片与形成凝胶微管道的基片对准键合示意图

具体实施方式

制备集成纳米孔膜、具有生物大分子样品浓缩功能微流控芯片的步骤：

1.利用SU-8负性光刻胶，通过涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘等步骤在硅片上制作两种模具；其中一个模具1用于制作底层微腔体基片，另一模具2用于制作微管道和集成纳米孔膜的注模模具基片(如图1、图2所示)。

2.在模具1上浇注PDMS，80℃静置2小时，固化后剥离，制得底层微腔体基片3如图3所示)。

3.在注模模具基片2相应位置打孔，并将其与微腔体基片3对准贴合(如图4所示)，通过开孔在模具和微腔体之间空隙以及模具图案本身形成的空隙中浇注加入加速剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和催化剂过硫酸铵的20％聚丙烯酰胺单体溶液(丙烯酰胺和N，N-甲叉双丙烯酰胺的混合溶液)。

4.静置30分钟，待凝胶溶液胶联固化后，揭去模具基片2，底层PDMS基片3腔体中将形成由聚丙烯酰胺凝胶5构成的微流体通道结构6(如图5所示)，其中集成聚丙烯酰胺纳米孔膜结构7(如图6所示)。

5.制备一平整PDMS基片8作为盖片与集成纳米孔膜微流体通道结构的PDMS基片3贴合形成集成微孔膜的微流控芯片(如图7所示)，制备的微流芯片的集成微孔膜的孔径介于5nm-500nm之间。

Claims (10)

1.一种集成微孔膜的微流芯片的制备方法，其特征在于所述的方法是通过注模方法结合凝胶溶液，在微流体管道或腔体中制作集成微孔膜的微流控芯片，实现芯片上样品预处理功能与分析检测功能的集成。

2.按权利要求1所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于所述的方法的制作步骤为①制备带微管道或微腔体的底层基片；②在另一基片上制作与步骤①嵌合的模具；③将上述带模具的基片与微管道或微腔体底层基片嵌合；④在嵌合了模具的微管道或微腔体中浇注凝胶溶；⑤凝胶溶液聚合在微流体管道或腔体中的特定区域形成集成微孔膜结构；⑥揭去模具；⑦将除去模具的微管道或微腔体底层基片与一平整盖片键合。

3.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于所述的方法的制作步骤为①中所述的带微管道或微腔体的底层基片是利用光刻结合湿法刻蚀或等离子刻蚀工艺在基片或玻璃片上制作的，或利用Su-8制作模具，通过PDMS注模工艺制作的。

4.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤为②中模具为阳模，模具材料为SU-8、PI、PMMA或PDMS；

其中PI表示聚酰亚胺、PMMA表示聚甲基丙烯酸甲酯，PDMS表示聚二甲基硅氧烷。

5.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤为③中所述带模具的基片与微管道或微腔体底层基片嵌合时微管道或微腔体深度大于嵌合模具的高度，微管道或微腔体宽度大于嵌合模具宽度。

6.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤④中所述的浇注凝胶溶液为加热熔化的琼脂糖凝胶溶液，或者加入加速剂和催化剂的聚丙烯酰胺凝胶单体母液；加速剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺或β-二甲基胺基丙晴，催化剂为过硫酸铵或核黄素。

7.按权利要求6所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于所述的琼脂糖溶液体积质量百分浓度为0.1-0.5％，聚丙烯酰胺凝胶单体母液为丙烯酰胺和N，N-甲叉双丙烯胺混合液，丙烯酰胺所占体积百分比为1％-30％。

8.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于所形成的微管道除顶壁外，其余管壁均为凝胶构成。

9.按权利要求2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤⑦中的盖片材料为玻璃、硅片、PMMA或PDMS。

10.按权利要求1或2所述的集成微孔膜的微流控芯片的制备方法，其特征在于所制备的集成微孔膜的孔径在5nm～500nm之间。

Images