CN101229670A

CN101229670A - 聚合物场流分离芯片制作方法

Info

Publication number: CN101229670A
Application number: CNA2007100562719A
Authority: CN
Inventors: 左春柽; 张学军; 杨凯钧
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明涉及一种聚合物场流分离芯片制作方法，属于生物分离领域的新方法和新制作工艺。芯片采用聚合物通过热模压和热键合工艺制作，包括：(1)热模压模板制作：在金属板材上切割出与分离流道的外形尺寸相同的模板，长度：300～600mm宽度：20～40mm，厚度：0.5～2mm，模板上下底面抛光加工；(2)将板材在热压机上加热软化后，选用已加工好的模板在板材上压出分离流道外形；(3)使用盖片和基片进行盖板热键合，键合出芯片。本发明解决了生物分离领域、药物筛选、食品和商品检验、环境监测分析的一次性使用芯片的问题，与传统工艺相比加工工艺简单，生产成本低，为连续化生产提供前提。

Description

聚合物场流分离芯片制作方法

技术领域

本发明涉及一种新的聚合物场流分离芯片及制作方法，属于生物分离领域的新方法和新制作工艺。

背景技术

场流分离(Field flow fractionation-FFF)作为一种新的分离技术，它可用于大分子、胶体和微粒的分离。以前的场流分离是由相距很近的上下平板间构成扁平带状流道组成，载流液流于其中。载流为层流，其流型为抛物型，中心线上速度最大。侧向场从侧面垂直与流动方向施加，侧向场导致不同成分处在距下壁不同的位置上，从而有不同的移动速度，在此前提下进行分离。FFF是一种基于流动的分离方法。场流分离作为一类分离技术可分离、提纯和收集流体中的悬浮物微粒。可被用于多种物质的分离，包括：纳米管分离、干细胞、细菌病毒等。场流分离适用于样品组分尺寸从1nm～100μm的大分子、胶质和微粒物料的分离，也可完成对多组分物理特性参数的测定。如：质量、密度、液力直径、电荷、普通扩散系数、热扩散系数、水动升力甚至是胶质表面组成。

由于场流分离流道的特殊结构，即流道厚度远远小于流道的宽度和长度。因此进入分离流道内需分离的样本组分将在的厚度方向，即垂直于流动方向上首先达到浓度平衡。分离场(重力或电场)垂直于流动方向施加。一旦对场流分离流道施加以分离场，那么由于该场对被分离样本中各组分的作用，原有的被分离样本各组分在厚度方向上的浓度平衡将被破坏，从而达到分离目的。

对聚合物场流分离系统来说，分离流道是分离过程能否实现和分离效果好坏的关键因素。目前使用的场流分离流道一般由材料不同的上下流道板构成。重力场流分离的上下流道板多使用超平玻璃，电场流分离的上下流道板多使用起电极作用的石墨板。对场流分离流道的一个最基本的要求就是，在分离过程中场流分离流道要有一定的密封性。场流分离流道在分离实验进行过程中不能出现泄漏的情况。因此若想形成可以使用的场流分离流道，单有分离流道形成片及上下流道板是不够的，它们之间必须被有机地组合在一起。对平面型场流分离流道，目前均采用螺栓加紧方式，即将流道形成片与上下流道板置于两块加紧板之间，利用螺栓连接两加紧板。通过螺栓紧固时产生的作用力，将分离流道形成片与上下流道板紧密结合在一起，达到形成具有一定密封能力的分离流道的目的。在夹紧板上均匀分布若干螺栓孔，用以通过夹紧螺栓。电场流分离流道的制作方法与重力场流分离流道制作方法相似，其差别仅在于将平板玻璃换成平板电极。该方法存在生产率低下，不利于批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产率高，利于批量生产的聚合物场流分离芯片的制作方法，即重力场流及电场流分离流道系统的制作方法。

本发明的目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种聚合物场流分离芯片制作方法，芯片采用有机材料通过热模压和热键合工艺制作，包括：热压模板制作，芯片分离流道热模压成型，芯片分离流道系统热键合(热键合也称扩散键合，就是首先将两块经过一系列表面处理后，紧密地贴在一起，在室温下形成光胶，然后再对晶体进行热处理，在无须其他粘结剂和高压的情况下形成永久性键合，)，具体制作方法是：

(1)热模压模板制作：在金属板材上切割出与分离流道的外形尺寸相同的模板，长度：300～600mm宽度：20～40mm，厚度：0.5～2mm，模板上下底面抛光加工；

(2)将板材在热压机上加热软化后，选用已加工好的模板在板材上压出分离流道外形；

(3)使用盖片和基片进行盖板热键合，键合出芯片。

所说的热模压模板制作可以在毛坯料上加工出具有分离流道厚度和形状的凸模板模芯(模芯大小与流道大小尺寸相同，用该凸模板直接置于热模压机的模架压块上。

所说的热压模板制作可以在热压机上一次热模压出完整的分离流道外形，也可以采用较小热模压压块尺寸一般为90×90mm²，在热压机上多次分段热模压出完整的分离流道。

所说的重力场流分离流道的制作方法是：使用与分离流道厚度相等的平面模板，将待加工原料置于热压机下压块上，模板置于板材上，上下压块温度调整到90～135度范围，热压成型的压力制在2～4Mpa，时间控制在时间：3～5分范围内，热压成型后，保持压力，切断热压机上下压块加热电源卸载温度，待工件与热压机整体冷却至室温后取出工件，完成热压成型过程。

所说的重力场流分离芯片流道的制作方法是：平面模板厚度大于分离流道厚度，通过控制热模压的温度、压力和时间加工不同深度的分离流道。

所说的重力场流分离流道的制作方法是：通过控制热压机压块不同位置的温度不同，采用相同压力与保压时间压制出变深度的分离流道。

所说的电场流分离流道制作方法是：在重力场流分离流道的上表面，既基片的上表面相应位置附加一层导电材料涂层，该导电涂层通过聚合物板上的孔用铆钉与电源导线连接。

所说的重力场流分离流道系统热键合方法是：将基片与盖片置于热压机上，调整热压机压块的温度，待基片与盖片的温度与热压机压块温度相同时加压，并保持压力一定时间，保温保压足够时间后停止加热，此时仍保持压力不变，最后待热压机与热键合件整体冷却到室温一定温度时，将热键合件从热压机上取下，完成热键合过程。

所说的重力场流分离流道系统热键合方法是：在基片与盖片的内表面涂上一层热键合辅助剂，所说的辅助剂可以采用有机溶剂；所说的电场流分离流道系统热键合方法是：在基片的外表面上涂有导电涂层，该涂层为电场流分离的一个电极。

本发明的电场流分离流道系统热键合方法与重力场流分离流道系统的热键合方法基本相同，二者的区别在于电场流分离流道系统热键合时使用的基片的外表面上涂有导电涂层，该涂层作用是充当电场流分离的一个电极。

本发明的技术方案的积极效果：本聚合物场流分离芯片因为只需要对聚合物进行热模压和热键合的工艺，所以与传统的场流生物芯片相比存在材料的选取方便，结构及加工工艺简单，降低了生产成本。容易在线监测。特别为连续化生产提供了前提。为生物分离领域大量和一次性使用芯片做出了积极的贡献。

附图说明

图1平面模板示意图；

图2聚合物场流生物芯片组成示意图；

图3聚合物场流生物芯片结构示意图；

图4凸模板示意图；

图5a是模压成型主视图；

图5b是图5a的侧视图；

图6辅助板热模压一热键合示意图；

图7a是电场流分离流道主视图；

图7b是图7a的侧视图；

图中1-热压机模架上压块 2-模板 3-聚合物 4-热压机模架下压块 5-上辅助板6-紧固螺栓 7-下辅助板 8-导电涂层 9-载液及样品入口 10-载液及样品出口 11-分离室 12-基片 13-盖片

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容。

该方法是利用热模压工艺制作分离流道，利用热键合工艺形成分离流道系统。该方法包括：热压模板制作，芯片的分离流道热模压成型，芯片的分离流道系统热键合。

1.热压模板的制作

本发明热压模板的制作方法有三种：

第一种方法：取与分离流道深度相同或大于分离流道深度的金属板材作为毛坯，要求毛坯板表面足够平整，其表面不允许存在凸起或凹陷。若毛坯料达不到要求，可选取厚度较大的毛坯，通过机械加工手段使其满足表面光洁度和厚度的要求。在毛坯料上切割出分离流道形状的模板，见附图1。切割出的模板边缘无毛刺。这一工作在数控线切割机上完成。切割出的模板需进行表面抛光处理。为延长模板的使用寿命，模板材料最好选用不锈钢。

第二种方法：取具有一定厚度的钢板作为毛坯料，钢板厚度通常可取8mm～14mm。利用机械加工方法加工出所需外形，钢板的外形尺寸应与制作分离流道的有机板尺寸相同或略大于有机板尺寸。加工钢板外形可在数控线切割机上完成，也可先利用气割然后使用铣削方法加工。加工后的钢板需经磨床磨削上下表面，使钢板上下表面具有很好的平面度与平行度。利用机械加工方法在其上加工出具有流道外形和厚度的凸模板，见附图2。该工作可在数控铣床上完成，也可在磨床上完成。

第三种方法：该方法与第二种方法基本相同，其区别在于凸模板与热压机上的一个压块刚性连接在一起，或将凸模板直接作为热压机的一个压块。使用该模板更有利于批量化生产。

2.重力场流分离流道的制作

本发明的重力场流分离流道的制作方法有五种：

第一种方法：使用与分离流道厚度相等的平面模板，将待加工的板材置于热压机下压块上，模板置于板材上，上下压块调整到适当温度进行热压成型，见附图3。热压成型的压力与时间控制在要求范围内。保持压力，切断热压机上下压块加热电源，卸载温度，待工件与热压机整体冷却后取出工件，完成热压成型过程。

第二种方法：使用与分离流道厚度相等的平面模板，将待加工有机材料板与平面模板一同置于辅助板之间并用紧固螺栓锁紧，见附图4。将夹紧后的板材与辅助板一同置于热压机上，适当调整上下压块温度进行热压成型，热压成型的压力与时间控制在要求范围内。当达到热压要求时间后，切断热压机上下压块加热电源，将辅助板及有机材料板一同从热压机上取下，自然冷却到室温，松开紧固螺栓，从中取出热压件，完成热压成型过程。该方法较第一种方法生产率高，但质量略差。

第三种方法：该方法是第一种方法及第二种方法的改进。它是将第一种方法与第二种方法中使用的模板厚度加大。在这种方法中平面模板厚度要大于分离流道厚度，但其热模压的温度、压力和时间均小于上述两种方法。因此热压成型的分离流道深度小于模板厚度。该方法的模板制作更适合于机械加工，同时适当控制热模压的温度、压力和时间可以获得任意深度的分离流道。

第四种方法：该方法是在上述三种方法基础上，采用热压机压块温度不同的方式进行热模压。其特点是由于同一压块不同位置温度不同，造成原料不同位置软化程度不同。因此在相同压力与保压时间的条件下，压制出的分离流道不同位置深度不同。利用该方法可以热压出变深度的分离流道，而变深度分离流道有助于提高重力场流分离效率。

第五种方法：上述四种方法均属于一次成型的热模压方法，即通过一次热模压便可得到完整的分离流道轮廓。但上述四种方法不适用于热压机的压块尺寸小于分离流道的长度的情况。在热压机的压块尺寸小于分离流道的长度的情况下可采用分段模压方法。该方法是利用辅助板通过多次热模压分段完成分离流道的压制。该方法可以保证在热压设备受限的情况下，仍能通过热模压方法获得完整的分离流道。

3.电场流分离流道制作方法

本发明的电场流分离流道的制作方法是在上述重力场流分离流道制作方法的基础上，利用涂层技术在基片的外表面上加一层导电材料涂层，见附图5。该涂层的作用是作为电场流分离的电极。导电涂层通过有机材料板上的孔用铆钉与电源导线连接。

4.重力场流分离流道系统热键合

本发明使用两种热键合方法完成重力场流分离流道系统的热键合。

第一种方法：将基片分离流道板与盖片置于热压机上，调整热压机压块的温度，待分离流道板与盖片温度与热压机压块温度相同时加压，并保持压力一定时间。保温保压足够时间后停止加热，此时仍保持压力不变。最后待热压机与热键合件整体冷却到一定温度时，将热键合件从热压机上取下，完成热键合过程。

第二种方法：在分离流道板与盖板的热键合面上涂上一层热键合辅助剂，之后采用与方法一相同的办法进行热键合，获得重力场流分离流道系统。在该发明中以有机溶剂作为辅助键合剂。该方法热键合的温度和压力要低于第一种方法，同时热键合的时间较第一种方法要短，减小了盖片的热凸起现象，使芯片的流道基本没有变形。其热键合的强度远大于第一种方法。

5.电场流分离流道系统热键合

本发明的电场流分离流道系统热键合方法与重力场流分离流道系统的热键合方法基本相同，二者的区别在于电场流分离流道系统热键合时使用的盖板在其键合面的适当部位涂有导电涂层，该涂层作用是充当电场流分离的一个电极。

Claims

1.一种聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于芯片采用聚合物通过热模压和热键合工艺制作，包括：热模压模板制作，芯片分离流道热模压成型，芯片分离流道系统热键合，具体制作方法是：

(3)使用盖片和基片进行盖板热键合，键合出芯片。

2.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的热模压模板制作可以在毛坯料上加工出具有分离流道厚度和形状的凸模板模芯(模芯大小与流道大小尺寸相同，用该凸模板直接置于热模压机的模架压块上。

3.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的热压模板制作可以在热压机上一次热模压出完整的分离流道外形，也可以采用较小热模压压块尺寸一般为90×90mm²，在热压机上多次分段热模压出完整的分离流道。

4.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离流道的制作方法是：使用与分离流道厚度相等的平面模板，将待加工原料置于热压机下压块上，模板置于板材上，上下压块温度调整到90～135度范围，热压成型的压力制在2～4Mpa，时间控制在时间：3～5分范围内，热压成型后，保持压力，切断热压机上下压块加热电源卸载温度，待工件与热压机整体冷却至室温后取出工件，完成热压成型过程。

5.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离芯片的流道的制作方法是：使用与分离流道厚度相等的平面模板，将待加工板材与平面模板一同置于辅助板之间并用紧固螺栓锁紧，将夹紧后的有机材料板与辅助板一同置于热压机上，调整上下压块温度90～135度进行热压成型，热压成型的压力2～3MPa，时间控制在3～5分范围内，当达到热压要求时间后，切断热压机上下压块加热电源，将辅助板及原料有机材料板一同从热压机上取下，自然冷却到室温，松开紧固螺栓，从中取出热压件，完成热压成型过程。

6.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离芯片流道的制作方法是：平面模板厚度大于分离流道厚度，通过控制热模压的温度、压力和时间加工不同深度的分离流道。

7.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离流道的制作方法是：通过控制热压机压块不同位置的温度不同，采用相同压力与保压时间压制出变深度的分离流道。

8.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的电场流分离流道制作方法是：在重力场流分离流道的上表面，既基片的上表面相应位置附加一层导电材料涂层，该导电涂层通过聚合物板上的孔用铆钉与电源导线连接。

9.根据权利要求1所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离流道系统热键合方法是：将基片与盖片置于热压机上，调整热压机压块的温度，待基片与盖片的温度与热压机压块温度相同时加压，并保持压力一定时间，保温保压足够时间后停止加热，此时仍保持压力不变，最后待热压机与热键合件整体冷却到室温一定温度时，将热键合件从热压机上取下，完成热键合过程。

10.根据权利要求1或9所述的聚合物场流分离芯片制作方法，其特征在于所说的重力场流分离流道系统热键合方法是：在基片与盖片的内表面涂上一层热键合辅助剂，所说的辅助剂可以采用有机溶剂；所说的电场流分离流道系统热键合方法是：在基片的外表面上涂有导电涂层，该涂层为电场流分离的一个电极。