CN101281136A - 一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于紫外－可见吸收检测的微流控芯片的制备方法，此种结构芯片专用于紫外－可见吸收检测系统进行生化分析。该结构微流控芯片采用有机玻璃(PMMA)等聚合物材料为衬底。通过在芯片所设计的检测点位置处加工一个透射通孔台阶结构，同时在台阶位置镶嵌可透过紫外线的玻璃，可以解决聚合物衬底微流控芯片紫外光透过率低以及微米量级沟道所引起的光程短等两个问题。这种新型芯片结构简单，加工容易，工艺成本低，易于微流控芯片的推广应用。

Description

一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及生化分析领域，具体涉及的是一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片的结构。
(二)背景技术
紫外-可见光吸收检测作为生化分析领域一种常用的测试方法，虽然相对检测灵敏度较低，但具有通用性好，可以直接测量；不需要特殊的样品前处理过程，操作过程简化，分析效率高；作为一种非破坏性检测方法，能与其他检测器如质谱仪串联使用等优势，在生化分析领域的应用具有重要应用价值。但是，其在微流控芯片检测领域的应用发展受到限制，原因在于所采用的微流控芯片制作材料以聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等为主，所需紫外光源的透过率以及微米量级沟道所引起的光程问题都制约这种检测方法在生化分析领域的应用。
现阶段所制作而成的用于紫外-可见检测的微流控芯片多采用以石英玻璃为衬底，其加工采用了标准微电子工艺过程，即光刻→腐蚀→打通孔→键合，工艺复杂，成品率低，成本较高；PDMS虽然透光性能较好，但是其表面的憎水特点在一定程度上不利于广泛的推广使用。而为增加检测光程，以提高检测灵敏度，Moosavi等在玻璃芯片上制作了多重反射吸收池结构，在芯片通道检测区域的上下玻璃片外表面用热蒸发铝的方法形成各1cm2的反射镜面，并在上下表面相距一定距离分别制作直径30μm的光入射孔和出射孔；Tiggelaar等用多重反射原理制成体积为840nL的光吸收池检测芯片，在单晶硅片上刻蚀宽度为200μm，长度为7mm的检测通道及45°斜面侧壁(用于光的出入)，上部覆盖玻璃片等。这些方式方法在实验室中进行实验可行，可在应用中的成本问题必须考虑。
有机玻璃(polymethylmethacrylate，PMMA)以其造价低，加工容易在微流控芯片领域占有的比例愈来愈大，也是微流控芯片的主要发展方向。其加工工艺流程：1.制作基片；2.加工处理微沟道；3.开储液池；4.沟道封闭；5.粘接移液管；6.加电极及引线；7.加开检测窗。其中加工微沟道以及微沟道封闭两个步骤为加工的关键工艺。
聚合物为基底的微流控芯片的加工在国内外普遍采用的是软光刻技术、注塑法、金属丝印模法、硅片印制法、激光烧蚀法、LIGA技术以及准LIGA技术等，其操作工艺复杂，成本高，而且存在脱模等问题难点，对其广泛应用埋下伏笔。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺过程简单、有利于提高检测灵敏度的用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片及其制备方法。
本发明的微流控芯片是这样实现的：芯片的选材为有机玻璃以及其他聚合物，芯片面积≤100×100mm2，芯片上设置有微沟道，微沟道的几何尺寸为宽度10～300μm，深度10～200μm，长度为30～300mm，沟道形状可按需求设计，并在微沟道检测点位置设置有台阶通孔和检测窗口，台阶通孔处镶嵌有透紫玻璃，检测窗口设计孔径在10～1000μm，高度在10～500μm；玻离镶嵌窗口面积在5×5mm2以内，透紫玻璃厚度在200～500μm，作为芯片储液槽的台阶通孔孔径在0.5～2mm之间。
本发明微流控芯片还有这样一些技术特征：
1、所述的其他聚合物包括聚碳酸酯或聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷。
本发明的微流控芯片制备方法为：
(1)、采用有机玻璃以及其他聚合物材料作为芯片衬底材料；
(2)、将芯片衬底材料加工成所需要芯片尺寸，用去离子水超声清洗表面；
(3)、用微小型数控三轴立式机床进行机械法加工微流控芯片微沟道，并在相应位置处铣削检测窗口；
(4)、在加工完成沟道的有机玻璃芯片衬底上相应位置制作通孔，铣出玻璃镶嵌台阶；
(5)、在检测窗口处热镶嵌透紫玻璃，然后对铣削过的有机玻璃芯片衬底表面进行处理；
(6)、热压键合，进行沟道的封闭。
本发明微流控芯片制备方法还有这样一些技术特征：
1、所述的镶嵌透紫玻璃以加热嵌入方式进行镶嵌装配，玻璃加热温度在50～120℃；
2、所述的热键合时用两片钢板固定住芯片，升温速度10℃/min，键合温度范围为80-100℃，施加压力0.2MPa。
本发明的优点在于：
1、在有机玻璃上面加工镶嵌透紫玻璃的检测窗口，预留出台阶厚度做为增加光程的途径，一次性解决透光问题和光程问题，方法简单，降低工艺难度以及成本；
2、采用超精密数控铣削加工以其三维立体直接加工方式，独具工艺简单，操作方便、加工即成形特点。铣削方法进行微沟道的加工，沟道的尺寸及形状可控，且可按需求更改微沟道图形的形状，加工效率和加工精度提高；
3、采用有机玻璃作为加工衬底材料，较以用玻璃为衬底材料的芯片在材质的选用上具有较高性价比；
4、该制备方法不需要复杂的工艺设备，加工工艺过程简化，制作成本降低，减小加工难度，便于批量化加工，在国内微流控芯片加工领域独树一帜，必将推动微流控芯片加工领域的发展。
(四)附图说明
图1为实施例1中直沟道芯片加工图；
图2为单个芯片加工零件结构；
图3为微流控芯片封装以及光学检测窗口结构示意图；
图4为实施例2中弯角转弯形弯沟道芯片加工图，封装方式与实施例1相同。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步的描述：
实施例1：
1、结合图1，中沟道形状为简单的直沟道形式，首先将有机玻璃加工成所需要芯片尺寸(25*50mm2)，用去离子水超声清洗表面；
2、结合图2，用数控铣床进行直沟道的加工，在芯片1上利用该仪器X轴控制横向位移，Y轴控制纵向位移，Z轴控制划刻深度加工而成，沟道深50μm，宽100μm；
3、加工制作完沟道后，在芯片1上打孔，作为进样池、缓冲样池、废液池、样品回收池；并且在检测位置开检测窗口3，以备镶嵌玻片以及增加吸收光程：先用半径为0.25mm的钻头打通得到测试通孔2，再用半径为0.5mm的铣刀铣出3×3mm2方槽7，留厚200μm，这样可以满足镶嵌玻璃的要求，并保证增加吸收光程以及密封条件；
4、透紫玻璃镶嵌工艺：将切割好的玻璃加热至80℃，直接镶嵌到相应位置。
5、对机加后的有机玻璃芯片衬底表面进行处理：采用超声波清洗，用电子清洗剂DZ-1和DZ-2分别配置1#和2#洗液，采用标准清洗工艺进行，然后将芯片衬底放入烘箱，在60℃温度下把芯片烘干；
6、热压键合处理，进行沟道的封闭：利用天津市科器高新技术公司生产的WY-99型双通道温度控制仪。热键合时用两片95×95×0.2mm3平滑干净的钢板固定住芯片，升温速度10℃/min，键合温度范围为80-100℃，施加压力0.2MPa。
实施例2：
结合图3-图4，本实施例中沟道形状为具有弯角转弯形的弯沟道形式，与实施例1中加工过程基本相同，只在沟道加工过程中将沟道划刻程序作相应改变。
1、首先将有机玻璃加工成所需要芯片尺寸(30*30mm2)，用去离子水超声清洗表面；
2、用数控铣床进行弯角弯沟道的加工，通过相应程序控制沟道转弯半径及位置；
3、加工制作完沟道后，在芯片上打孔，作为进样池、缓冲样池、废液池、样品回收池；并且在检测位置开检测窗口，以备镶嵌玻片以及增加吸收光程：先用半径为0.25mm的钻头打通，再用半径为0.5mm的铣刀铣出3×3mm2方槽，留厚300μm，这样可以满足镶嵌玻璃的要求，并保证增加吸收光程以及密封条件；
4、透紫玻璃镶嵌工艺：将切割好的透紫玻璃6加热至80℃，直接镶嵌到相应位置。
5、对机加后的有机玻璃芯片衬底表面进行处理：采用超声波清洗，用电子清洗剂DZ-1和DZ-2分别配置1#和2#洗液，采用标准清洗工艺进行，然后将芯片衬底放入烘箱，在60℃温度下把芯片烘干；
6、热压键合处理，进行沟道的封闭：利用天津市科器高新技术公司生产的WY-99型双通道温度控制仪。热键合时用两片95×95×0.2mm3平滑干净的钢板盖板4、底板5固定住芯片，升温速度10℃/min，键合温度范围为80-100℃，施加压力0.2MPa。

Claims (5)

1、一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片，其特征在于：芯片的选材为有机玻璃以及其他聚合物，芯片面积≤100×100mm2，芯片上设置有微沟道，微沟道的几何尺寸为宽度10～300μm，深度10～200μm，长度为30～300mm，沟道形状可按需求设计，并在微沟道检测点位置设置有台阶通孔和检测窗口，台阶通孔处镶嵌有透紫玻璃，检测窗口设计孔径在10～1000μm，高度在10～500μm；玻璃镶嵌窗口面积在5×5mm2以内，透紫玻璃厚度在200～500μm，作为芯片储液槽的台阶通孔孔径在0.5～2mm之间。
2、根据权利要求1所述的一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片，其特征在于：所述的其他聚合物包括聚碳酸酯或聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷。
3、根据权利要求1所述的一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：
(1)、采用有机玻璃以及其他聚合物材料作为芯片衬底材料；
(2)、将衬底材料加工成所需要芯片尺寸，用去离子水超声清洗表面；
(3)、用微小型数控三轴立式机床进行机械法加工微流控芯片微沟道，并在相应位置处铣削检测窗口；
(4)、在加工完成沟道的有机玻璃芯片衬底上相应位置制作通孔，铣出玻璃镶嵌台阶；
(5)、在检测窗口处热镶嵌透紫玻璃，然后对铣削过的有机玻璃芯片衬底表面进行处理；
(6)、热压键合，进行沟道的封闭。
4、根据权利要求3所述的一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述的镶嵌透紫玻璃以加热嵌入方式进行镶嵌装配，玻璃加热温度在50～120℃。
5、根据权利要求3所述的一种用于紫外-可见吸收检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述的热键合时用两片钢板固定住芯片，升温速度10℃/min，键合温度范围为80-100℃，施加压力0.2MPa。
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