CN101520034A - 集成常闭pdms微阀及制备工艺和含有该微阀的微泵 - Google Patents

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姜雷
秦建华
李博伟
林炳承
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Abstract

一种集成常闭PDMS微阀，该微阀包括上下两片玻璃片1、3和位于两片玻璃之间的PDMS薄膜2，其中上片玻璃1只含有样品池，下片玻璃3只含有气路控制孔，流体通道和气路控制通道分别成型于PDMS薄膜2的两面。本发明所设计的常闭阀中，流体通道和气路控制通道不是刻蚀在上下玻璃片上，而是分别成型于中间PDMS薄膜的两面，而两片玻璃上则分别只含有样品池和气路控制孔。其中，PDMS薄膜可以用同一模板重复制备，而玻璃只需要简单的钻孔，从而最大程度地减少了芯片制备过程中复杂、高成本的模板制备步骤，更加适合制备集成PDMS微阀/微泵的微流控芯片。

Description

集成常闭PDMS微阀及制备工艺和含有该微阀的微泵
技术领域
本发明涉及微流控领域的微流控芯片制备技术，特别是提供了一种集成常闭PDMS微阀及其制备工艺和由该微阀构成的微泵。
背景技术
微流控芯片是把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片是21世纪最为重要的前沿技术之一。
过去十年里，微流控分析系统从最初的简单单通道芯片电泳分析芯，发展成能进行各种复杂分析和多种单元操作的复杂分析系统。微流控分析的目标是在几平方厘米的芯片上，经济、快速地完成合成、纯化、分析和诊断等全部过程。由于这些器件通常处理的溶液体积在纳升量级，因此需要精确、可靠的流体操作和控制机制，同时能够实现在芯片上的大规模集成。
在众多的流体操作和控制方法中，微泵/微阀占有重要地位。当前最重要的一种微泵/微阀是Quake课题组发明的基于多层软光刻工艺制备的PDMS弹性微阀/微泵。在这种构架中，流体通道处于下层PDMS中，气体控制通路处于上层PDMS中。这种阀在没有外力的作用下处于常开状态，所以称为“常开阀”。这种常开阀已经被证实在细菌培养、生物化学等领域具有很高的应用价值，并且容易实现大规模集成。尽管如此，正如他们在文章中提到的，这种构架的微阀受制于通道的尺寸和形状，并且制备过程周期长而复杂。在他们最近的工作中，他们又研制了低制动压力、深宽比较大的微阀。
Mathies及其合作者发明了另一种重要微泵和微阀，称之为常闭阀，这种阀是通过在分别刻有微流体通道和气路控制通道的两片玻璃之间夹一层薄的PDMS薄膜来实现的。这种常闭阀由于良好的密封性能已经在芯片PCR反应和芯片中集成微进样泵等方面得到应用。虽然三明治构架的微泵封接相对简单，但是玻璃上的微流体通道和控制气路的通道均需采用传统的光刻和湿法蚀刻工艺制成。从芯片的商品化批量制备以及微流控芯片的大规模应用前景看，目前的这种常闭阀构架无论从制备成本还是制备工艺上均是不利的。
发明内容
本发明的目的是提供了一种成本低，工艺简单的集成常闭PDMS微阀及其制备工艺及由该微阀构成的微泵。常闭微阀/微泵是指在没有外力的作用下，阀处于关闭状态的一种微阀/微泵。
本发明提供一种集成常闭PDMS微阀，该微阀包括上下两片玻璃片1、3和位于两片玻璃之间的PDMS薄膜2，其中上片玻璃只含有样品池，下片玻璃只含有气路控制孔，流体通道和气路控制通道分别成型于PDMS薄膜的两面。
本发明提供的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，步骤分为：
首先分别制作光刻胶的液路阳模板和气路阳模板，并且进行硅烷化处理；
其次把PDMS单体与交联剂混合均匀，利用机械泵抽气的方法去除气泡，把除去气泡的PDMS溶液缓慢均匀地倒到液路阳模板上，然后将气路阳模板盖在PDMS上，气路和液路阳模板间隔100～500微米，将气路模板和液路模板对准，施加0.1～0.5公斤压力，在70～90℃下恒温1.0～2.0小时，使PDMS凝固成型后，将PDMS薄膜取出；
最后将PDMS薄膜密封于已经钻好孔的两片玻璃中间，便完成了整个集成PDMS常闭微阀。
本发明提供的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，所述的液路阳模板由SU-8胶经显影形成或铬版玻璃经光刻显影、蚀刻形成；气路阳模板由SU-8胶经显影或铬版玻璃经光刻显影、蚀刻形成。
本发明提供的集成常闭PDMS微阀/微泵的制备工艺，PDMS单体与交联剂按体积比6:1～12:1混合。
本发明还提供一种集成常闭PDMS微泵，该微泵包括三个串联的集成常闭PDMS微阀4，每个集成常闭PDMS微阀包括上下两片玻璃片1、3和位于两片玻璃之间的PDMS薄膜2，其中上片玻璃只含有样品池，下片玻璃只含有气路控制孔，流体通道和气路控制通道分别成型于PDMS薄膜的两面。
本发明的优点：
与目前常闭阀不同的是，在我们所设计的常闭阀中，流体通道和气路控制通道不是刻蚀在上下玻璃片上，而是分别成型于中间PDMS薄膜的两面，而两片玻璃上则分别只含有样品池和气路控制孔。其中，PDMS薄膜可以用同一模板重复制备，而玻璃只需要简单的钻孔，从而最大程度地减少了芯片制备过程中复杂、高成本的模板制备步骤。更加适合制备集成PDMS微阀/微泵的微流控芯片。
附图说明
图1集成常闭PDMS微阀示意图，其中1为上玻璃片，2为PDMS薄膜，3为下玻璃片。
图2集成常闭PDMS微阀制备工艺流程图，其中a是混合好的PDMS，b是液路模板，c是距离控制塑料片，d是气路模板。
图3微泵示意图，其中4为集成常闭PDMS微阀。
图4五步隔膜泵运行示意图，4-1为关闭状态，4-2为流体运行时各个阀的状态。
图5微阀开启示意图，其中1为上玻璃片，2为PDMS薄膜，3为下玻璃片。
图6微泵流速与阀制动时间关系图，微泵中间微阀的直径依次为3.5mm(pump1)，3mm(pump2)，2.5mm(pump3)and2mm(pump4)。
具体实施方式
按图2所述流程制备集成常闭PDMS微阀。整个制备过程叙述如下；
①、将按10：1混合好的PDMS浇注在含有流体通道模具的玻璃上，流体通道模具由SU-8胶经显影形成，并且经硅烷化处理，除净气泡。
②、将另一片含有气体通道模具的玻璃(流体通道模具由SU-8胶经显影或铬版玻璃经光刻显影，蚀刻形成，并且经硅烷化处理)盖于PDMS上。
③、气体通道模具玻璃与流体通道模具玻璃的间隔为100～500微米，并且进行对准。然后施加压力，使多余的PDMS挤出。
④、将其至于烘箱中，80度1小时，使PDMS完全凝固。
⑤、沿一块玻璃的边缘，轻轻揭起，使玻璃跟PDMS分离。
⑥、使PDMS膜跟另一片玻璃分离，便制备出两面分别含有流体通道和气体控制通道的PDMS薄膜。
将此PDMS薄膜夹心于具有气体控制孔和液体控制孔的两片洁净玻璃之间，便制成了集成PDMS微阀。
将制备的微流控芯片进行微阀封闭性能的考察和微泵输运能力的考察。真空泵和压缩空气通过气路控制线使阀关闭(施加压力)或开启(施加真空)。外接的24V电磁阀和其相应得阀座(Parker Pneumatic，Richland，MI，USA)来实施对气路控制线的控制，从而控制芯片上的微阀。自制的阀控制板和采用VC++编译的Windows上位机程序用来完成对所有阀的计算机控制。施加的压力或真空均相对与大气压。
三个微阀依次排列便形成一个隔膜泵(如图3所示)。流体的输运是通过每个泵的输入阀、输出阀和隔膜阀的开启来实现的，具体的运行按照图4-2步骤来实现，整个运行过程分五步：1第一个阀开启，流体进入到阀中，第二个和第三个处于关闭状态；2第一个和第二个阀处于开启，第三个阀处于关闭状态；3关闭第一个阀，第二个和第三个阀处于开启状态；4第一个和第二个阀处于关闭状态，第三个阀处于开启状态；5所有的阀均处于关闭状态；重复从1-5过程，便实现了流体的运输过程。这三个阀的制动时间在泵的测试中是相同的。一系列的实验用来表征泵速和阀制动时间之间的关系(采用二次蒸馏水作为测试流体)。图6是泵流速与阀制动时间关系图，证明此种方法制备的微流控芯片能有效地输运液体。

Claims (7)

1.一种集成常闭PDMS微阀，其特征在于：该微阀包括上下两片玻璃片(1)、(3)和位于两片玻璃之间的PDMS薄膜(2)，其中上片玻璃(1)只含有样品池，下片玻璃(3)只含有气路控制孔，流体通道和气路控制通道分别成型于PDMS薄膜(2)的两面。
2、一种如权利要求1所述的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，其特征在于：步骤分为：
首先分别制作光刻胶的液路阳模板和气路阳模板，并且进行硅烷化处理；
其次把PDMS单体与交联剂混合均匀，利用机械泵抽气的方法去除气泡，把除去气泡的PDMS溶液缓慢均匀地倒到液路阳模板上，然后将气路阳模板盖在PDMS上，气路和液路阳模板间隔100～500微米，将气路模板和液路模板对准，施加0.1～0.5公斤压力，在70～90℃下恒温1.0～2.0小时，使PDMS凝固成型后，将PDMS薄膜取出；
最后将PDMS薄膜密封于已经钻好孔的两片玻璃中间，便完成了整个集成PDMS常闭微阀。
3、按照权利要求2所述的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，其特征在于：所述的液路阳模板由SU-8胶经显影形成或铬版玻璃经光刻显影、蚀刻形成。
4、按照权利要求2所述的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，其特征在于：所述的气路阳模板由SU-8胶经显影或铬版玻璃经光刻显影、蚀刻形成。
5、按照权利要求3所述的集成常闭PDMS微阀的制备工艺，其特征在于：所述的气路阳模板由SU-8胶经显影或铬版玻璃经光刻显影、蚀刻形成。
6、按照权利要求2至5之一所述的集成常闭PDMS微阀/微泵的制备工艺，其特征在于：PDMS单体与交联剂按体积比6:1～12:1混合。
7、一种集成常闭PDMS微泵，其特征在于：该微泵包括三个串联的集成常闭PDMS微阀(4)，每个集成常闭PDMS微阀包括上下两片玻璃片(1)、(3)和位于两片玻璃之间的PDMS薄膜(2)，其中上片玻璃只含有样品池，下片玻璃只含有气路控制孔，流体通道和气路控制通道分别成型于PDMS薄膜的两面。
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