CN101879467B - 一种微磁场控制的微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微磁场控制的微流控装置及其制作方法。装置由微流控流体层芯片、具有软磁性材料微图案的基板和磁源体所构成。具有软磁性材料微图案的基板为透明导电基板，其上的微图案对应所需的磁珠排列设计，微图案上覆盖有一层聚合物材料，以与微流控流体层芯片实现永久不可逆键合方式连接。在外加磁场的作用下，镍微图案被磁化并产生一个强的局部磁场梯度，以实现对微米范围内的磁场控制。能在高流速下捕获磁性物质，并能在磁源体撤掉后的低流速下释放。可用于生物靶向物质检测、基因分析、快速免疫测定、细胞筛分等领域。

Description

一种微磁场控制的微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域。特别涉及一种微磁场控制的微流控芯片及其制作方法。

背景技术

微流控芯片技术是20世纪90年代在分析化学领域发展起来的，它在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室，将化学和生物实验中说涉及到的各种样品处理，反应，分离，检测等集成到一起，以完成常规生化实验室下的各种功能。

同时，磁性粒子作为一个固相载体，在靶向物质识别，分离，控制给药，分选细胞等方面具有广泛的用途。在微流控芯片上结合磁珠技术是当前研究的热点问题之一。由于尺度的限制(一般永磁铁或电磁铁都是在毫米或者厘米级别)，在微流控芯片上对微米范围内的磁场的精确控制一直还是很困难的。一种方法是在微流控芯片上用微加工技术制作微型的电磁铁，但是这种加工过程较为复杂，并且焦耳热也是一个很严重的问题。另外一种是在通道一侧加工镍带，来实现通道一侧的高磁场梯度，从而实现磁珠的动态分离，但这种方法也是比较宏观的，难于体现在微米尺度下对磁场的精确控制。此外，还有在流体通道底部制作镍柱，在外加磁场作用下镍柱被磁化，产生高的磁场梯度，从而对磁场进行控制。但是现有的加工方法，一般是在玻片上镀上一层金作为导电层，然后进行光刻和电镀镍，由于金与聚合物材料很难键合在一起，在进样过程中容易发生漏液的情况。另外由于在捕获过程中镍柱直接与磁性物质相互接触，使得当磁场撤掉后，捕获的磁性物质很难被释放(镍磁化后具有一定的剩磁)。还有人在光刻好的基底上用电子束物理气相沉积一层钛的微图案，然后再在上面沉积几百纳米的镍，最后用等离子体增强型的化学气相沉积一层二氧化硅将镍微图案封装在里面，这样做的效果较好，但是对仪器设备的要求较高。并且一般将外磁铁放在芯片流体层正上方或者底下，使得在一般的倒置荧光显微镜下难于观察。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的状况，提供一种制作方法简单、键合牢固且可在微米范围内对磁场实现精确控制的微磁场控制的微流控装置。

本发明依据的原理是：由于软磁性材料具有很高的磁导率，在外加磁场的作用下，能够磁化，在其附近区域能够产生一个很高的磁场梯度，从而吸引磁珠在其附近聚集。微图案之间梯度的重叠，能够更好的捕获磁珠。通过微图案来控制形成磁珠的图案化。不同宽度布置的微图案，可以实现磁珠图案之间的不同宽度。不同周期布置的微图案具有不同的磁场分布，进而有磁珠的不同周期分布，其捕获的磁珠量也不同。结合微流控流体层芯片中的层流技术，可以实现在其芯片上原位同时修饰两种或多种抗体，蛋白等，由此可以对多种靶向物质进行同时检测

本发明采用的技术方案是：

一、微磁场控制的微流控装置由微流控流体层芯片、具有软磁性材料微图案的基板和磁源体所构成。其微流控流体层芯片由聚合物材料制作而成；其具有软磁性材料微图案的基板由透明导电基板制作而成，其微图案对应所需的磁珠排列设计且其上覆盖有一层聚合物材料；其微流控流体层芯片通过聚合物材料以永久不可逆键合方式连接在具有软磁性微图案的基板上方；其磁源体安装在具有软磁性材料微图案的基板与微流控流体层芯片形成的键合体上。

上述方案中：聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙稀酸甲脂、聚碳脂、聚苯乙烯；透明导电基板包括ITO导电玻璃、FTO导电玻璃和镀金玻璃；软磁性材料包括镍和不同比例的镍铁合金；磁源体包括由永磁铁或电磁铁构成的“NS”磁极对、单一的永磁铁或电磁铁。当磁源体采用一对永磁铁或电磁铁构成的“NS”磁极对时，置于具有软磁性材料微图案的基板的下方位于流体层芯片通道的两侧；当磁源体采用一个永磁铁时，置于具有镍微图案基板下方位于流体芯片通道的一侧。

二、制备微磁场控制的微流控装置的方法由下述步骤所构成：

1、采用原位生成法，将液态聚合物材料置入用软刻蚀方法制得的微流控流体层芯片的阳模模板上，待反应固化后脱模成型，制得微流控流体层芯片；

2、在透明导电基板上用软光刻与电镀相结合的方法，制得对应所需的磁珠排列设计的具有软磁性材料的微图案；

3、用聚合物材料封装导电基板上的软磁性材料微图案；

4、用氧等离子体处理的方法，通过聚合物材料使微流控流体层芯片和具有软磁性材料微图案的导电基板实现永久不可逆键合；

5、在由微流控流体层芯片和具有软磁性材料微图案的导电基板形成的键合体上安装磁源体。

上述方案中：制备微流控流体层芯片的阳模包括金属基阳模、单晶硅阳模、和玻璃阳模；在导电基板上制备软磁性材料微图案所使用的软光刻与电镀相结合的方法，包括电镀、真空蒸镀，磁控溅射，电子束物理气相沉积。

实际应用中，本发明可以：

1、直接在导电基板上光刻对应所需的磁珠排列设计的微图案，然后直接电镀软磁性材料，经过lift-off过程后在导电基板上形成了微米级的镍微图案，在磁源体作用下，软磁性材料微图案被磁化，诱导产生高的局部磁场梯度，从而控制磁场分布，实现对磁珠等磁性物质的精确控制与捕获。

2、直接在软磁性微图案上甩上一层很薄的聚合物材料，将镍微图案封闭在聚合物材料内，然后与微流控流体层芯片的聚合物材料牢固键合，微图案与微流体通道并未直接接触，不仅不会发生液漏的情况，而且避免了在后续捕获过程中与磁性物质的直接接触，为后续捕获到的磁性物质的释放提供了方便。3、在由微流控流体层芯片和导电基板形成的键合体上固定一个磁源体，可以很方便的在倒置的荧光显微镜下能够观察到整个捕获的过程。本发明可在制备过程中充分利用软磁性微图案结构之间的梯度重叠，当距离超过一定的范围，在其结构之间就不能形成连续的磁珠图案，通过调节镍微图案的宽度，周期，排布等来调节磁场微区内的磁场分布，从而得到可控的微磁场控制的微流控装置

本发明的有益效果是：

1、本发明仅通过制作软磁性材料微图案的方法实现了在微流控流体层芯片上微米尺度下对磁场的精确控制，其制作方法简单，易于操作。

2、本发明的局部强磁场受软磁性材料微图案的影响大，相比而言，磁源体的作用被弱化，因而可以形成均一可控的磁珠图案，并且可以结合微流控流体层芯片上的层流技术，实现在垂直于流体方向上同时捕获两种不同的磁珠，用于多种检测。

3、本发明的装置在倒置的荧光显微镜下易于观察，并且磁性物质与软磁性材料微图案没有直接接触，在后续磁源体撤掉的情况下，捕获的磁性物质能够很好的被释放。

由上，本发明通过在磁性粒子表面偶联不同的生物分子，如DNA、蛋白、抗体等，能够广泛的应用于生物靶向物质检测、基因分析、快速免疫测定、细胞筛分等领域的各种基于磁珠的生化分析，例如，DNA杂交，MRNA的分离，蛋白的纯化，细胞筛选，病毒，细菌的快速检测等等。

附图说明

附图1为本发明装置的结构示意图。

附图2为本发明装置中的一种阵列式的微图案以及在磁场精确控制下捕获磁珠后形成的磁珠阵列。

附图3为本发明装置中的一种波浪线形状的微图案以及在磁场精确控制下对磁珠捕获形成的磁珠图案。

附图4为本发明装置中的一种部分缺失的微图案以及在磁场精确控制下对磁珠捕获形成的部分缺失的磁珠图案。

附图5为本发明装置中不同周期和不同宽度分布的微图案得到的磁珠图案。其中：5-1对应不同周期；5-2对应不同宽度。

附图6为本发明装置中不同的流通通道区域产生的不同方向的磁珠图案。其中：6-1为单个永磁铁置于芯片流体通道下方一侧形成的磁力线分布示意图；6-2对应微图案调控磁场后捕获磁珠的图案。

附图中：1-微流控流体层芯片；2-经聚合物材料封装软磁性材料微图案后的导电基板；3-磁源体；。4、5、6-通道内不同区域磁力线分布；7、8、9-通道内捕获磁珠后磁珠沿磁力线方向排列。

具体实施方式

1、制作：

(1)将ITO导电玻璃切成30mm x 80mm大小，在乙醇和超纯水中超声清洗干净，然后甩上一层12μm左右高度的AZ4620的光刻胶，通过一个打印的掩膜，在光刻机下进行紫外曝光，形成和掩膜上一致的图案。接着在电镀液中，利用一个直流电源和一大块镍，进行电镀，然后在丙酮中去除光刻胶，这样就在ITO导电玻璃上形成了具有微小的镍图案。之后再调节一个质量配比为15∶1(RTV615A∶B)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚物，真空排除气泡，用甩胶机在ITO导电玻璃上甩出一个约为8μm的厚度的PDMS层，在烘箱中烘半个小时固化。这样就把镍微图案封装在PDMS中，避免了后续实验中与磁珠的接触，并且比接触更容易释放。

(2)在洁净平整的硅片表面甩上一层厚度约40μm的AZ50XT的光刻胶，，在打印的胶片掩膜的遮蔽下用紫外线曝光、显影，得到一个标准的凸出于硅片表面的掩膜。调和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚物质量比为10∶1(质量比)，真空排除气泡，倾倒于掩膜之上，然后在烘箱中75℃烘3-4小时，固化后，用手术刀切开，从掩膜上面揭起，图案就复制到PDMS上，用一个平头的打孔针打进样口和出样口，即制得微流控流体层芯片。

(3)将上述制作好的带有镍微图案和PDMS的ITO玻璃和具有流体通道的PDMS，放于氧等离子体中处理70s活化PDMS表面，产生大量羟基自由基，取出，在处理过的表明小心的滴上几滴甲醇溶液，然后在倒置荧光显微镜下对准，由于甲醇在两片表面形成了一层液膜，因此上下可以相对移动，对准后，在烘箱中75℃烘10分钟，实现永久键合。

2、安装磁源体形成整体装置：

方案1：安装NS磁极对：在玻片(75mm x 25mm)上用固定两块“NS”极相对的永磁铁，然后将固定有磁铁的玻片倒置过来，将上述制作的芯片放置在玻片上，并且将镍微图案置于“NS”对中间，形成完整的本发明装置。

本方案形成的本发明装置由封装在PDMS层里面的镍微结构，并且与固定了一对永磁铁组成的“NS”对的玻片组合而成。在外磁场的作用下，镍微结构被磁化，由于镍具有一个很大的磁化系数，在镍微结构附近自动的产生了一个高的磁场梯度。当具有磁性的磁珠注入到流体通道中时，磁珠受到磁力，向镍微图案附近高磁场梯度的地方聚集，形成理想的磁珠图案。附图2、3、4即为不同镍微图案及其对应捕获磁珠后形成的磁珠图案。附图5-1为不同周期分布的镍微图案及其对应捕获的不同周期的磁珠图案。由此说明本发明可以通过不同周期分布的镍微图案控制所捕获到的磁珠量，而且本发明还可以通过不同宽度分布的镍微图案控制磁珠图案的宽度，当镍微图案的宽度超过梯度之间重叠的极限距离的时候就不能形成连续的磁珠图案，如附图5-2。

方案2：安装单个永磁体：直接将单个永磁铁固定在上述制作的芯片底部通道的一侧，形成完整的本发明装置。

本方案形成的本发明装置由同上层的流体通道和中间层的镍微结构，下层的单一磁铁组合而成。外磁场在通道的三个不同的区域有不同的方向，其磁力线分布情况如附图6-1所示，从左到右依次为向左倾斜(4)，垂直流体通道(5)，和向右倾斜(6)。在镍微结构和外磁场的共同作用下，形成了三个不同方向倾斜的磁珠图案，向左倾斜(7)，垂直流体通道(8)，和向右倾斜(9)，如附图6-2。说明在镍微结构只是在局部改变了磁场的分布，而并不能改变整个磁力线的方向。

Claims (6)

1.一种微磁场控制的微流控装置，由微流控流体层芯片、具有软磁性材料微图案的基板和磁源体所构成，其特征在于：

1)所述的微流控流体层芯片由聚合物材料制作而成；

2)所述的具有软磁性材料微图案的基板为透明导电基板，其微图案对应所需的磁珠排列设计且其上覆盖有一层聚合物材料；

3)所述的微流控流体层芯片通过聚合物材料以永久不可逆键合方式键合在具有软磁性微图案的基板上方；

4)所述的磁源体安装在具有软磁性材料微图案的基板与微流控流体层芯片形成的键合体上。

2.根据权利要求1所述的一种微磁场控制的微流控装置，其特征在于：

1)所述的聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳脂、聚苯乙烯；

2)所述的透明导电基板选自ITO导电玻璃、FTO导电玻璃和镀金玻璃；

3)所述的软磁性材料选自镍和不同比例的镍铁合金；

3.根据权利要求1或2所述的一种微磁场控制的微流控装置，其特征在于：所述的磁源体为一对永磁铁构成的“NS”磁极对，且置于具有软磁性材料微图案的基板的下方位于流体层芯片通道的两侧。

4.根据权利要求1或2所述的一种微磁场控制的微流控装置，其特征在于：所述的磁源体为一个永磁铁，且置于具有镍微图案基板下方位于流体芯片通道的一侧。

5.一种制备微磁场控制的微流控装置的方法，其特征在于由下述步骤所构成：

1)采用原位生成法，将液态聚合物材料置入用软刻蚀方法制得的微流控流体层芯片的阳模模板上，待反应固化后脱模成型，制得微流控流体层芯片；

2)在透明导电基板上用软光刻与电镀相结合的方法，制得对应所需的磁珠排列设计的具有软磁性材料的微图案；

3)用聚合物材料封装导电基板上的软磁性材料微图案；

4)用氧等离子体处理的方法，通过聚合物材料使微流控流体层芯片和具有软磁性材料微图案的导电基板实现永久不可逆键合；

5)在由微流控流体层芯片和具有软磁性材料微图案的导电基板形成的键合体上安装一磁源体。

6.根据权利要求5所述的一种制备微磁场控制的微流控装置的方法，其特征在 于：

1)所述的制备微流控流体层芯片的阳模选自金属基阳模、单晶硅阳模、和玻璃阳模；

2)所述的在导电基板上制备软磁性材料微图案所使用的软光刻与电镀相结合的方法，选自电镀、真空蒸镀、磁控溅射、电子束物理气相沉积。 

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