CN102162815B

CN102162815B - 血浆分离芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN102162815B
Application number: CN201110002620A
Authority: CN
Inventors: 李志宏; 耿照新; 王玮; 鞠衍睿; 张灵倩
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102162815A

Abstract

本发明公开了一种血浆分离芯片，属于微机电系统领域。本发明芯片上设有一微型螺旋流体通道，该微流体通道绕行的中心处为进样口，在上述微流体通道的某一位置内侧连接另一同心的微型螺旋流体通道，在两个微型螺旋流体通道之间设有多个渐变通道，上述两个微型螺旋流体通道分别连接两个不同的出样口。用微型泵或注射泵将混有不同大小的细胞或微粒从本发明血浆分离芯片的进样口注入，利用流体的惯性特点和内外通道内压差将血液中的细胞与血浆分离到两个不同的流通通道。本发明结构紧凑，芯片的总面积减小，分离效率提高，且该芯片的分离过程耗时短。

Description

血浆分离芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微机电系统领域，具体涉及一种用于生物样品分离、检测、分析的血浆分离芯片及芯片的制备方法。

背景技术

二十一世纪是交叉学科发展的时代，特别是生物芯片的研制和生化检测技术。传感技术是信息获取的一个重要手段，利用传感技术获取生物样品的信息是生物检测技术发展的一个重要内容。

结合生物技术和微机电系统(MEMS)技术的BioMEMS(生物微机电系统)技术可以将生命科学研究中的不连续分析过程(如样品制备、化学反应和分析检测)实现连续化、集成化、微型化，从而获得所谓的微全分析系统。该系统包括进样、分离、反应和检测，广义的系统还涉及到输运，其最终目标是在微芯片上实现化学全分析，以之取代常规分析实验室的所有功能。与传统仪器相比，微全分析系统具有体积小、重量轻、成本低、便携带、防污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点，对生物学、分析化学、医学等相关领域产生了革命性的影响，成为MEMS技术研究中的重要领域。

在微全分析系统的早期研究中，检测技术一直被研究得较多，获得了较快的发展。然而，样品分离等前处理技术作为该系统中不可或缺的组成部分，却发展相对缓慢，已经成为整个分析过程中的瓶颈，它制约着生化分析的发展。现有的样品前处理技术往往在片外实现，大多存在费时、劳动强度大、难以实现自动化、精密度差、样品以及其他生化试剂消耗量大等缺点，而且经常是测定误差的主要原因。传统的样品分离技术已不能满足μTAS(Micro totalanalysis system)发展的需要，有必要开发一种新的微分离技术。利用微加工技术制造的微型化生物样品预处理器，具有分析效率高、样品与试剂消耗少(微升级)、能耗低、集成度高等许多优点。微加工技术为微量生化样品的前处理和分析检测提供了强有力的技术支持。这种样品处理芯片在生物检测、毒物鉴定、DNA分析、细胞分离与富集、药物准备和药物输送等方面都会得到很广泛的应用，成为微全分析系统研究的热点。

综上所述，微分离心系统作为发展微型生化分析系统的重要部分，在生物医学与化学分析领域有着广阔的应用前景，设计一种结构简单、体积小、便于集成的微分离器，不仅具有较高的精度，还具有很高的可靠性，开发分离芯片与微流体驱动系统各个组件的加工工艺，以及系统集成技术将是一项具有挑战性的、有意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种血浆分离芯片，可利用MEMS体硅和表面微机械加工技术制备。

本发明提供的血浆分离芯片如图1所示。芯片上设有一微型螺旋流体通道，该微流体通道绕行的中心处为进样口，在上述微流体通道的某一位置内侧连接另一同心的微型螺旋流体通道，在两个微型螺旋流体通道之间设有多个渐变通道，上述两个微型螺旋流体通道分别连接两个不同的出样口。

用微型泵或注射泵将混有不同大小的细胞或微粒的血液从芯片的进样口注入，利用流体的惯性特点和内外通道的压差将血液中的细胞与血浆分离到两个不同的流通通道。该分离芯片可以用于细胞和血浆的同时分离，还可以用于其他功能微粒的浓缩。

本发明芯片结构可以加工在硅片上，也可以利用模具复制的方式加工在聚合物材料上。与所述芯片键合在一起的是聚合物材料或玻璃材料。

所述微流体通道为半圆对扣形式或阿基米德螺线形式，绕行中心处的圈数至少为3-8圈，其中心入口的直径为500-800μm，每圈的宽度为200-400μm。

每个渐变沟道在内侧螺旋流体通道的开口宽度为40-80μm，渐变沟道在位于外侧螺旋流体通道的开口宽度为10-35μm。

所述渐变通道的中心线与两个螺旋流体通道中心线连接处均构成Y型结构，夹角10-80度。

本发明还提供了一种生物芯片的制备方法，包括步骤：

(a)处理、清洗硅片10；

(b)在硅片正面甩光刻光刻胶11、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅50-100μm左右，形成微流体通道、渐变通道、样品入口、两个样品出口；

(d)将PDMS与其固化剂按10∶1的比例混合，并充分搅拌，用真空泵去除PDMS中的气泡；

(e)处理、清洗硅片10，并在其表面涂上脱膜剂；

(f)将无气泡的PDMS均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80℃烘箱中烘烤1小时左右；

(g)将固化的PDMS切成与有微流道的硅片一样大，并在相应的入口和出口位置打孔；

(h)将PDMS和硅结构键合的表面用氧离子处理；

(i)将PDMS和硅结构按相应的位置进行键合，在微流体通道入口和出口安装金属管。

本发明还提供了一种生物芯片的制备方法，包括步骤：

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅30-200μm，形成带有微流体通道、渐变通道、进样口和出样口的芯片的模具；

(e)处理、清洗所述模具，并在其表面涂上脱模剂；

(f)将无气泡的PDMS均浇在模具上，静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小时；

(g)将固化了PDMS从模具上剥离，并切分每个单元；

(h)处理、清洗培养皿，并在其表面涂上脱模剂；

(i)将无气泡的PDMS均浇在培养皿内，静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小时；

(j)将固化的PDMS切成与具有微流体通道的硅片同样大小，并在相应的微流体通道入口和出口位置打孔；

(k)将上下两个键合表面用氧离子处理；

(i)将两片PDMS按相应的位置进行键合，在入口和出口安装金属管。

本发明还提供了一种生物芯片的制备方法，包括步骤：

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀硅30-200μm，形成微流体通道和渐变通道；

(d)将硅片正面与玻璃阳极键合，形成硅玻璃片；

(e)采用干法、湿法或CMP的方法将键合后的硅玻璃片背面的硅结层减薄；

(f)硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(g)深刻蚀进出样口的通孔；

(h)将PDMS与其固化剂按10∶1的比例混合，并充分搅拌，用真空泵去除PDMS中的气泡；处理、清洗培养皿，并在其表面涂上脱模剂；将无气泡的PDMS均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小时；

(i)将固化的PDMS切成与具有微流道的硅片同样大小，并在相应的微流体通道入口和出口位置打孔；

(j)将PDMS和硅结构键合的表面用氧离子处理。安装上进出口的金属管。

本发明的结构优点在于：

(1)分离芯片采用离心分离原理与微尺度下的流体惯性结合的方法，提高了分离效率，避免了分离过程的阻塞；

(2)实现了硅-聚合物、聚合物-聚合物、玻璃-硅-聚合物的三种结构，实现了多种材料的加工方法，可以降低成本；

(3)采透明聚合物或玻璃加工，可以在分离过程中实时观察分离效果，减小分离过程中的失误，提高了工作效率；

(4)通过微流体通道的设计，本发明生物芯片的结构紧凑，芯片的总面积减小，分离效率提高。该芯片的分离过程耗时短。

附图说明

图1是本发明实施例的血浆分离芯片的结构示意图；

图2的(a)-(g)是依照本发明一个实施例的全血离心分离芯片制备工艺流程图；

图3的(a)-(i)是依照本发明另一实施例的全血离心分离芯片制备工艺流程图；

图4的(a)-(h)是依照本发明又一实施例的全血离心分离芯片制备工艺流程图；其中，1：芯片；2：进样口；3：出样口；4：另一出样口；5：内侧微流体通道；6：外侧微流体通道；7：渐变通道；8：硅片；9：光刻光刻胶；10：脱模剂；11：PDMS；12：金属管；13：模具；14：玻璃。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种生物芯片，包括进样口2，出样口3和4。所述出样口3是血浆出口，出样口4是血细胞出口。分离芯片1包括半圆对扣形式或阿基米德螺线形式的微流体内侧通道5和外侧通道6，以及连接内外两个流体通道的渐变通道7。如图1所示，微流体外侧通道6绕行中心处的圈数为至少4圈，各圈之间的间隔为400-600μm。外侧通道与样品入口相通。微流体内侧通道5绕行中心处的圈数为至少3圈，各圈之间的间隔为400-600μm，内侧通道起点比外侧通道少一圈。内侧通道外壁与外侧通道内壁之间距离为100-400μm。如图1所示样品入口2的直径为500-800μm。

利用微型泵或注射泵将混有不同大小的细胞或微粒从芯片的进样口2注入，

利用流体的惯性特点和内外通道内压差将细胞与血浆分离。该分离芯片可以用于细胞和血浆的同时分离，还可以用于其他功能微粒的浓缩。

实施例1：在硅片上加工出芯片

本实施例的结构参见附图1，工艺流程参见附图2。

1)硅片结构工艺流程：

(a)处理、清洗硅片8；

(b)在硅片正面甩光刻胶9、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅100μm左右，形成微流体通道4、微型立柱阵列分离器1、进样口2、两个样品出口3和4；

2)盖片聚合物工艺流程：

(d)处理、清洗硅片8，并在其表面涂上脱模剂10；

(e)将无气泡的硅橡光刻胶(PDMS)11均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80℃烘箱中烘烤1小时左右；

(f)将固化的PDMS11切成与有微流道的硅片一样大，并在相应的入口和出口位置打孔。将PDMS和硅结构键合的表面用氧离子处理，适当增加键合强度，否则在进样时会漏液；

(g)将PDMS和硅结构按相应的位置进行键合，安装上进出口的金属管12。

实施例2：用聚合物加工出芯片

本实施例的结构参见附图1，工艺流程参见附图3。

1)聚合物结构工艺流程：

(a)处理、清洗硅片8；

(b)在硅片正面甩光刻胶9、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅100μm左右，形成微流体通道4、渐变通道、进样口和出样口；

(d)处理、清洗硅结构模具13，并在其表面涂上脱模剂10，将无气泡的PDMS11均浇在硅结构的模具13上，并静置平坦化，然后在80℃烘箱中烘烤1小时左右；

(e)将固化了PDMS从硅模具13上剥离，并切分每个单元；

2)盖片聚合物工艺流程：

(f)处理、清洗硅片8，并在其表面涂上脱模剂10；

(g)将无气泡的PDMS14均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80℃烘箱中烘烤1小时左右；

(h)将固化的PDMS14切成与有微流道的硅片一样大，并在相应的入口和出口位置打孔；

(i)将上下两个键合表面用氧离子处理，适当增加键合强度，否则在进样时会漏液，将两片PDMS按相应的位置进行键合，安装上进出口的金属管12。

实施例3：三明治结构

本实施例的结构参见附图1，工艺流程参见附图4。

(a)处理、清洗硅片8；

(b)在硅片正面甩光刻胶9、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅50μm左右，形成微流体通道5、6和渐变通道(与方法一结构类似)；

(d)硅片正面与玻璃14阳极键合；

(e)将键合后的硅玻璃片的背面减薄硅片，可以采用干法、湿法或CMP的方法；

(f)硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(g)深刻蚀出进出样口；

(h)将固化的PDMS11切成与硅片一样大，并在相应的入口和出口位置打孔；将PDMS和硅结构键合的表面用氧离子处理，适当增加键合强度，安装上进出口的金属管12。

由以上实施例可以看出，本发明实施例的分离器生物芯片的优点在于：

(1)分离芯片采用离心分离和微流体惯性相结合的方法，提高了分离效率，避免了分离过程的阻塞；

(3)采透明聚合物或玻璃加工，可以在分离过程中实时观察分离效果，减小分离过程中的失误，提高了工作效率。

本发明克服了当前分离芯片结构复杂、制备工艺难度大、分离效率低等缺点，实现一个低成本、高性能、高效率的微型片上细胞分离片上集成结构微分析平台，利用MEMS体硅和表面微机械加工技术来制备分离器的片上分析系统。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种血浆分离芯片，其特征在于，芯片上设有一微型螺旋流体通道，该微型螺旋流体通道绕行的中心处为进样口，在上述微型螺旋流体通道的某一位置内侧连接另一同心的微型螺旋流体通道，在两个微型螺旋流体通道之间设有多个渐变通道，上述两个微型螺旋流体通道分别连接两个不同的出样口，所述微型螺旋流体通道为半圆对扣形式或阿基米德螺线曲线形式，绕行圈数至少为3圈，每圈的宽度为200-400μm，所述渐变通道的中心线与两个螺旋流体通道中心线连接处均构成Y型结构，夹角10-80度，每个渐变通道在内侧螺旋流体通道的开口宽度为40-80μm，渐变通道在位于外侧螺旋流体通道的开口宽度为10-35μm。

2.如权利要求1所述的血浆分离芯片，其特征在于，所述进样口的直径为500-800μm。

3.一种权利要求1—2任一项所述血浆分离芯片的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1—1)芯片制备；

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀硅50~100μm，形成微型螺旋流体通道、渐变通道、进样口和出样口；

(1—2)盖片制备；

(e)处理、清洗培养皿，并在其表面涂上脱模剂；

(f)将无气泡的PDMS均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分钟到1小时；

(g)将固化的PDMS切成与具有微型螺旋流体通道的硅片同样大小，并在相应的微型螺旋流体通道进样口和出样口位置打若干个通孔；

(1—3)盖片和芯片键合；

(h)将PDMS和硅片键合的表面用氧离子处理；

(i)将PDMS和硅片按相应的位置进行键合，在微型螺旋流体通道进样口和出样口安装金属管。

4.一种权利要求1—2任一项所述血浆分离芯片的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1-1)芯片制备；

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀硅30~200μm，形成微型螺旋流体通道、渐变通道、进样口和出样口的模具；

(e)处理、清洗所述模具，并在其表面涂上脱模剂；

(f)将无气泡的PDMS均浇在模具上，静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分钟到1小时；

(g)将固化了PDMS从模具上剥离，并切分每个单元；

(1—2)盖片制备；

(h)处理、清洗培养皿，并在其表面涂上脱模剂；

(j)将固化的PDMS切成与具有微型螺旋流体通道的硅片同样大小，并在相应的微型螺旋流体通道进样口和出样口位置打若干个通孔；

(1—3)盖片和芯片键合；

(k)将PDMS的上下两个键合表面用氧离子处理；

(l)将两片PDMS按相应的位置进行键合，在进样口和出样口安装金属管。

5.一种权利要求1—2任一项所述血浆分离芯片的制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1—1)芯片制备；

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(c)在硅片正面深刻蚀硅30~200μm，形成微型螺旋流体通道、渐变通道；

(d)将硅片正面与玻璃阳极键合，形成硅玻璃片；

(e)采用干法、湿法或CMP的方法将键合后的硅玻璃片背面的硅结构层减薄；

(f)硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(g)深刻蚀进、出样口；

(1—2)盖片制备；

(h)将PDMS与其固化剂按10∶1的比例混合，并充分搅拌，用真空泵去除PDMS中的气泡；处理、清洗培养皿，并在其表面涂上脱模剂；将无气泡的PDMS均浇在培养皿内，并静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分钟到1小时；

(i)将固化的PDMS切成与具有微流道的硅片同样大小，并在相应的微型螺旋流体通道进样口和出样口位置打若干个通孔；

(1—3)盖片和芯片键合；

(j)PDMS和硅玻璃片键合的表面用氧离子处理，键合并安装上进出口的金属管。