CN102162997A - 一种以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法及其应用，本发明以自然界中最易获得的太阳光作为曝光光源，避免了常规光刻中较为昂贵的光刻机的使用，待曝光的光刻胶平板放在与太阳光相垂直的方向曝光即可，通过UV能量检测器校正阳光下的曝光时长，可以得到光刻胶上各种尺寸微图案良好的曝光结果；这种方法简易、廉价、易于操作、环境友好，而且可以进行芯片的批量生产，期望有益于仪器购买基金不足或处于起步阶段的实验室进入到微流控芯片领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片制作过程中的曝光技术及其应用，特别提供了一种以太阳光代替传统曝光设备作为UV光源的光刻方法及其制作的多种实际应用芯片。
背景技术
作为一项新兴技术，微流控芯片(Microfluidics，Lab-on-a-chip)现已广泛应用于多种领域。其具有低样品消耗、微型化及可实现高通量分析等显著优势。
光刻是微流控芯片制作中最为常用的基本技术。它是利用光成像和光敏胶在基片上图案化的过程：将掩模置于光源与光刻胶之间，用紫外光等透过掩模对光刻胶进行选择性照射，受光照部分的光刻胶发生化学变化而变性。经后续处理对此部分光刻胶进行去除或保留，从而完成芯片模板的制作。微流控芯片实验室最为常用的光刻胶，其感光波长范围为：300-500nm，最常用的光源是汞灯激发的紫外光。本发明涉及微流控芯片制作中的光刻技术。
传统曝光过程通常需要较为昂贵的光刻设备，而今，在利用替代光源进行曝光的工作中，存在的主要问题有：曝光区域受限(K.Itoga，J.Kobayashi，Y.Tsuda，M.Yarnato and T.Okano，Analytical Chemistry，2008，80，1323-1327)、微图案尺寸精度不高(A.W.Martinez，S.T.Phillips，B.J.Wiley，M.Gupta and G M.Whitesides，Lab Chip，2008，8，2146-2150)及替代光源对光刻胶不具有普适性(J.S.Miller，M.I.Bethencourt，M.Hahn，T.R.Lee and J.L.West，Biotechnology and Bioengineering，2006，93，1060-1068)等，因而制约了它们在微流控芯片制作中的应用。太阳光是自然界中最易得到的光源，其中5％能量为UV射线(290-400nm)，这一波段的光适于多种光刻胶的光敏反应。本发明涉及以太阳光为替代光源用于芯片的光刻过程，成本低廉、制作方法简单、有足够大的曝光面积适宜于批量生产。
玻璃电泳芯片、PDMS浓度梯度生成芯片及集成气动微阀的细胞培养芯片的功能显示可直观地反映芯片的制作质量，从而表征芯片的制备工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法及其应用。
本发明提供了以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，将待曝光的光刻胶平板放在与太阳光相垂直的方向曝光，根据UV能量计检测到的阳光中UV强度、光刻胶的种类及所需芯片阳模的三维尺寸，优化及校正曝光条件，得到光刻胶上各种微图案的曝光结果，在此条件下得到的模板用以制作不同材料、结构及功能的微流控芯片装置。
本发明提供的以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，所述微图案的曝光条件的优化，要根据阳光中UV强度、光刻胶的种类及所需芯片阳模的三维尺寸进行优化。
本发明提供的以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，用于S-1805正性光刻胶(570nm厚)及SU-83035(150μm、75μm、50μm厚)上微图形的图案化。UV能量计用以调整接收到最大光强时的曝光角度(检测窗口与阳光照射方向垂直时，能量计显示最大强度)，在此角度下，对基片上的光刻胶进行阳光下的垂直曝光。得到的微图案经显微成像及图像处理，量化为图案尺寸与曝光时间的关系，并从关系图线中得到最佳曝光条件。
本发明提供的以太阳光为曝光光源制作的微流控芯片有玻璃电泳芯片、PDMS浓度梯度生成芯片及集成气动微阀的细胞培养芯片。
本发明提供了以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法的实际应用。在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，玻璃电泳芯片曝光时间为60秒(S-1805，570nm)，PDMS浓度梯度生成芯片SU-8模板曝光时间为120秒(SU-8 3035，60μm)，集成气动微阀的细胞培养芯片的液路层、气路层的曝光时间为60秒、40秒(S-1805，570nm)。
本发明的创造性在于：利用太阳光代替传统光源，对微流控芯片实验室中常用的光刻胶进行曝光，制作不同材料、不同结构及功能的多种芯片。
本发明的优点在于：1、无需昂贵的光刻设备2、可实现一次性批量光刻；3、操作简单易控4、节约能源，环境友好。
附图说明
图1正胶S-1805经不同时长阳光曝光形成的微图案照片，其中：最后一行为曝光所用的原始掩模。
图2以太阳光为曝光光源的微流控芯片光刻法示意图。
图3代表S-1805(570nm)光刻胶曝光后基片上所得实际图形的尺寸与阳光下曝光时间的关系，直线组代表作为对照的原始掩模尺寸。
图4为50μm厚的SU-8 3035光刻胶曝光后基片上所得实际图形的尺寸与阳光下曝光时间的关系，直线组代表作为对照的原始掩模尺寸。
图5为75μm厚的SU-83035光刻胶曝光后基片上所得实际图形的尺寸与阳光下曝光时间的关系，直线组代表作为对照的原始掩模尺寸。
图6为150μm厚的SU-83035光刻胶曝光后基片上所得实际图形的尺寸与阳光下曝光时间的关系，直线组代表作为对照的原始掩模尺寸。
图7(A)为优化阳光曝光条件下得到的SU-8微图案照片；(B)为(A)中SU-8模板浇注得到的PDMS横切面切片；标尺200μm。
图8阳光曝光光刻法制作的玻璃电泳微流控装置及其分离100bp标准DNA片段结果。
图9阳光曝光光刻法制作的PDMS浓度梯度生成芯片及其SU-8模板。
图10集成气动微阀的细胞培养芯片：(a)杂交芯片，从上至下：液路层、PDMS膜层、气路层；(b)芯片实物图；(c)(d)阀关及阀开；(e)(f)芯片上培养肝癌细胞的活性检测。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1：
基于太阳光为曝光光源的微流控芯片光刻法的定性化验证。如图1所示，在阳光紫外强度为1.3mW/cm2条件下，对基片上正胶S-1805(570nm)进行不同时长的曝光(10秒-60秒，间隔10秒)，设计掩模尺寸为总宽140μm至200μm的五角星图案。
实施例2：
基于太阳光为曝光光源的微流控芯片光刻法的定量化验证。在阳光紫外强度为1.3mW/cm2条件下，对基片上正胶S-1805(570nm)进行不同时长的曝光(10秒-90秒，间隔10秒)，设计掩模尺寸为总宽50μm至200μm的正方形图案，曝光结果如图3。在阳光紫外强度为1.3mW/cm2条件下，对基片上不同厚度的负胶SU-3035(50μm、75μm、150μm)进行不同时长的曝光(40秒-160秒，间隔20秒)，设计掩模尺寸为总宽50μm至200μm的正方形图案，曝光结果如图4-6。图7(A)显示基片上SU-3035(75μm)曝光100秒并显影后形成的SU-8微结构；(B)显示在(A)中模板上浇注PDMS并固化后切割得到的横截面照片(标尺为200μm)。
实施例3：
基于太阳光为曝光光源制作的玻璃电泳微流控装置。在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，利用掩模的覆盖对S-1805(570nm)进行60秒的选择性曝光，后经湿法刻蚀形成电泳通道，及其分离100bp标准DNA片段结果如图8所示。
实施例4：
基于太阳光为曝光光源制作的PDMS浓度梯度生成芯片。在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，利用掩模的覆盖对SU-8 3035进行选择性曝光。在阳模上浇注液态PDMS聚合物，固化后脱模，封合成型。如图9所示，以两种染料的浓度梯度生成表征芯片的性能。对所得模板的边缘进行放大观察，清晰无毛刺的边缘确保了浓度梯度的精确产生。
实施例5：
基于太阳光为曝光光源制作的集成气动微阀的细胞培养芯片。在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，利用掩模的覆盖对S-1805(570nm)分别进行60秒、40秒的选择性曝光，经过刻蚀后各形成50μm深、200μm宽的液路层和70μm深、50μm宽的气路层。其中，液路层的光刻过程如示意图2：利用UV能量计检测实验当时阳光中的UV强度，并根据强度显示调整曝光角度，将显示最大光强值时的角度固定为曝光角，以实现光刻胶平板在阳光下的垂直曝光。将刻蚀后的液路层、气路层与PDMS膜封合。芯片整合图及实验结果如图10。
Claims (6)
1.以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，将待曝光的光刻胶平板放在与曝光光源相垂直的方向曝光，根据UV能量计检测到的阳光中UV强度、光刻胶的种类及所需芯片阳模的三维尺寸，优化及校正曝光条件，得到光刻胶上各种微图案的曝光结果，在此条件下得到的模板用以制作微流控芯片装置；其特征在于：所述的曝光光源为太阳光。
2.按照权利要求1所述以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，其特征在于：所述微图案的曝光条件的优化，要根据阳光中UV强度、光刻胶的种类及所需芯片阳模的三维尺寸进行优化。
3.权利要求1所述以太阳光为曝光光源制作的微流控芯片有玻璃电泳芯片、PDMS浓度梯度生成芯片及集成气动微阀的细胞培养芯片。
4.按照权利要求2所述以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，其特征在于：所述在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，玻璃电泳芯片的模板制作需要对570nm厚的S-1805正胶进行60秒的选择性曝光。
5.按照权利要求2所述以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，其特征在于：所述在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，PDMS浓度梯度生成芯片模板为SU-83035、60μm厚时，PDMS浓度梯度生成芯片的曝光时间为120秒。
6.按照权利要求2所述以太阳光为曝光光源制作微流控芯片的方法，其特征在于：所述在阳光紫外强度为1.2mW/cm2条件下，集成气动微阀的细胞培养芯片的模板制作需要对570nm厚的S-1805正胶进行60秒、40秒的曝光，分别作为集成气动微阀的细胞培养芯片的液路层、气路层。
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