CN102183388B - 一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控芯片的加工制作技术领域，为一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法。首先，采用标准光刻-湿法刻蚀的方法，将通道结构图案转移到玻璃平板上，形成微通道，打孔制成芯片顶板；其次，将铂电极片固定于芯片上下两板间，其中玻璃抛光片为芯片底板，或者将镀有电极的芯片顶板与底板合并，通过虹吸作用将紫外光固化胶填充于两板缝隙之间；再次，用掩膜将自由流电泳芯片的功能区保护起来，经紫外光光照实现芯片的封接；最后，用有机溶剂将未聚合凝固的光胶冲出芯片内腔，静置老化，备用。本发明无需使用复杂的仪器设备及严格的实验条件，就可快速简便地制作出含有两种深度结构的自由流电泳芯片。

Description

一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法

技术领域

本发明属于微流控芯片的加工制作技术领域，涉及一种二维深度自由流电泳芯片的低成本快速制备方法。

背景技术

自由流电泳(Free-Flow Electrophoresis，FFE)是一种连续分离制备技术，其基本原理是：通过上下两块平行板构成一个薄的矩形空腔作为分离腔室，待分析化合物随载体电解质从腔室一端流入，在流体垂直方向施加分离电压，样品根据其带电荷状态不同在其流动方向发生偏转，在出口端实现被分离化合物的收集。

自上世纪五六十年代该技术被提出后，因其分离条件相对温和、无固体支持介质以及可连续分离制备等优点已被广泛应用于分析领域，包括细胞、肽段、酶类以及蛋白质组学等。常规FFE装置样品消耗量大且分析时间长，产生的焦耳热也可能会破坏其分离性能，甚至改变生物样品的物理性质。为解决这些缺陷，MEMS技术提供了向微型化推进的方案，即以芯片为基础实现FFE。当分离腔室尺寸微型化后，所需的样品量随之减少，分析时间降低，分析通量提高，焦耳热驱散变得简单，有利于高电场下实现高分辨率。该技术的微型化可以使其成为微全分析系统中的样品微制备元件，解决芯片实验室中的样品前处理问题。同时又可作为微反应过程中的实时监测部件，对微反应过程中的反应条件及产物进行实时监控。

为实现该技术的微型化，十几年来，研究人员们提出了各种方法。1994年，Manz等人首次通过微机械加工技术在硅片上制作出功能结构，再通过阳极键合实现硅片与玻璃的封接，制作出第一个自由流电泳芯片。但由于硅质材料的低击穿电压限制了这类芯片的分离性能。随后，他们制作了玻璃-PDMS相结合的芯片，但由于用于隔离电极与分离腔室的侧通道导致的电压降，使得实际用于分离的电压不到施加电压的5％，限制了芯片的分离性能。因此如何解决因材料与结构设计限制FFE芯片分离性能的问题已成为研究热点。

玻璃因其具有良好的光学透性、刚性以及表面修饰性，从而成为该类研究的主要使用材料，或与其它高分子聚合物材料如PDMS一起结合使用。而结构设计的目的主要是为了解决电解产物对分离性能的影响，除使用上述提及的侧通道外，还提出了离子渗透性聚丙烯酰胺膜以及相对分离腔室较深的电极床。从电压降及分离效率来看，具有较深电极床结构的自由流电泳芯片，其应用前景相对较好。而制作这种具有多维深度的芯片，需要经过多次光刻与刻蚀过程，其中需要多次镀膜和精密对准，对仪器设备操作要求很高。其次对于玻璃基材料的芯片，封接常采用阳极键合、室温键合和高温键合等方法，这些键合方法对设备或操作环境有较高要求。此外，通过以上封接方法制备的芯片不可回收再利用。

发明内容

本发明的目的在于针对目前自由流电泳芯片制作过程中的存在的操作复杂以及成功率低等问题，提供了一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法，无需使用复杂的仪器设备及严格的实验条件，就可快速简便地制作出含有两种深度结构的自由流电泳芯片。

本发明采用的技术方案为：

首先，采用标准光刻-湿法刻蚀的方法，将通道结构图案转移到玻璃平板上，形成微通道，打孔制成芯片顶板；其次，将铂电极片固定于芯片上下两板间，其中玻璃抛光片为芯片底板，或者将镀有电极的芯片顶板与底板合并，通过虹吸作用将紫外光固化胶填充于两板缝隙之间；再次，用掩膜将自由流电泳芯片的功能区保护起来，经紫外光光照实现芯片的封接；最后，用有机溶剂将未聚合凝固的光胶冲出芯片内腔，静置老化，备用。

上述方法中使用铂金片作为电极，或采用射频溅射法或电镀等方法直接将铂、金或钯金属镀于芯片顶板的电极缓冲液通道外侧，制成电极，以电极高度限制分离腔室高度，并与已刻蚀通道深度叠加，实现通道的二维深度。

上述方法中使用紫外固化胶经紫外光下曝光实现芯片封接，在封接过程中芯片功能区也随之形成。

上述方法中使用piranha试剂将报废芯片煮开，洗净，重复封接步骤实现芯片回收。

本发明的有益效果：与现有的二维深度自由流电泳芯片制作方法相比，本法避免使用二维深度结构所需涉及的“二次刻蚀/对准”等技术以及玻璃基体芯片键合时所需的各种苛刻要求，如常温键合对表面洁净度要求，阳极键合对仪器设备的需求等，将键合过程简化为光胶固化粘合，实现了芯片内功能结构成型与芯片封接一步完成，大大简化了具有二维深度自由流电泳芯片的制作工艺，且该法制备的芯片可回收利用，使实验成本显著降低。

附图说明

附图为两种芯片结构设计图(图1所示)、芯片横截面示意图(图2所示)、制作流程图(图3所示)。

图1中数字分别代表：1、电极孔；2、电极缓冲液入口；3、样品及载体缓冲液入口；4、电极；5、分离腔；6、电极缓冲液通道；7、敞开式出口；8、馏分收集口。

图2、图3中：代表玻璃平板，代表电极，聚合后的光胶层，紫外光固化胶，芯片内空腔。

具体实施方式

以下结合附图对发明作进一步详细描述本。

1、掩膜设计：本发明制作涉及两次光刻，根据转移的结构不同需设计两种掩膜。掩膜图形均用绘图软件Adobe Illustrator CS绘制，通过高分辨率激光打印机制得胶片式光刻掩膜。掩膜1含有电极孔、缓冲液入口孔、电极缓冲液通道以及馏分收集口(根据芯片功能需要选择性添加馏分收集口)等结构(结构图如图1所示)，根据光胶牺牲层性质在图形区选择相应的透明区与不透明区。掩膜2图形区为黑色不透光区，用于遮挡缓冲液入口、分离腔室、电极缓冲液通道以及馏分收集口或出口等功能性区域，非图形区为透明透光区。

2、芯片顶板制作：该过程为图3-①步骤，使用涂布有光胶与金属牺牲层的玻璃平板，通过标准光刻-湿法刻蚀方法，将掩膜1图案转移至玻璃平板。用钻床钻出电极孔、缓冲液入口以及馏分收集口等。用丙酮、乙醇、piranha试剂及水分别清洗芯片顶板，吹干待用。

3、电极制作：以铂金片作为电极，或采用射频溅射法或电镀等方法将铂、金或钯等金属镀于芯片顶板的电极缓冲液通道外侧，经丙酮、乙醇、piranha试液及水分别清洗，吹干待用。

4、芯片封接：该过程为图3-②～④步骤。以玻璃平板作为芯片底板，如图3-②所示，将电极片端部嵌于芯片顶板电极孔内固定，然后与芯片底板一同将整片铂金片夹于两板之间；或将镀有电极的芯片顶板与芯片底板对准夹紧。通过虹吸作用将两板间的空隙充满紫外光固化胶(该步骤如图3-③所示)。步骤图3-④为标准光刻步骤，用掩膜2将缓冲液入口、分离腔室、电极缓冲液通道以及馏分收集口或出口等区域保护，曝光，实现芯片封接。

5、芯片清洗与老化：该过程为图3-⑤步骤，用丙酮洗净芯片内腔未聚合的光胶，放置老化。老化后芯片内腔经piranha试剂、水清洗后吹干，即制得二维深度自由流电泳芯片。

6、芯片回收：将报废芯片置于piranha试剂中高温煮开，放冷取出，清洗表面残留固化胶，吹干，再经piranha试剂、水分别清洗吹干。重复图3-②以下步骤，实现芯片回收。

Claims (3)

1.一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先，采用标准光刻-湿法刻蚀的方法，将通道结构图案转移到玻璃平板上，形成微通道，所述微通道包含电极孔、缓冲液入口孔、电极缓冲液通道以及馏分收集口；打孔制成芯片顶板；其次，将铂电极片固定于芯片上下两板间，其中玻璃抛光片为芯片底板，或者将镀有电极的芯片顶板与底板合并，通过虹吸作用将紫外光固化胶填充于两板缝隙之间，以电极高度限制分离腔室高度，并与已刻蚀通道深度叠加，实现通道的二维深度；再次，用掩膜将自由流电泳芯片的功能区保护起来，经紫外光光照实现芯片的封接，在封接过程中芯片功能区也随之形成；最后，用有机溶剂将未聚合凝固的光胶冲出芯片内腔，静置老化，备用；

上述方法中使用铂金片作为电极，或采用射频溅射法或电镀方法直接将铂、金或钯金属镀于芯片顶板的电极缓冲液通道外侧，制成电极。

2.如权利要求1所述的一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法，其特征在于：上述方法中使用紫外固化胶经紫外光下曝光实现芯片封接。

3.如权利要求1或2所述的一种二维深度自由流电泳芯片的制备方法，其特征在于：上述方法中使用piranha试剂将报废芯片煮开，洗净，重复封接步骤实现芯片回收。

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