CN102240534B - 一种3d微混合微流控芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D微混合微流控芯片的制作方法。所述方法包括如下步骤：(1)将所述3D微混合微流控芯片的微通道图形通过激光照排制成掩膜；(2)将负性光刻胶涂覆在载玻片上，将所述掩膜覆盖在所述负性光刻胶上；将覆盖有所述负性光刻胶和掩膜的载玻片在紫外光源下进行曝光并经显影后得到负性光刻胶阳膜；(3)向所述负性光刻胶阳膜上浇铸聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂的混合浆体，固化后揭去所述负性光刻胶阳膜得到聚二甲基硅氧烷芯片A；(4)按照步骤(1)至步骤(3)制作聚二甲基硅氧烷芯片B；(5)将所述聚二甲基硅氧烷芯片A与聚二甲基硅氧烷芯片B紧密贴合后进行键合即得所述3D微混合微流控芯片。所述方法操作简单，成本低廉，制作周期短，重现性好；非常适宜于加工数十微米的微观结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D微混合微流控芯片的制作方法。
背景技术
微流控芯片在生化分析、药物输送以及核酸测序等领域的一个重要的操作是快速混合。与宏观体系不同，在微观尺寸下流体的混合主要是层流下的扩散传质，分子的扩散非常慢，因此在微流控通道中实现混合比较困难。通过输入能量，借助磁力、电场力、声场力、气压力、离心力等外力可以在微通道中实现微混合，但是涉及的系统和工艺比较复杂(Nam-rung，N.and W.Zhigang.J.Micromech.Microeng.2005，15(2)，R1)。科学家发现，如果将微通道内部或外部结构进行了一定形式的几何修正，则可以将液体有效地分割、拉长、折叠和破裂。此时液体的扰动称为被动微混合。被动式混合不借助其他外力，具有加工简单方便，混合结构坚固牢靠，非常易于集成等优势。其中混沌对流又是被动微混合中应用最多的微混合机制。Strook等(Abraham D.Stroock.Science，2002，295，647-651)最早报道了利用凹槽三维空间(3dimension，3D)的特殊结构可以得到非常好的混沌对流微混合效果。他们在微通道上加工了一组倾斜的凹槽，借以增强横向运送，使液体在电渗流或稳定的输入水压下快速混合。之后，越来越多的3D微混合器问世。其中一种叠片式微混合器以其独特的加工优势和良好的性能而受到越来越多的研究者的青睐。特别是当层叠的微通道具有不同的厚度时，会得到更好的混合效果。由此具有不对称3D结构在微混合器如蛇形层流，分流汇集，错列重叠十字交叉，错列鱼骨等微混合器如雨后春笋般涌现了出来。但是它们往往涉及很多层的组装，工艺比较复杂。
具有微混合结构的微流控芯片在流体动力学研究、纳米颗粒合成、化学筛分、细胞溶解、分离科学等领域具有广泛的应用。Chen等(Chen，G.D.，et al.Anal.Chem.2010，82(2)，723-728)报道了一种混合微流控芯片，可以将人类免疫缺陷病毒HIV-1蛋白原位纯化分离。通过光学检测法证实了DNA的浓度提高了44倍。Lee等(Lee，N.Y.，M.Yamada，and M.Seki.Analy.Bioanal.Chem.2005，383(5)，776-782)使用一种扭曲平铺(twisting and flattening)的微混合器混合了MgCl2和水，并通过荧光方法表征了混合的效果。用该3D微混合芯片实现了DNA的纯化和分离。以上两个实例充分说明了使用3D微混合微流控芯片并结合光学检测手段可以有效地进行生化样品分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D微混合微流控芯片的制作方法。
本发明提供的一种3D微混合微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：
(1)将所述3D微混合微流控芯片的微通道图形通过激光照排制成掩膜；
(2)将负性光刻胶涂覆在载玻片上，将所述掩膜覆盖在所述负性光刻胶上；将覆盖有所述负性光刻胶和掩膜的载玻片在紫外光源下进行曝光并经显影后得到负性光刻胶阳膜；
(3)向所述负性光刻胶阳膜上浇铸聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂的混合浆体，固化后揭去所述负性光刻胶阳膜得到聚二甲基硅氧烷芯片A；
(4)按照上述步骤(1)至步骤(3)制作聚二甲基硅氧烷芯片B；
(5)将所述聚二甲基硅氧烷芯片A与聚二甲基硅氧烷芯片B紧密贴合后进行键合即得所述3D微混合微流控芯片，所述聚二甲基硅氧烷芯片A中的微通道与所述聚二甲基硅氧烷芯片B中的微通道为错列对称。
上述的制作方法中，所述负性光刻胶可为SU8光刻胶。
上述的制作方法中，所述紫外光源的功率可为500W。
上述的制作方法中，所述曝光的时间可为20s-120s，具体可为120s。
上述的制作方法中，所述显影可通过在有通风橱的暗室中晃动进行。
上述的制作方法中，步骤(2)中还包括将涂覆所述负性光刻胶的载玻片进行前烘和后烘的步骤；所述前烘的温度可为65℃-70℃，如65℃，所述前烘的时间可为20分钟-30分钟，如20分钟；所述后烘的温度可为95℃-100℃，如95℃，所述后烘的时间可为10分钟-30分钟，如10分钟。
上述的制作方法中，步骤(2)中所述曝光后还包括前烘和后烘的步骤；所述前烘的温度可为65℃-70℃，如65℃，所述前烘的时间可为20分钟-30分钟，如20分钟；所述后烘的温度可为95℃-100℃，如95℃，所述后烘的时间可为10分钟-30分钟，如10分钟。
上述的制作方法中，步骤(2)中所述显影后还包括烘干的步骤；所述烘干的温度可为150℃-160℃，如150℃；所述烘干的时间可为30分钟-50分钟，如30分钟。
上述的制作方法中，所述聚二甲基硅氧烷主剂(PDMS)可为道康宁(上海)有限公司生产的商品名称为“SYLGARD184BASE SILICONE ELASTOMER”的PDMS；所述固化剂可为道康宁(上海)有限公司生产的商品名称为“SYLGARD184SILICONE CURING AQENGT SILICONE ELASTOMER”的固化剂。
上述的制作方法中，所述聚二甲基硅氧烷主剂与所述固化剂的质量份数比可为(5-10)∶1，具体可为5∶1或10∶1。
上述的制作方法中，步骤(3)中所述固化的温度为60℃-100℃，如80℃；所述固化的时间为0.5小时-4小时，如0.5小时；步骤(5)中所述键合的温度可为60℃-100℃，如80℃；所述键合的时间可为0.5小时-4小时，如2小时。
本发明提供的3D微混合微流控芯片的封接方法操作简单，成本低廉，制作周期短，重现性好；非常适宜于加工数十微米的微观结构。本发明的制作方法提供的3D微混合微流控芯片可与紫外检测器联用，从而很容易实现混合、分离等单元操作，可用于化学反应、细胞培养等领域中。本发明的制作方法提供的3D微混合微流控芯片可与紫外检测器联用时，可成功地检测到10ng/μl的藻毒素样品，这对于对微流控分析技术在环境污染物的快速检测仪器的开发具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例1制作3D微混合微流控芯片的过程示意图。
图2为本发明实施例1制作的3D微混合微流控芯片的实物图和其微通道的模拟图，其中2(a)为实物图，图2(b)为模拟图。
图3为本发明实施例2中的有机玻璃模具的正面和反面的照片。
图4为本发明实施例2中的3D微混合微流控芯片-紫外紫外检测器的照片。
图5为本发明实施例2中的3D微混合微流控芯片-紫外紫外检测器用于检测蓝色燃料的紫外光谱，其中，图5(A)为蓝色点、线和面的紫外吸收图，图5(B)为不同光程的蓝色点的紫外吸收图。
图6为本发明实施例2中的3D微混合微流控芯片-紫外紫外检测器检测藻毒素的紫外光谱图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例1中所用的SU-82035购自MicroChem(美国)有限公司；所用的PDMS主剂和固化剂购自道康宁(上海)有限公司，主剂的产品名称为“SYLGARD184BASESILICONE ELASTOMER”，固化剂的产品名称为“SYLGARD184CURING AGENTSILICONE ELASTOMER”。
实施例1、3D微混合微流控芯片的制作
(1)用Freehand软件设计3D微混合微流控芯片的微通道图形，宽度设计为100μm，通过激光照排制成掩膜备用；
(2)玻璃片用Piranha洗液(98％(wt)H2SO4与30％(wt)H2O2的体积比为3∶1)加热煮沸清洗30min，蒸馏水冲洗后吹干并置于KW-4A型均胶机中，以4000r/min的匀胶速度涂一层厚约50μm的SU-8光刻胶(型号为SU-82035)，如图1中步骤A所示；之后静置涂有光胶的玻璃片30min，使其自然流动调节平面均匀；将涂好胶的玻璃片置于恒温热板烘箱中于65℃下前烘20min，并即刻升温烘箱至95℃，待烘箱温度恒定后，计时热烘10min，之后关闭烘箱使箱体内温度自然降致室温；然后将步骤(1)制作的掩膜覆盖在上述涂覆的SU-8光刻胶上，再继续将玻璃片转移至暗室中用500W的紫外光源曝光120sec处理；即刻在65℃的烘箱中热烘20min，并即刻升温烘箱至95℃，待烘箱温度恒定后，计时热烘10min后降温处理；之后在有通风橱的暗室中晃动搅拌显影(SU-8developer)7min，氮气吹干；将显影后的玻璃片移致150℃的热烘箱中烘烤30min固化SU8光刻胶，得到SU8阳模；上述操作均是在超净间中进行；该步骤如图1中步骤B和C所示；
(3)将步骤(2)得到的SU8阳膜疏水化(5％的二氯二甲基硅烷的正己烷溶液进行硅烷化)处理0.5h，氮气吹干备用；用锡箔制作围堰将该SU8阳膜基片围紧，在围槽的边缘放置1mm厚的硅胶片，之后向该SU8阳膜中浇铸PDMS主剂和固化剂质量份数比为10∶1的浆体，该步骤如图1中步骤D所示，最后用小尺寸的疏水化处理过的1mm厚载玻片封盖模具。将它们置于80℃的烘箱中热固化0.5h后揭去SU8阳膜得到PDMS芯片A；
(4)按照步骤(1)-(3)制作PDMS芯片B，其中，PDMS芯片B中的PDMS主剂和固化剂的质量份数比为5∶1，PDMS芯片A和PDMS芯片B中的微通道的深度相等；
(5)将上述制作的具有对称微通道的PDMS芯片A和PDMS芯片B紧密贴合，即刻置于80℃烘箱中继续固化键合2h，该步骤如图1中E所示，得到3D微混合微流控芯片(DMS芯片A和PDMS芯片B中的为微通道为错列对称)；冷却后等待下一步接口封接，用超声波打孔器在载玻片上加工出直径3mm的进样口、出样口和检测区(玻璃材质有紫外吸收干扰PDMS芯片的检测)；并使用PDMS薄膜可逆键合法键合PDMS芯片与玻璃衬底，该步骤如图1中步骤F和G所示；将聚氨酯塑胶管和硅胶管胶粘到玻璃接口上，最后继续浇铸PDMS并固化完成芯片和接口的全封闭处理，制作出的3D微混合微流控芯片的实物图和微通道中流体通路模拟图分别如图2(a)和图2(b)所示。
实施例2、实施例1制作的3D微混合微流控芯片与紫外检测器联用
3D微混合微流控芯片-紫外检测器的组装：3D微混合微流控芯片需在微注射泵的正压驱动下进行工作；所述微注射泵正压驱动是以内外径1×2mm的硅胶管为导管输送样品，以内外径为2×3mm的聚氨酯塑料管为进样连接口，以环氧AB胶(1∶1，v/v)黏合聚氨酯管和玻璃芯片进样口，使用500μm和1000μm的微量进样器进样，用硅胶管直接连接进样器针头，用TS-1A微注射泵控制输入流量(流速)直接驱动进样；另外，将实施例1制作的3D微混合微流控芯片装入自行设计的有机玻璃模具中，使得3D微混合微流控芯片的检测区对准模具光路通孔的中心，之后用螺丝钉固定住3D微混合微流控芯片；有机玻璃模具的实物图如图3所示；将装有3D微混合微流控芯片的模具固定到紫外-可见光谱仪(Hitachi U-2800)上，使其光路中心对准有机玻璃模具通孔中心；之后从紫外-可见光谱仪的暗室中引入硅胶管，并分别将其连接到微注射泵和废液池上，关闭暗室门后完成3D微混合微流控芯片-紫外检测器(MFC-UV系统)的组装，如图4所示。
3D微混合微流控芯片-紫外检测器(MFC-UV系统)的可行性：首先使用蓝色签字笔在3D微混合微流控芯片的富集检测区域做点、线和面的标记，所得到的紫外吸收图如图5所示。蓝色染料在500nm-700nm之间有很强的吸收，如图5(A)所示，该MFC-UV系统检测到的峰高会随着染料的总量的加大而增高，而且具有很大的信号响应，高浓度的染料在该MFC-UV系统中完全可以检测到，因此下一步的验证只需一个点来进行；另外在实验中设置了从0.1mm到2mm不同参比池的厚度即光程，如图5(B)示，图中可以发现越是短的光程越会产生大的信号，因为参比池厚度的缩小直接会使检测体积变小，而物质的总量不变，故物质的密度被放大了。由于3D微混合微流控芯片的富集区域的容量仅仅为0.35μl(5000μm×1000μm×70μm)，也就是说用于紫外检测的微流控“比色皿”度仅仅是70μm，由于PDMS芯片本身的厚度会产生一定的误差，设置短的光程例如100μm与真实的情况非常接近，那么如此短的光程必然会放大信号，提高物质的检测限。
3D微混合微流控芯片-紫外检测器(MFC-UV系统)用于藻毒素的识别：环境污染物的快速有效监控和治理是目前备受关注的问题。藻毒素作为一种致癌性的污染物如果能够实现快速地实时检测，则会对湖泊中水华的监测带来极大的帮助。藻毒素MC-LR会在238nm附近有特征紫外吸收峰，并且国标采用了C18柱高效液相色谱成功地分离了MC-LR。这些特性使得该FC-UV系统可以用来检测藻毒素。首先使用1mg/ml的BSA，用1ml/h的流量封闭微通道和链接管路2h以上，之后取1ml 0.01％(w/v)的磁珠，用20μl/min的流速进样，使用0.6mT的磁片截留于富集微通道区域；之后将5μm的1ml 0.02％(w/v)C18微球的乙醇溶液，以20μl/min的速度注入微通道中，同时设置紫外光谱扫描方式，当平衡时扫基线。最后将0.5ng/μl的MC-LR样品溶液，以20μl/min的速度平行注入微通道中(此时C18微球继续进样)，平衡5min后，停止进样并测紫外光谱。不同浓度的藻毒素检测到的UV吸收谱如图6所示。考察了100ng/μl，50ng/μl和10ng/μl三个浓度的藻毒素的紫外光谱，发现用MFC-UV系统可以快速地检测出高浓度的藻毒素MC-LR，而且紫外特征峰随着浓度的增加而增大。
Claims (4)
1.一种3D微混合微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：
（1）将所述3D微混合微流控芯片的微通道图形通过激光照排制成掩膜；
（2）将负性光刻胶涂覆在载玻片上，将所述掩膜覆盖在所述负性光刻胶上；将覆盖有所述负性光刻胶和掩膜的载玻片在紫外光源下进行曝光并经显影后得到负性光刻胶阳膜；
（3）向所述负性光刻胶阳膜上浇铸聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂的混合浆体，固化后揭去所述负性光刻胶阳膜得到聚二甲基硅氧烷芯片A；
（4）按照上述步骤（1）至步骤（3）制作聚二甲基硅氧烷芯片B；
（5）将所述聚二甲基硅氧烷芯片A与聚二甲基硅氧烷芯片B贴合后进行键合即得3D微混合微流控芯片，所述聚二甲基硅氧烷芯片A中的微通道与所述聚二甲基硅氧烷芯片B中的微通道为错列对称；
所述负性光刻胶为SU8光刻胶；
所述曝光的时间20s-120s；
步骤（2）中所述显影后还包括烘干的步骤；所述烘干的温度为150℃-160℃；所述烘干的时间为30分钟-50分钟；
步骤（3）中所述固化的温度为60℃-100℃；所述固化的时间为0.5小时-4小时；
步骤（5）中所述键合的温度为60℃-100℃；所述键合的时间为0.5小时-4小时。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤（2）中还包括将涂覆所述光刻胶的载玻片进行前烘和后烘的步骤；所述前烘的温度为65℃-70℃，所述前烘的时间为20分钟-30分钟；所述后烘的温度为95℃-100℃，所述后烘的时间为10分钟-30分钟。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：步骤（2）中所述曝光后还包括前烘和后烘的步骤；所述前烘的温度为65℃-70℃，所述前烘的时间为20分钟-30分钟；所述后烘的温度为95℃-100℃，所述后烘的时间为10分钟-30分钟。
4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷主剂与所述固化剂的质量份数比为（5-10）：1。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140625 Termination date: 20200520 |