CN102527280B - 一种微混合和微反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微混合和微反应装置，用于实现溶液的快速微混合和微反应，其包括：微流控芯片，由刻有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成；和芯片夹，用于夹持所述微流控芯片；其特征在于，所述微通道包括两条溶液入口通道和一条溶液出口通道，每条通道由一宽通道和一窄通道贯通连接形成，且三个窄通道均与一混合腔(4)贯通连接，从而使三条通道相互连通。本发明的微混合和微反应装置加工简单、成本低廉，并具有良好的光、力学性能和绝缘性及可以方便的与外部设备连接、整合，为溶液的超快微混合提供一种新的途径，能广泛应用于超快微反应动力学研究领域。

Description

一种微混合和微反应装置
技术领域
本发明涉及一种微混合和微反应装置，能实现亚微秒水平的超快混合，为溶液的超快微混合提供了一种途径，广泛应用于超快微反应动力学研究领域。
背景技术
微流控芯片(Microfluidic chip)又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)或微全分析系统(Micro-Total Analysis System，μTAS)，通过微加工技术将化学中所涉及的样品预处理、反应、分离、检测，生命科学中所涉及的细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成在一块几平方厘米大小的芯片上，利用微通道网络灵活的操控整个实验系统，从而实现传统化学或生物实验室的各项功能。自从20世纪90年代初Manz等人(Manz，A.，Graber，N.and Widmer，H.M.(1990)Miniaturized TotalChemical-Analysis Systems-a Novel Concept for Chemical Sensing.Sensor.Actuat.B-Chem.，1，244-248)首次提出了μTAS的概念以来，由于具有分析速度快、试剂消耗少、微型化、集成化和自动化的优点，微流控芯片已广泛应用于分析化学、合成化学、药物筛选、临床诊断、生物技术、环境检测等等领域。
快速混合在生化反应中至关重要，各种生化反应都必须通过反应物的混合而启动，因此微混合器是微流控芯片的一个重要组成部分。根据混合所需能量的输入方式不同，微混合器可分为两类：主动式微混合器和被动式微混合器。前者通过外来作用力产生的扰动，改善传质促进混合。该法加工技术难度大、时间分辨率不高。后者不借助如何其它外力、单纯利用几何形状或流体特性来促进混合效果，提高时间分辨率。
由于被动式混合器具有简单而有效的优势，已被广泛的应用于化学及生化分析。例如：Yao等人(Yao，S.and Bakajin，O.(2007)Improvements in Mixing Time and Mixing Uniformity in DevicesDesigned for Studies of Protein Folding Kinetics.Anal.Chem.79，5753-5759)通过对水力聚焦微混合器进行优化后，该微混合器的混合时间达到了2～4μs，是目前文献报道混合时间最小的微混合器，但该微混合器利用深反应离子刻蚀的方法进行加工，微通道的尺寸也非常小(＜2μm)，使得加工难度大、加工设备要求高。由于现有微混合器主要用扩散现象来实现混合，因此时间分辨率都非常有限，无法追踪亚微秒水平的超快动力学过程，并且加工难度大、加工设备昂贵和成本高。
发明内容
针对现有微混合器混合机制单一、时间分辨率有限、加工难度大、加工设备昂贵和成本高的缺陷，本发明提供了一种微混合和微反应装置，通过“交叉微流束”混合方式实现被动微混合和微反应，具有结构简单、加工简易、成本低廉，混合时间短，时间分辨率可达0.6微秒的优势，可广泛应用于超快微反应动力学研究领域。
实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：
一种微混合和微反应装置，包括微流控芯片和夹持该微流控芯片的芯片夹，其中，所述微流控芯片由刻有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成。
微通道结构由两条入口通道和一条出口通道相连组成，其结构特征如下：两溶液入口通道成小于180度夹角，溶液出口通道位于该角角平分线上，两溶液入口通道关于溶液出口通道对称；三个通道分别由蓄液池、宽通道与窄通道组成；三个通道的窄通道与混合腔相连，使得三个通道贯通；溶液分别由两入口通道的蓄液池先经宽通道，再过窄通道，流入混合腔汇合，再从混合腔流入出口通道的窄通道，过宽通道，最后流入出口通道蓄液池。混合腔外壁与入口通道外壁相切，宽通道与窄通道相比，前者宽度大于后者，高度一致，二者自然过渡。
芯片夹由垫板与盖板两部分组成。上层为盖板，板材需透光，不易变形，中央钻有穿透的小孔，孔一侧与针管连通；下层为垫板，板材不易变形，垫板中部挖空，便于显微成像；盖板与垫板通过四螺栓连接。
将微流控芯片置于芯片夹的底片与盖片之间，垫好O型圈，盖片小孔与芯片通道溶液进出口对齐，拧紧螺栓，即可制成基于“交叉微流束”混合方法的超快微混合和微反应装置。
本发明还公开了一种用于上述混合和微反应装置中的微流控芯片的制作工艺，具体包括如下步骤：
(1)制作具有上述微通道结构的芯片掩模；
(2)基片清洗并作匀胶处理；
(3)利用紫外光光刻进行完全曝光，将掩模上的图形转移到匀胶后的基片上；
(4)对匀胶后的基片进行前烘和后烘；
(5)对后烘后的基片进行显影和定影；
(6)将定影后的基片置于真空烘箱中进行坚膜；
(7)首先将PDMS低聚体和固化剂按比例搅拌混匀，倒在基片上进行烘烤，固化PDMS；
(8)将固化后的PDMS和玻璃盖片平进行键合处理，即可得到具有微通道的微流控芯片。
本发明还公开了一种微混合和微反应装置，包括利用上述制备工艺制备的微流控芯片。
本发明的突出特点在于：
(1)根据减小扩散距离、增加不同流体的接触面和加强对流等能改善混合效果的原理，通过对微混合和微反应器的几何结构进行一系列的优化，最终得到的超快混微混合和微反应器能产生卷入流，从而显著提高混合效率，时间分辨率可达0.6微秒；
(2)该被动微混合和微反应装置利用具有良好的光、力学性能的芯片夹，可以方便的与外部设备连接、整合。
本发明的微混合和微反应装置为溶液的快速混合提供了一种途径，在快速反应动力学研究领域将具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的微流控芯片立体示意图。
图2为本发明的微流控芯片微通道结构平面示意图。
图中，1，10为入口通道蓄液池；2，9为入口通道宽通道；3，8为入口通道小窄通道；4为混合腔；5为出口通道窄通道；6为出口通道大宽通道；7为出口通道蓄液池。
图3为本发明的芯片夹示意图，单位为mm，a为盖片，b为底片。
图4为微流控芯片与芯片夹组装示意图。
图在，A为溶液入口，B为溶液出口，C为芯片夹盖片，D为PDMS芯片，E为芯片夹底片，F为O型圈，G为光路。
图5为微流控芯片微通道加工流程图。
图6为荧光染料混合效果荧光图。
图中，荧光素和磺酰罗丹明B浓度为1×10-6mol/L，溶媒为1×10-2mol/L的硼酸缓冲液，pH＝11.0；流速分别是：A为0.2ml/min，B为0.3ml/min，C为0.4ml/min，D为0.5ml/min，E为0.6ml/min，F为0.7ml/min，G为0.8ml/min，H为1.0ml/min。
图7为常温下不同浓度的荧光素和KI的粹灭反应曲线图。
图中，荧光素钠的浓度分别为5×10-7mol/L(1)、2×10-6mol/L(2)、2.5×10-6mol/L(3)和3×10-6mol/L(4)，KI的浓度为1mol/L；四种不同浓度的荧光素粹灭反应曲线相交于0.64μs，散点为实验数据及5次实验结果的误差棒，光滑曲线为单指数拟合曲线。
图8为表观反应速率常数对荧光素浓度的线性拟合图。
图中，通过线性拟合后二级荧光粹灭反应的反应动力学常数为3.41(±0.32)×109M-1·S-1，散点为实验数据及5次实验结果的误差棒，光滑曲线为线性拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
本实施例中，微混合和微反应装置由微流控芯片和芯片夹两部分组成。
如图1-2所示，微流控芯片为聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，其由刻有微通道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成。
PDMS薄层内微通道结构为相连通的三条通道，如图2所示。包括两入口通道和一出口通道，两入口通道和一出口通道通过混合腔4连通。
本实施例中，两入口通道的中心轴线的角度成90度，溶液分别从入口通道蓄液池1和10(本实施例中的入口通道蓄液池是半径为0.125mm圆)，分别经入口宽通道2和9(本实施例中入口宽通道的宽度为80μm，长度为1.1mm左右)，以及入口窄通道3和8(本实施例中入口通道窄通道的宽度为15μm，长度为62μm)后，汇合于混合腔4(本实施例中混合腔是半径为37.5μm的半圆)，再从出口窄通道5(本实施例中出口通道窄通道的宽度为15μm，长度为40μm)流出，经出口宽通道6(本实施例中出口通道宽通道的宽度为80μm，长度为1.25mm)后，流入溶液出口蓄液池7(本实施例中出口蓄液池的半径为0.125mm)，三个微通道的高度优先为28μm，而且可以使入口窄通道的外壁与混合腔4的外壁相连接处相切。
上述实施例中对微通道结构的描述中所采用的具体尺寸或数据仅是实例性的，不构成对本发明的限定，其中的尺寸或数据根据实际需要可以进行具体选择或确认。如两入口通道的中心轴线的角度不必限定在90°，可以根据需要进行调整，只要小于180度的范围内都是可行的。另外，如入口宽通道、入口窄通道、出口宽通道、出口窄通道以及入口通道蓄液池和出口通道蓄液池的具体尺寸大小均可以根据微混合速度、效率等具体需要调整和选择。
芯片夹是在本实例中采用有机玻璃制作，其它适合材料亦可，如图3所示。芯片夹包括盖片与底片，尺寸都是39mm×30mm×8mm，四角为螺纹孔，盖片中央有3个直径为0.6mm的穿孔，底片中央设置有通孔，尺寸根据芯片尺寸进行确定，如可以为18mm×20mm。盖片与底片二者通过螺栓固定。
本发明中的微混合和微反应装置的具体制作工艺流程如下：
(1)PDMS微流控芯片的制作，其流程参见图5，具体的制作过程可以分为以下步骤：
(1.1)掩模的设计和制作：设计微流控芯片的掩模图形，通过打印机(分辨率大于20000dpi)将掩模图形打印到菲林胶片上，得到菲林掩模。
(1.2)基片清洗及匀胶：，基片经丙酮、Piranha溶液和超纯水严格清洗并用高温(150℃×1h)烘干后，在基片中心滴加适量SU-8光刻胶(大约1ml/inch2)，置于匀胶机转盘上，采用600rpm×18s、2100rpm×60s(以100rpm/min的速度提高转速)的程序匀胶。整个制作阳模过程在必须装有黄光特种灯管(可滤除可见光中的蓝光和紫外波段的光)的百级超净间内进行。
(1.3)前烘：在热平板上采用的以下加热程序对匀胶后的基片进行前烘：室温下平整放置120min，从室温以2℃/min的速度升温至65℃，在65℃的温度下保持15min，再以2℃/min的速度升温至95℃，在95℃的温度下保持120min后，以2℃/min的速度降温至室温，如图5中(a)所示。前烘的作用是挥发光刻胶内的溶剂，同时使光敏分子在垂直方向上获得高斯分布，增加光刻胶在基片上的粘着力。
(1.4)曝光：利用紫外光光刻的办法一次完全曝光70秒，如图5中(b)所示，将菲林掩模上的图形转移到匀胶后的基片上。经过前烘处理后的匀胶基片，光敏分子均匀分布在光刻胶层，经过紫外光i线(365nm)的照射后，光引发剂吸收光子发生光化学反应，生成强酸，在后烘过程中作为酸性催化剂引发SU-8的交联反应，如图5中(c)所示。交联形成的致密交联网络结构在其后的显影过程中变得惰性而不能被显影液溶解，微结构部分由此在胶内与非结构部分区分开来。
(1.5)后烘：在热平板上采用的以下加热程序对曝光后的匀胶基片进行后烘：从室温以2℃/min的速度升温至65℃，在65℃的温度下保持15min，再以2℃/min的速度升温至95℃，在95℃的温度下保持40min后，以2℃/min的速度降温至室温，如图5中(d)所示。后烘充分能使曝光区域内交联反应充分，从而在显影中获得垂直的微结构。
(1.6)显影和定影：显影和定影是在基片上生成图形的关键步骤。丙二醇单甲基醚乙酸酯(PGMEA)和异丙醇分别是SU-8光刻胶最常用的显影液和定影液。用PGMEA显影60秒，基片上未曝光部分光刻胶被均匀溶解后，再用异丙醇定影，最后用氮气枪将基片吹干后，可以很明显的在基片上看到设计的图形。
(1.7)坚膜：如图5中(e)所示，将显影后具有微结构的基片置于真空烘箱中，135℃的温度下静置120min，自然冷却，加固交联后的SU-8胶在基片上的粘附。
(1.8)PDMS固化：首先将PDMS低聚体和固化剂按照10∶1的比例搅拌混匀，置于真空干燥器中真空脱气后，倒在有围堰的坚膜后的基片上，置于热平板上65℃温度下烘烤4小时后，PDMS将通过交联反应形成有弹性的透明固体，如图5中(f)所示。从SU-8阳模上剥离下来的PDMS就具有所需的微通道结构，如图5中(g)所示。
(1.9)玻璃盖片处理：将用超声波打孔器打好孔的玻璃盖片依次用肥皂水超声清洗30min、丙酮超声清洗30min、超纯水漂洗、Piranha溶液超声清洗30min和超纯水超声清洗后，置于热平板上150℃温度下烘烤1小时，冷却至室温。
(1.10)键合：打开氧等离子体清洗腔，将需要键和的已固化后的PDMS和玻璃盖片平放入腔内，待键合的表面朝上放置；抽真空，打开高频电源至600V，当达到所需真空度时清洗机会起辉(紫红色)，氧气流量为600ml/min，清洗60秒；用超纯水淋洗30秒、贴合、对齐后，置于真空烘箱中，在65℃、真空度为0.7atm条件下静置120min，使PDMS与玻璃盖片键合在一起，得到具有微通道的微流控PDMS芯片，如图5中(h)所示。
(2)芯片夹的设计与加工
用8mm厚的有机玻璃为材料，按照图5中的尺寸加工好芯片夹后，先用清洁剂水溶液超声清洗30min后，用超纯水超声清洗3～4次，每次30min。将外径为0.6mm且已清洗干净的注射器针头插入盖片的小口，用AB胶粘牢。再将用于输送溶液的内径为0.25mm的聚氯乙烯管连接好，即得到芯片夹。
(3)微混合和微反应装置的组装：
如图4所示，将加工好的PDMS微流控芯片置于芯片夹的底片与盖片中间，垫好O型圈，盖片小孔与芯片通道溶液进出口对齐，拧紧螺栓，得到超快被动微混合和微反应装置。
本实施例中利用无反应的荧光素钠和磺酰罗丹明B简单混合，对结构优化后的超快微混合和微反应器的混合效果进行了评价。通过微量注射泵以不同的流速的荧光素和磺酰罗丹明B(分别从箭头形微混合器的侧边流路输入，经侧边小通道的喷射后互相碰撞，在中间小通道的形成卷入流后进入检测通道，利用高灵敏的电子制冷CCD相机拍摄稳态时微混合和微反应器的混合效果图。不同流量下荧光素钠和磺酰罗丹明B混合效果的荧光图如图6所示。
采用荧光素和KI的粹灭反应准确的测定该微混合和微反应器的死时间，通过微量注射泵将不同浓度的荧光素和2mol/L的KI溶液从入口分别以0.3mL/min的流量注入微混合器，混合后，电子制冷CCD拍摄的照片通过图像处理软件MATLAB 7.0处理后的荧光粹灭反应曲线如图7所示。荧光粹灭反应曲线都能用单指数方程进行拟合，再将表观反应速率常数对荧光素的浓度进行线性拟合，如图8所示。通过线性拟合后二级荧光粹灭反应的反应动力学常数为3.41(±0.32)×109M-1·s-1，并且不同浓度的荧光素钠反应曲线相交于一点：～0.64μs，表明该微混合和微反应器的死时间为0.64μs。

Claims (4)

1.一种微混合和微反应装置，用于实现溶液的快速微混合和微反应，其包括：
微流控芯片，由刻有微通道的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄层与玻璃片键合而成；和
芯片夹，用于夹持所述微流控芯片，该芯片夹包括盖片与底片，所述微流控芯片置于所述盖片和底片之间，通过将盖片和底片连接锁紧实现对所述微流控芯片的夹紧；
其特征在于，所述微通道包括两条溶液入口通道和一条溶液出口通道，每条通道由一宽通道和一窄通道贯通连接形成，且三个窄通道均与一混合腔（4）贯通连接，从而使三条通道相互连通；
其中，两溶液入口通道中心轴线呈小于180度夹角，所述溶液出口通道中心轴线位于该夹角角平分线上，所述两溶液入口通道关于该溶液出口通道轴对称；
所述宽通道的宽度大于窄通道的宽度。
2.根据权利要求1所述的微混合和微反应装置，其特征在于，所述混合腔（4）外壁面与入口通道外壁面连接处相切。
3.根据权利要求1或2所述的微混合和微反应装置，其特征在于，所述三条通道的分别与储液池连通。
4.根据权利要求1所述的微混合和微反应装置，其特征在于，所述盖片上设置有小孔，分别与所述微流控芯片的入口储液池和出口储液池相通。
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