CN102580799A

CN102580799A - 一种微液滴微流控芯片的制作方法

Info

Publication number: CN102580799A
Application number: CN2012100500893A
Authority: CN
Inventors: 严清峰; 王秀瑜
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN102580799B

Abstract

本发明公开了一种微液滴微流控芯片的制作方法。包括如下步骤：(1)设计预制作的微液滴微流控芯片的通道结构；(2)在载玻片上切割出与所述通道结构匹配的组件玻璃片；(3)将组件玻璃片在基片上搭建出通道结构；在所述通道结构的微通道中设置一带有渐缩形尾椎的圆柱形毛细管和一圆柱形毛细管，带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥端插入至圆柱形玻璃毛细管内且为同轴设置；然后将盖片键合；(4)将所述带有渐缩形尾椎的圆柱形毛细管的平口端插入至内径与之匹配的细管中，再将一细管插入至组件玻璃片之间的空隙。本发明的微流控芯片微通道的加工工艺并不是通过传统的刻蚀方法，可以免除光刻等繁琐的工艺及相关的昂贵设备，突破对MEMS专业技术人员的依赖。

Description

一种微液滴微流控芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及一种微液滴微流控芯片的制作方法，属于微流控芯片的制作技术领域。

背景技术

目前，微流控芯片的发展主要受到芯片材料、加工技术、成型方法和封接工艺等方面的限制。芯片材料主要分成三类。第一类材料为单晶硅，它的加工工艺成熟，但是易碎，价格昂贵，不能透光且表面化学行为较复杂。第二类材料为有机聚合物，可通过铸造成型或者激光雕刻等方法得到深宽比大的通道，但是不耐高温和有机溶液腐蚀，且不易对表面进行改性。第三类材料为玻璃，它具有稳定的表面性质，耐有机溶剂腐蚀，不易吸附样品，透光性良好，可与高速在线显微实验平台联用，方便对样品进行实时的观察和操控，这些独特的性质使玻璃非常适合作为微液滴微流控芯片的制作材料。

目前玻璃芯片微通道的加工工艺水平国内外比较接近，主要基于光刻和湿法腐蚀，即利用光刻技术在牺牲层制作图案窗口，继而使用HF/HNO₃或HF/NH₄F等化学腐蚀溶液进行腐蚀的加工工艺。该方法所涉及的光刻步骤需要昂贵的仪器和超净室以及繁琐的步骤，然而普通的化学实验室一般又不具备微加工条件与超净环境，因此在很大程度上制约了微流控系统在化学领域的应用。最近也有报道将激光技术用于玻璃芯片微通道的加工，但由于玻璃易碎的物理性质，单纯使用激光加工难以制备表面光滑的微流控芯片通道系统，尤其不容易控制交叉管道的质量，并且高能量激光较强的烧蚀作用易使导热性导较差的玻璃表面产生裂纹，高分辨率激光照排机价格昂贵，需要专业的技术人员进行操作，工艺路线具有较大的局限性，不利于微流控技术在普通化学实验室中的推广。

除了玻璃微加工工艺这个技术瓶颈之外，玻璃键合工艺也一直是困扰微流控系统研究人员的技术难点之一。国内外对玻璃键合工艺研究相对较少。键合方式主要有热键合、阳极键合和间质键合三大类。目前，玻璃键合常采用传统的热键合技术。这是以上三种键合技术中对设备依赖性最低的一种。但是热键合工艺对玻璃基质表面的平整度有很高的要求，基质往往需要额外的抛光处理，且键合工艺需要较长的升温和降温过程，工艺稳定性差，键合废品率高，增加了微流控芯片的加工成本和生产时间。

发明内容

为了解决目前微液滴微流控芯片制作工艺中关于微通道加工及芯片键合等关键技术难题，使普通化学实验也能使用微液滴微流控平台用于化学合成与分析，本发明提供了一种简单精巧的微液滴微流控芯片的制作方法。

为此，本发明提供的一种微液滴微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

(1)设计预制作的微液滴微流控芯片的通道结构；

(2)在载玻片上切割出与所述通道结构匹配的组件玻璃片；

(3)将所述组件玻璃片在基片上搭建出所述通道结构；在所述通道结构的微通道中设置一带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和一圆柱形玻璃毛细管，所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥端插入至所述圆柱形玻璃毛细管内且为同轴设置；然后将盖片键合于所述组件玻璃片、带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和圆柱形玻璃毛细管上；

(4)将所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的平口端插入至内径与之匹配的细管中，再将内径与所述组件玻璃片之间的空隙匹配的细管插入至所述组件玻璃片之间的空隙中，然后将所述细管与所述圆柱形玻璃毛细管和组件玻璃片之间的接口进行密封即完成所述微液滴微流控芯片的制作。

上述的制作方法中，所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的圆柱形部分和圆柱形玻璃毛细管的内径和外径均相等。

上述的制作方法中，所述细管的材质可为聚四氟乙烯、聚氯乙烯或ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)树脂等。

上述的制作方法中，所述载玻片、基片与盖片的材质均可为钠玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。

上述的制作方法中，步骤(2)中，可利用玻璃刀在所述载玻片上进行切割；步骤(3)中，可通过粘合剂进行键合，如502胶水、丙烯酸树脂或水玻璃等。

上述的制作方法中，所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口的直径可为1～80μm。

上述的制作方法中，步骤(4)中，可利用粘合剂对所述接口进行密封，如AB胶或环氧树脂胶。

本发明提供的制作方法具有以下有益效果：

1、本发明所用是的芯片材料为普通的载玻片，廉价易得，且耐有机溶剂腐蚀，不易吸附样品，透光性良好，可与高速在线显微实验平台联用，方便对样品进行实时的观察和操控。

2、本发明涉及的芯片制作环境为普通的化学实验室，突破对超净制作环境的依赖。

3、本发明涉及的微流控芯片微通道的加工工艺并不是通过传统的刻蚀方法，可以免除光刻等繁琐的工艺及相关的昂贵设备，突破对MEMS专业技术人员的依赖。

4、本发明涉及的芯片键合技术无需超净和高温环境，有效避免高温产生的热应力对芯片结构的损害。

5、本发明涉及的芯片无需钻孔，避免了芯片在钻孔的初始和结束阶段造成微通道边界的塌陷。

6、本发明涉及的芯片可以通过丙酮浸泡过夜和超声处理实现拆分，然后重新组装使用，增加了设计的灵活性和多样性。

附图说明

图1为T型与十字交叉型微液滴微流控芯片的制作工艺流程图。

图2为T型微液滴微流控芯片剖面图。

图3为十字交叉型微液滴微流控芯片剖面图。

图4为使用实施例2制作的微液滴微流控芯片得到的微液滴的显微镜照片。

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。

实施例1、T型微液滴微流控芯片的制作

该实施例制作的工艺流程图如图1所示。

(1)设计微液滴微流控芯片的通道结构为T型通道；

(2)根据设计出的T型通道，用玻璃刀在石英玻璃材质的载玻片上切割出需要规格和尺寸的组件玻璃片A、B和C；

(3)将各组件玻璃片A、B和C在石英玻璃材质的基片上搭建出设计的T型通道，如图1(a)所示；在该T型通道的微通道中设置一个内径和外径均相等的带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和一个圆柱形玻璃毛细管，该带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥端插入至圆柱形玻璃毛细管内且为同轴设置，带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口的直径为50μm；然后将石英玻璃材质的盖片通过502胶水键合于各组件玻璃片A、B和C以及带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和圆柱形玻璃毛细管上，如图1(b)所示；

将带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的平口端插入至一内径与之匹配的聚四氟乙烯管中，再将一聚四氟乙烯管插入至组件玻璃片B与C之间的空隙(图中未示出)，该细管的内径与组件玻璃片B与C之间的空隙相匹配，然后将用AB胶对各接口进行密封即完成该T型微液滴微流控芯片的制作，分散相从与带有渐缩形尾锥的圆柱形玻璃毛细管的平口端相连接的聚四氟乙烯管的管口注入，连续相从设于组件玻璃片B与C之间的聚四氟乙烯管的管口注入，在带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口处，分散相在连续相的剪切力的作用下形成微液滴，如图1(c)所示。

本实施例制作的微液滴微流控芯片的剖面图如图2所示，其中，G为载玻片，A、B、C为由载玻片切割出的微通道组件玻璃片。

实施例2、十字交叉型微液滴微流控芯片的制作

该实施例制作的工艺流程图如图1所示。

(1)设计微液滴微流控芯片的通道结构为十字交叉型通道；

(2)根据设计出的十字交叉型通道，用玻璃刀在硼硅玻璃材质的载玻片上切割出需要规格和尺寸的组件玻璃片A’、B’、C’和D’；

(3)将各组件玻璃片A’、B’、C’和D’在硼硅玻璃材质的基片上搭建出设计的T型通道，如图1(a’)所示；在该十字交叉型通道的微通道中设置一个内径和外径均相等的带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和一个圆柱形玻璃毛细管，该带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥端插入至圆柱形玻璃毛细管内且为同轴设置，带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口的直径为80μm；然后将硼硅玻璃材质的盖片通过丙烯酸树脂键合于各组件玻璃片A’、B’、C’和D’以及带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管和一圆柱形玻璃毛细管上，如图1(b’)所示；

将带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的平口端插入至一内径与之匹配的聚四氟乙烯管中，再将二个聚四氟乙烯管分别插入至组件玻璃片A’与B’和C’与D’之间的空隙(图中未示出)，该细管的内径与组件玻璃片A’与B’和C’与D’之间的空隙相匹配，然后将用环氧树脂胶对各接口进行密封即完成十字交叉型微液滴微流控芯片的制作，分散相从与带有渐缩形尾锥的圆柱形玻璃毛细管的平口端相连接的聚四氟乙烯管的管口注入，连续相从设于组件玻璃片A’与B’和C’与D’之间的聚四氟乙烯管的管口注入，在带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口处，分散相在连续相的剪切力的作用下形成微液滴，如图1(c’)所示。

本实施例制作的微液滴微流控芯片的剖面图如图3所示，其中，G’为载玻片，A’、B’、C’和D’为由载玻片切割出的微通道组件玻璃片。

以甲苯为分散相，水为连续相，利用本实施例制作的微液滴微流控芯片进行实验，得到的微液滴在50倍光学显微镜下的照片如图4所示，由该图可知，由本发明制作的微液滴微流控芯片得到的微液滴具有良好的均一性，液滴半径为150um。

图4为使用自制玻璃微液滴微流控芯片，以甲苯为分散相，水为连续相得到的微液滴在50倍光学显微镜下的照片，由图可见液滴具有良好的均一性，液滴半径为150μm。

Claims

1.一种微液滴微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

(1)设计预制作的微液滴微流控芯片的通道结构；

(2)在载玻片上切割出与所述通道结构匹配的组件玻璃片；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的圆柱形部分和圆柱形玻璃毛细管的内径和外径均相等。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述细管的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物树脂。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述载玻片、基片与盖片的材质均为钠玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，用玻璃刀在所述载玻片上进行切割；步骤(3)中，通过粘合剂进行键合；步骤(4)中，用粘合剂对所述接口进行密封。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于：所述带有渐缩形尾椎的圆柱形玻璃毛细管的锥形端口的直径为1～80μm。