CN102671728A

CN102671728A - 一种微流控气动阀芯片

Info

Publication number: CN102671728A
Application number: CN2012101387949A
Authority: CN
Inventors: 叶嘉明; 张凯欢; 邢婉丽; 程京
Original assignee: Tsinghua University; CapitalBio Corp
Current assignee: Tsinghua University; CapitalBio Corp
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种微流控气动阀芯片。所述芯片由上至下包括依次叠加在一起的盖片、双面胶a、弹性薄膜、双面胶b和基板；双面胶a上刻有流体通道，流体通道的两个相对的侧壁分别为所述盖片和所述弹性薄膜；流体通道的进样口和出样口均与外界相连通；双面胶b上刻有至少一条控制通道，控制通道的两个相对的侧壁分别为所述弹性薄膜和所述基板；所述控制通道的一端为封闭端，另一端为开口端，该开口端与外界相连通；流体通道与控制通道之间在平面内为垂直相交设置。本发明提供的微流控气动阀芯片，以双面胶材料和商品化高分子弹性薄膜为原材料，材料成本低、方便获得；依靠双面胶上的粘合剂粘贴实现芯片的键合，制作简便快速，并且极大地拓宽了芯片材料的材料选择范围。

Description

一种微流控气动阀芯片

技术领域

本发明涉及一种微流控气动阀芯片，属于微流控芯片技术领域。

背景技术

微流控芯片是以微机电加工技术为基础，由微通道在芯片上形成网络，以可控微流体贯穿整个系统并完成各种生物和化学过程的一种技术。由于具备低消耗、易集成、高通量和分析速度快等优点，微流控芯片已广泛应用于化学、生物、医学等领域，并且已开始从实验室研究阶段开始逐步向商品化应用发展。

微流体操控技术是微流控芯片的核心内容，几乎所有在微流控芯片上实现的生物、化学的反应和检测过程都是依靠流体的操控而实现。微阀是微流控芯片中用于实现微流体操控的最为重要的功能单元之一，其基本功能是实现微流体通道的导通与隔断。发展至今，已有多种微阀技术被研究者提出，包括气动微阀、压电微阀、相变微阀、扭矩微阀等，其中，由Quake研究组于2000年提出的气动阀（M.A.Unger,H.P.Chou,T.Thorsen,A.Scherer and S.R.Quake,Science,2000,288,113-116.），由于结构简单、响应速度快、易于大规模集成等优点，已成为目前微流控芯片中研究和应用最广泛的微阀技术。这种气动阀芯片以PDMS（聚二甲基硅氧烷）为材料，由两个垂直相交的流体通道以及夹在两通道间的PDMS薄膜构成，其中一条通道为流体通道，用于芯片中的流体传输；另一通道为控制通道，一般与压力源（如高压空气等）相连，通过调节控制通道中的气压促使PDMS薄膜朝流体通道发生形变，从而控制流体通道的导通与隔断。虽然这种芯片具有上述优点，但由于PDMS材料由于本体多孔容易造成气体泄漏或污染，并且耐有机溶剂性差；此外，PDMS芯片制备过程需要光刻、等离子活化辅助键合等步骤，制作周期长、过程繁琐、仪器价格昂贵、需要超净加工环境，因此紧限于部分科研实验室应用，难以普遍推广。近年来开始有许多非PDMS的材料被用于气动阀微流控芯片的加工，例如Mathies提出了玻璃/PDMS/玻璃杂合芯片（W.H.Grover,A.M.Skelley，C.N.Liu,E.T.Lagally，R.A.Mathies,Sensors and Actuators B,2003,89,315-323.），但是该芯片的玻璃通道加工仍需使用光刻工艺，因此并未克服上述缺点；Mathies和Yang提出了PMMA/PDMS/PMMA杂合芯片（W.H.Zhang,S.C.Lin,C.M.Wang,J.Hu,C.Li,Z.X.Zhuang,Y.L.Zhou,R.A.Mathies,C.Y.J.Yang,Lab on a Chip,2009,9,3088-3094.）的制备方法，分别将流体通道与控制通道采用激光刻蚀法加工在两片PMMA基底上，而中间仍以PDMS隔膜为工作器件，这种芯片加工方法虽然避免昂贵繁琐的光刻过程，但是需要采用复杂后处理程序以获得底部光滑平整的PMMA通道，此外PDMS与PMMA之间的键合前仍需采用特定波长的紫外光照射的表面活化处理工艺；最近，Manalis提出采用商品化的Teflon膜与玻璃基底热压键合方法制备了气动阀芯片（W.H.Grover,M.G.von Muhlen,S.R.Manalis,Lab on a Chip,2008,8,913-918.），类似地，Ogilvie提出采用将商品化的Viton膜与COC和PMMA表面分别经氧等离子体活化处理和硅烷化修饰处理后热压键合的方法制备微流控气动阀芯片（I.R.G.Ogilvie,V.J.Sieben,B.Cortese,M.C.Mowlem,H.Morgan,Lab on a chip,2011,11,2455-2459.），这两种方法虽然避免使用了PDMS作为气动阀芯片的隔膜材料，但是芯片的通道加工及键合工艺较为复杂。综上所述，现有的微流控气动阀芯片或是隔膜材料特性差，或是芯片加工成本高、过程繁琐、制作周期长。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流控气动阀芯片。

本发明所提供的一种微流控气动阀芯片，由上至下包括依次叠加在一起的盖片、双面胶a、弹性薄膜、双面胶b和基板；

所述双面胶a上刻有流体通道，所述流体通道的两个相对的侧壁分别为所述盖片和所述弹性薄膜；所述流体通道的进样口和出样口均与外界相连通；

所述双面胶b上刻有至少一条控制通道，所述控制通道的两个相对的侧壁分别为所述弹性薄膜和所述基板；所述控制通道的一端为封闭端，另一端为开口端，该开口端与外界相连通；

所述流体通道与所述控制通道之间在平面内为垂直相交设置。

本发明所提供的另一种微流控气动阀芯片，由上至下包括依次叠加在一起的盖片、双面胶c、弹性薄膜、双面胶d和基板；

所述双面胶c上刻有至少一条控制通道，所述控制通道的两个相对的侧壁分别为所述盖片和所述弹性薄膜；所述控制通道的一端为封闭端，另一端为开口端，该开口端与外界相连通；

所述双面胶d上刻有流体通道，所述流体通道的两个相对的侧壁分别为所述弹性薄膜和所述基板；所述流体通道的进样口和出样口均与外界相连通；

上述的微流控气动阀芯片中，所述盖片与基板的材质均可为硅片、石英、玻璃或高分子聚合物，可以相同也可以不同；考虑微流控芯片的光学检测要求，优先使用透光性高的玻璃或PMMA、PC、PET、COC等高分子聚合物。

上述的微流控气动阀芯片中，双面胶a、双面胶b、双面胶c和双面胶d均可为基材型双面胶或无基材型双面胶；所述基材型双面胶中的基材可为玻璃、高分子聚合物、硅片或金属及其氧化物。

上述的微流控气动阀芯片中，所述弹性薄膜的材质为PDMS或聚四氟乙烯，其厚度为0~300μm，但不为零。

上述的微流控气动阀芯片中，可通过所述控制通道的开口端向控制通道内通入加压气体，如可与高压气体钢瓶相连接，也可通入液体。

本发明提供的微流控气动阀门芯片中的流体通道及其进出口的加工方法可以是激光烧蚀、刀具切割、机床加工、化学刻蚀等；然后利用双面胶的粘合特性，将加工后的芯片材料从上到下按照“盖片-流体通道-弹性薄膜-控制通道-基板”或“盖片-控制通道-弹性薄膜-流体通道-基板”的顺序，对准后依次粘贴而成。

本发明提供的微流控气动阀芯片，以双面胶材料和商品化高分子弹性薄膜为原材料，材料成本低、方便获得；依靠双面胶上的粘合剂粘贴实现芯片的键合，制作简便快速，并且极大地拓宽了芯片材料包括盖片、基板和高分子弹性膜的材料选择范围。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的微流控液滴芯片的横截面结构示意图，图中各标记如下：1PDMS盖片、2基于硅胶基材的双面胶a、3弹性PDMS薄膜、4基于硅胶基材的双面胶b、5PDMS基板、6流体通道、7控制通道、

图2为本发明实施例2提供的微流控液滴芯片的横截面结构示意图，图中各标记如下：1’PET盖片、2’基于PET基材的双面胶c、3’弹性PET薄膜、4’基于PET基材的双面胶d、5’PET基板、6’流体通道、7’控制通道。

图3为本发明实施例2提供的微流控液滴芯片的平面结构示意图，图中各标记如下：1”流体通道、2”，3”控制通道、4”溶液进口、5”，6”溶液出口、7”，8”加压气体接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1、包含单个“上推式”气动阀的PDMS微流控液滴芯片

该实施例提供的芯片的横截面结构示意图如图1所示，该芯片由上之下包括依次叠加在一起的PDMS盖片1、基于硅胶基材的双面胶a2、厚度为50μm的弹性PDMS薄膜3、基于硅胶基材的双面胶b4和PDMS基板5；基于硅胶基材的双面胶a2上刻有流体通道6，该流体通道6的两个相对的侧壁分别为PDMS盖片1和弹性PDMS薄膜3，该流体通道6的进样口和出样口（图中未示出）均与外界相连通，用于进样和出样；基于硅胶基材的双面胶b4上刻有一条控制通道7，该控制通道7的两个相对的侧壁分别为弹性PDMS薄膜3和PDMS基板5，该控制通道7的一端为封闭端，另一端为开口端，该开口端与外界相连通，用于通入高压液体或高压气体，以使弹性PDMS薄膜3发生形变；且流体通道6与控制通道7在平面内为垂直相交设置。

如图1（a）所示，当控制通道7与高压空气未连通时，此时流体通道6为导通状态；如图1（b）所示，当控制通道7与高压空气相连通时，调节气压为80Kpa，此时流体通道6为阻断状态。

实施例2、包含单个“下压式”气动阀的PET微流控芯片

该实施例提供的芯片的横截面结构示意图如图2所示，该芯片由上之下包括依次叠加在一起的PET盖片1’、基于PET基材的双面胶c2’、厚度为10μm的弹性PET薄膜3’、基于PET基材的双面胶d4’和PET基板5’；基于PET基材的双面胶c2’上刻有一条控制通道7’，该控制通道7’的两个相对侧壁分别为PET盖片1’和弹性PET薄膜3’，该控制通道7’的一端为封闭端，另一端为开口端，该开口端与外界相连通，用于通入高压液体或高压气体，以使弹性PET薄膜3’发生形变；基于PET基材的双面胶d4’上刻有流体通道6’，该流体通道6’的两个相对的侧壁分别为弹性PET薄膜3’和PET基板5’，该流体通道6’的进样口和出样口（图中未示出）均与外界相连通，用于进样和出样；流体通道6’与控制通道7’在水平面内为垂直相交设置。

如图2（a）所示，当控制通道7’与高压空气未连通时，此时流体通道6’为导通状态；如图2（b）所示，当控制通道7’与高压空气瓶连通时，调节气压50KPa，此时流体通道6’为阻断状态。

实施例3、包含两个“上推式”气动阀的PMMA微流控芯片

该实施例提供的芯片的结构与实施例1中提供的芯片类似，不同之处在于：该芯片包括2条控制通道2”和3”，控制通道2”和3”的开口端均为加压气体接口7”和8”，用于通入高压气体；控制通道2”和3”均与流体通道1”在平面内为垂直相交设置；T型流体通道1”的3个开口端分别为溶液进口4”、溶液出口5”和6”。

上述微流控芯片的工作过程为：溶液进口4”通过导管连接一个连续泵出水溶液的注射泵，溶液的流动速度由注射泵控制；如图3（a）所示，当溶液抵达“T”型交叉口时，如果将加压气体接口7”与高压空气接通，调节气压70KPa，而另一加压气体接口8”与空气接通，此时控制通道3”向弹性薄膜施加压力使其向流体通道1”发生形变，进而阻止溶液向溶液出口5”的方向流动，所以溶液向溶液出口6”的方向流动；反之，如图3（b）所示，当溶液抵达“T”型交叉口时，如果将加压气体接口8”与高压空气接通，调节气压70KPa，而加压气体接口7”与空气接通，此时控制通道3”向弹性薄膜施加压力使其向流体通道1”发生形变，进而阻止溶液向溶液出口6”的方向流动，所以溶液向溶液出口5”的方向流动；因此，通过控制控制通道2”和3”，则可以实现流体的在两条通道间的切换运行。

Claims

1.一种微流控气动阀芯片，其特征在于：所述芯片由上至下包括依次叠加在一起的盖片、双面胶a、弹性薄膜、双面胶b和基板；

2.一种微流控气动阀芯片，其特征在于：所述芯片由上至下包括依次叠加在一起的盖片、双面胶c、弹性薄膜、双面胶d和基板；

3.根据权利要求1或2所述的芯片，其特征在于：所述盖片与基板的材质均为硅片、石英、玻璃或高分子聚合物。

4.根据权利要求1-3中任一所述的芯片，其特征在于：所述双面胶a、双面胶b、双面胶c和双面胶d均为基材型双面胶或无基材型双面胶。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于：所述基材型双面胶中的基材为玻璃、高分子聚合物、硅片或金属及其氧化物。

6.根据权利要求1-5中任一所述的芯片，其特征在于：所述弹性薄膜的材质为PDMS或聚四氟乙烯，其厚度为0~300μm，但不为零。