CN102716772A

CN102716772A - 一种基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵

Info

Publication number: CN102716772A
Application number: CN2012102294509A
Authority: CN
Inventors: 俞涛; 徐碧漪; 徐静娟; 陈洪渊
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: CN102716772B

Abstract

一种基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵，它有一溶液加入槽1；酸性溶液槽2，溶液加入槽1与酸性溶液槽2之间有微米管道沟通；在酸性溶液槽2的另一端有氟硅烷修饰的前小微米管道阵列3并与中间槽4连通；中间槽4的另一端有氟硅烷修饰的后小微米管道阵列5，能隔绝因指压而流入中间槽4中的液体，后小微米管道阵列5连接产生气体的导气通道6和7，将本基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵作为需要有液体推动的芯片的一部分，设计、制作在微芯片内。只需改变填充溶液浓度，并使固体反应物过量，即可实现对不同体积的定量液体的推动作用，无需改变任何芯片结构和指端使用压力。本发明公开了其制法。

Description

一种基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵

技术领域

本发明涉及微流控芯片上液体泵及其制发，特别是基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵。

背景技术

微流控是在20世纪末兴起的一种基于微米结构特殊性，通过对超微量溶液在微米结构中的控制而实现一系列功能性操作的研究领域，是一个技术密集和学科交叉型的研究方向。它通过对超微量的液体的控制，可以实现高通量，超快速的物质筛选，分离，富集，构型调控以及识别等操作，甚至可能拥有反馈识别功能。在精确尺度生物仿生，药物筛选控制释放，实时在线生命监测系统，微电子等领域都具有广泛的发展前景。

微流控技术的重点之一就是流体控制。现有的流体控制往往需要复杂的外围设备，如电源驱动，压力泵驱动以及光学驱动等。但是在微芯片商品化的应用过程中，很多时候需要面临床旁检测，野外检测等复杂的使用环境。过于复杂的外围设备往往在检测时是不可能搭建或者来不及搭建的。因此亟需一种能够结合在芯片上的液流自动驱动系统，在触发的状态下既能实现自动液流驱动。

另一方面，对于用于分析检测的芯片，液流驱动往往还涉及到定量化的试剂添加、混合等过程，但是对于使用者却不能要求其具有手动定量加注试剂的技术，否则将使分析结果加入人为的不确定性。这就要求芯片上液流驱动泵能够在手动触发下实现对流体驱动的定量化，而且同样的触发，在不同容量的微芯片泵上能实现不同量溶液的驱动。

发明内容

本发明的目的是提出一种廉价易行的制备芯片上可触发的微泵的方法，此新型微泵产品不需复杂外围设备，在不同规格的微芯片泵上，只需指压就能实现不同量容量溶液的驱动。

本发明的技术方案如下：

一种基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵，它的结构如图1所示，它有一溶液加入槽1，加入酸性溶液后将其加光胶固化封闭；酸性溶液槽2，深度为24-26微米，总体积为9.2×10^-8-9.6×10^-8L，溶液加入槽1与酸性溶液槽2之间有微米管道沟通，溶液加入槽1和酸性溶液槽2经等离子体处理具有亲水性，因此可以留住溶液，在酸性溶液槽2的另一端有氟硅烷修饰的前小微米管道阵列3，其深度与酸性溶液槽2一致，单个管道宽度为14-16微米，用于隔离酸性溶液槽2中的溶液和中间槽4中的固体反应物8。由于前小微米管道阵列3被氟硅烷修饰具有疏水性，在没有指压外力的作用下能有效阻止液体从酸性溶液槽2流向中间槽4，固定固体的中间槽4深度与酸性溶液槽2一致，顶部表面经氟硅烷修饰具有疏水性，底部铺有一层固体反应物，装满中间槽4的固体物质量为1.5×10^-5-1.6×10^-5g，中间槽4的陵一端有氟硅烷修饰的后小微米管道阵列5，后小微米管道阵列5与前小微米管道阵列3所描述的尺寸一致，能隔绝因指压而流入中间槽4中的液体，后小微米管道阵列5连接产生的气体导气通道6和7，将本基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵作为需要有液体推动的芯片的一部分，设计、制作在微芯片内。

一种制备上述基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的方法，它包括如下步骤：

步骤1. 玻璃模具的准备：所用的玻璃板为市售带光胶的铬板，在计算机上用illustrator软件绘出上述的基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的图案（如图1所示）并打印成胶片，用胶片覆盖带光胶的玻璃铬板暗室曝光使得铬层图案化，用1mol/L的HF酸溶液刻蚀0.5~4小时，得到带微芯片液体泵图案的玻璃模具；

步骤2. 将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂按（5~10）：1质量混合均匀，浇附在玻璃模具上，并用真空泵抽真空除气泡，然后将浇有PDMS混合液的模具放在烘箱里60~100℃加热0.2~2小时，使PDMS固化，然后从模具上揭下，在加液槽1、导气通道7后和驱动管道10后用打孔器打孔，制作为PDMS上片，备用；用相同的方法可制得PDMS下片；

步骤3. 在PDMS上片的中间槽4、PDMS上、下片的前小微米管道阵列3和后小微米管道阵列5处滴加氟硅烷溶液0.1~0.5μL，在红外灯下烘干，待用；

步骤4. 在PDMS下片的中间槽4底部贴上塑料胶带，并在中间槽内加入含碳酸根或碳酸氢根的固体粉末（NaHCO₃, KHCO₃, CaHCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃）使其牢固贴附于胶带表面；

步骤5. 用两块镂空的塑料板或片分别遮住上、下片上中间槽4 、PDMS上下片的前小微米管道阵列3和后小微米管道阵列5的位置，其他位置不用覆盖保护，放入空气或氧气等离子体仪中进行表面处理，处理之后除去塑料板，并将上下片按照图案的对应关系对齐互相贴合，产生不可逆封合；

步骤6. 在溶液槽的开口处加入酸性溶液（HCl, HNO₃, H₂SO₄），使其自然充满溶液槽；氮气吹去多余溶液后用紫外光固化胶封闭加液口，并用紫外光固化，在导气通道7后的打孔处往驱动管道10内注入适量需要推动的液体，后将此注液孔用胶带粘贴封闭，即得基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵。

在实际使用中，本发明的基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵和所使用的微芯片应同时设计和制作在同一芯片内。

本发明的具体效果（意义）如下

本发明中使用的微芯片结构中固体反应物和液体反应物之间有10-15微米的微小管道阵列，经过氟硅烷的表面修饰表现出强烈的疏水性，能够有效阻止液体自动流入固体反应物所在的中间槽。而等离子体处理的液体槽能够有效地自动实现定量液体的填充过程，而不需要借助于任何外界定量注入装置，用紫外光固化胶封闭后被封闭的液体中反应物量由此可以定量。利用指压帮助溶液通过微小管道阵列即可使固液接触而实现化学反应。反应放出二氧化碳气体的体积大大超过指压的体积改变，从而实现对结构外液体的推动作用。只需改变填充溶液中反应物的含量，并使固体反应物过量，即可实现对不同体积的定量液体的推动作用，无需改变任何芯片结构和指端使用压力。

这种结构的一次性微泵特别适合用于需要液流驱动的一次性使用芯片上。

附图说明

图1. 基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的结构示意图，其中：1.溶液加入槽；2.酸性溶液槽； 3.氟硅烷修饰的前小微米管道阵列；4.固体固定的中间槽； 5.氟硅烷修饰的后小微米管道阵列； 6.7.产生的气体导气通道。 8.粘性面向上的塑料胶带表面粘附了一层固体反应物。

图2. 微芯片液柱推动作用的时序分析示意图，其中： 9. 基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵；10.推动液和管道，管道的深度约为25微米，管道的宽度约为100微米。

时序分析：0s.未指压时，反应固体和反应液体有效分隔，被推动液柱处于起始位置；1s.刚指压时，反应固体和反应液体接触，被推动液柱由于指压有微小的移动。10s.反应固体和反应液体接触后产生气体，液柱被迅速向前推出很长距离。20s.放松指压后，被推动液柱没有返回的现象，说明液柱前进距离由产生气体的体积决定。

图3. 注入不同酸性反应液浓度取得不同的液柱推动效果图。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实验过程中使用聚二甲基硅氧烷（PDMS),玻璃铬板（长沙韶光），分析纯乙醇（95%），分析纯盐酸（36%~38%），碳酸氢钠（分析纯），碳酸钙（分析纯），高纯水（Millipore），甲基红，红色墨水。

实施例1.

　　步骤1. 将玻璃铬板用图案化的胶片（图案包括中泵室和后面的驱动U管道，可参照附图中的9,10)做掩膜曝光，然后用1mol/L的HF酸溶液分别刻蚀0.5小时和4小时作为上、下PDMS片的模版。

　　步骤2. 将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂按5：1质量混合均匀，浇附在玻璃模具上，用真空泵抽真空除气泡，在烘箱里100℃加热0.2小时，使PDMS固化，然后从模具上揭下，制得PDMS上、下片，在PDMS上片出口处用打孔器打孔，作为PDMS上片。

步骤3. 在PDMS上片的固体中间槽处滴加氟硅烷溶液0.1μL，在红外灯下烘干。

步骤4. 在PDMS下片贴上塑料胶带，并在中间槽位置加入NaHCO₃，使其牢固贴附于胶带表面。

步骤5. 在PDMS上下片中间固体槽位置贴上塑料片，放入空气等离子体中进行处理2分钟，除去塑料板后上下片按图案对齐，贴合使不可逆键合。

步骤6. 在溶液开口处加入了0.05mol/L的HCl酸性溶液，待其自然充满溶液槽，用紫外光胶涂布加液口并用紫外灯固化，从导气口7后的打孔处注入红色墨水，后用胶带将此孔粘贴密封。

步骤7. 制作好的芯片用指压液体槽，HCl液体进入固体槽并与NaHCO₃反应，后面管道中的液体被产生的气体推动前行，并在指压离开芯片后液体没有返回原位置，证明是反应产生的气体推动的。

实施例2.

　　步骤1. 将玻璃铬板用图案化的胶片（图案包括中泵室和后面的驱动U管道，可参照附图中的9,10)做掩膜曝光，然后用1mol/L的HF酸溶液分别刻蚀0.5小时和4小时作为上下PDMS片的模版。

　　步骤2. 将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂按10：1质量混合均匀，浇在玻璃模具上，用真空泵抽真空除气泡，放在烘箱里60℃加热2小时，使PDMS固化，从模具上揭下，出口处用打孔器打孔，作为PDMS上片。

步骤3. 在PDMS上片的固体中间槽处滴加氟硅烷溶液0.5μL，在红外灯下烘干。

步骤4. 在PDMS下片贴上塑料胶带，并在中间槽位置加入CaCO₃，使其牢固贴附于胶带表面。

步骤6. 在溶液开口处加入了0.2mol/L的HCl酸性溶液，待其自然充满溶液槽，用紫外光胶涂布加液口并用紫外灯固化，从导气口7后的打孔处注入红色墨水，后用胶带将此孔粘贴密封。

步骤7. 制作好的芯片用指压液体槽，HCl液体进入固体槽并与CaCO₃反应，后面管道中的液体被产生的气体推动前行，推动的距离要比实施例1中的要长。固体过量，酸性液体在固定体积的情况下，酸性液浓度越高产生的气体体积越多，从而推动的距离越长。

实施例3.

　　步骤2. 将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂按8：1质量混合均匀，浇在玻璃模具上，用真空泵抽真空除气泡，放在烘箱里80℃加热1小时，使PDMS固化，从模具上揭下，出口处用打孔器打孔，作为PDMS上片。

步骤3. 在PDMS上片的固体中间槽处加氟硅烷溶液0.3μL，在红外灯下烘干。

步骤4. 在PDMS下片贴上塑料胶带，并在中间槽位置加入CaHCO₃，使其牢固贴附于胶带表面。

步骤6. 在溶液开口处加入了0.1mol/L的HCl酸性溶液，待其自然充满溶液槽，用紫外光胶涂布加液口并用紫外灯固化，从导气口7后的打孔处注入红色墨水，后用胶带将此孔粘贴密封。

步骤7. 制作好的芯片用指压液体槽，HCl液体进入固体槽并与CaHCO₃反应，后面管道中的液体被产生的气体推动前行，推动的距离介于实例1与实例2之间。与实施例3中酸溶液浓度介于实施例1与实施例2之间一致。

实施例4.

　本发明液体微泵芯片可用于微量液体驱动，而不需要复杂的外部设备。本实施例中采用的流体为兔血液，在本芯片上可实现兔血液的定量驱动收集，可精确至nL尺度，用于后续的实验反应。

　　步骤2. 将聚二甲基硅氧烷（PDMS）和固化剂按10：1质量混合均匀，浇在玻璃模具上，用真空泵抽真空除气泡，放在烘箱里80℃加热1小时，使PDMS固化，从模具上揭下，出口处用打孔器打孔，作为PDMS上片。

步骤5. 在PDMS上下片中间固体槽位置贴上塑料片，放入空气等离子体中进行处理2分钟，出去塑料板后上下片按花纹对齐不可逆键合。

步骤6. 在溶液开口处加入了0.2mol/L的HCl酸性溶液，待其自然充满溶液槽，用紫外光胶涂布加液口并用紫外灯固化，从导气口7后的打孔处注入兔血液，由于亲水性，血液充满驱动管道，后用胶带将此孔粘贴密封。

步骤7.制作好的芯片用手指压液体槽，HCl液体进入固体槽并与NaHCO₃反应，后面管道中的血液被产生的气体推动,可收集到定量(75~80nL)的兔血液，在后续实验中可分离出血清跟血浆，并可定量检测血液里面血红蛋白、白细胞的浓度。

Claims

1.一种基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵，其特征是：它有一溶液加入槽（1），加入酸性溶液后将其加光胶固化封闭；酸性溶液槽（2），深度为24-26微米，总体积为9.2×10^-8-9.6×10^-8L，溶液加入槽（1）与酸性溶液槽（2）之间有微米管道沟通，溶液加入槽（1）和酸性溶液槽（2）经等离子体处理具有亲水性，在酸性溶液槽（2）的另一端有氟硅烷修饰的前小微米管道阵列（3），其深度与酸性溶液槽（2）一致，单个管道宽度为14-16微米，用于隔离酸性溶液槽（2）中的溶液和中间槽（4）中的固体反应物（8），由于前小微米管道阵列（3）被氟硅烷修饰具有疏水性，在没有指压外力的作用下能有效阻止液体从酸性溶液槽2流向中间槽（4），固定固体的中间槽（4）深度与酸性溶液槽（2）一致，顶部表面经氟硅烷修饰具有疏水性，底部铺有一层固体反应物，装满中间槽（4）的固体物质量为1.5×10^-5-1.6×10^-5g，中间槽（4）的另一端有氟硅烷修饰的后小微米管道阵列（5），后小微米管道阵列5与前小微米管道阵列（3）所描述的尺寸一致，能隔绝因指压而流入中间槽（4）中的液体，后小微米管道阵列（5）连接产生的气体导气通道（6和7），将本基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵作为需要有液体推动的芯片的一部分，设计、制作在微芯片内。

2.一种制备权利要求1所述基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的方法，其特征是它包括如下步骤：

步骤1. 玻璃模具的准备：所用的玻璃板为市售带光胶的铬板，在计算机上用illustrator软件绘出权利要求1所述的基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的图案并打印成胶片，用胶片覆盖带光胶的玻璃铬板暗室曝光使得铬层图案化，用1mol/L的HF酸溶液刻蚀0.5~4小时，得到带微芯片液体泵图案的玻璃模具；

步骤2. 将聚二甲基硅氧烷和固化剂按（5~10）:1质量混合均匀，浇附在玻璃模具上，并用真空泵抽真空除气泡，然后将浇有聚二甲基硅氧烷混合液的模具放在烘箱里60~100℃加热0.2~2小时，使PDMS固化，然后从模具上揭下，在加液槽1、导气通道7后和驱动管道10后用打孔器打孔，制作为聚二甲基硅氧烷上片，备用；用相同的方法可制得聚二甲基硅氧烷下片；

步骤3. 在聚二甲基硅氧烷上片的中间槽（4）、聚二甲基硅氧烷上、下片的前小微米管道阵列（3）和后小微米管道阵列（5）处滴加氟硅烷溶液0.1~0.5μL，在红外灯下烘干，待用；

步骤4. 在聚二甲基硅氧烷下片的中间槽（4）底部贴上塑料胶带，并在中间槽内加入含碳酸根或碳酸氢根的固体粉末，使其牢固贴附于胶带表面；

步骤5. 用两块镂空的塑料板或片分别遮住上、下片上中间槽（4）、聚二甲基硅氧烷上、下片的前小微米管道阵列（3）和后小微米管道阵列（5）的位置，其他位置不用覆盖保护，放入空气或氧气等离子体仪中进行表面处理，处理之后除去塑料板，并将上下片按照图案的对应关系对齐互相贴合，产生不可逆封合；

步骤6. 在溶液槽的开口处加入酸性溶液，使其自然充满溶液槽；氮气吹去多余溶液后用紫外光固化胶封闭加液口，并用紫外光固化，从导气孔7后的孔往驱动管道10内注入需要驱动的液体，后将此孔用胶带粘贴密封，即得基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵。

3.根据权利要求2所述的基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵的制备方法，其特征是：在实际使用中，权利要求1所述的基于化学反应并可触发的一次性微芯片液体泵和所使用的微芯片同时设计和制作在同一芯片内。