CN102721820B - 一种制备具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的方法，其特征是：该高聚物芯片以“塑料气路控制基片-PDMS…PDMS-塑料液路基片”四层结构形式组合成全芯片。其中气路控制基片和液路基片分别各自与一片PDMS弹性膜以不可逆封接的形式，制得气路控制半芯片和液路半芯片，再借助两个半芯片上PDMS薄膜的自然粘合力，以可逆形式封合，制得集成微型气动微阀或微阀阵列的高聚物全芯片。本发明具有制备工艺简单、成本低、成功率高；液路半芯片或气路控制半芯片可以自由组装，独立更换、特别适合作为一次性使用器件使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高聚物微流控芯片的制备方法。该高聚物芯片以四层结构的形式集成微型气动微阀或微阀阵列，其气路控制通道部分和液路通道部分可自由组装、独立更换。按实际需要设计制备的芯片，可作为一次性器件，应用于化学和生化分析、微量化学反应研究、细胞生物学研究、组织工程等芯片实验室（Lab on a chip）系统。
背景技术
微流体的操纵和控制是微流控芯片的基础，也是芯片实验室系统的关键技术之一。微流控芯片系统中，一般通过泵驱动流体，而由阀来控制流体。目前，在微流控芯片系统中，以弹性膜作为致动部件、压缩气体作为致动力的气动微阀应用最为广泛。按照结构可将气动微阀分为常开型[Unger MA, Chou HP, Thorsen T, Scherer A, Quake SR. Science 288 (2000), 113-116]和常闭型[Grover WH, Skelley AM, Liu CN, Lagally ET, Mathies RA. Sensors Actuator B 89 (2003), 315-323]两类。其中常开阀具有很小的死体积，可以在芯片上高密度集成，以实现复杂微流体的精密操控，但是需要施加较大的控制气压，因此对芯片封接强度的要求高；而常闭阀能以较小的控制气压实现阀的启闭，但微阀的死体积相对较大，不利于大规模集成。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有优良的光学特性、生物兼容性、易加工成型等特点，是目前微流控芯片常用的材料之一。由于PDMS具有极佳的弹性，因此被广泛地用作气动微阀的弹性膜。但是，如果用弹性PDMS制备气路基片和液路基片（所谓基片指的是加工有微通道槽的玻璃或高聚物片。当基片与另一片平板薄膜或平板薄片封合在一起后，基片上的通道槽就封闭成为密闭的通道网络），再与一层弹性PDMS薄膜封合组成全PDMS芯片时，芯片的刚性差，操作时易弯曲形变，可靠性欠好。而硅、玻璃、石英芯片加工难度大、无法批量生产、成本高、且易碎。相比而言，热塑型高聚物（塑料）芯片具有成本低、易加工，可以批量生产而成为一次性器件等优势，因此近年来备受人们的青睐。然而，目前常开型微阀大多采用全PDMS结构或玻璃-PDMS复合结构。在塑料芯片上制备常开型气动微阀的报道相对较少。有人在环烯烃共聚物（COC）塑料芯片上制作了以PDMS为弹性膜的常开型气动微阀[Gu P, Liu K, Chen H,Nishida T, Fan ZH. Analytical Chemistry 83 (2011), 446-452]。在该文献中采用的是薄COC基片（仅188 μm厚），经硅烷化处理后的COC片与PDMS弹性膜（15 μm厚），用电晕放电处理后，两者紧密贴合，即可实现薄COC基片与PDMS弹性薄膜间的不可逆封合，形成“COC气路控制基片-PDMS弹性薄膜-COC液路基片”这样三层结构全高聚物芯片。如果采用较厚（> 1 mm）的硬质塑料基片以增加整块芯片的刚性，由于无法以滚贴的方式实现封合面的密切贴合，在封接过程中不可避免地会在PDMS薄膜与硬质基片的结合面上留下气泡，以致使芯片产生漏气或漏液而失效。此外，当不可逆封接制得的“气路控制基片-PDMS膜-液路基片”三层式结构芯片作一次性芯片使用时，每分析一个样品就需要整体更换一片芯片，即不经济，又增添了频繁连接控制气路和溶液管路的麻烦，使整个操作过程繁琐费时，并可能由于连接不当使系统漏气或漏液，影响分析系统的稳定性和分析结果的可靠性。
发明内容
本发明正是针对现有技术的不足之处所作的发明，提供一种制备具有集成化气动微阀的组装式全高聚物微流控芯片的方法，该芯片具有四层结构，整体芯片由气路控制半芯片和液路半芯片组成，它的两个半芯片可自由组装、独立更换。
本发明的具体技术方案如下：
本发明是一种具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，所制备的芯片包括两个半芯片：一片是带气路通道的塑料控制基片与一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的气路控制半芯片，另一片是带液路通道的塑料基片与另一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的液路半芯片，两个半芯片借助PDMS薄膜的自然粘合力可逆封合，制成具有“塑料气路控制基片-PDMS···PDMS-塑料液路基片”四层结构的塑料全芯片，具体制备步骤如下：
（1）以标准的光刻显影技术，在玻璃基片上制备光胶阳模；
（2）加热使光胶回软，使阳模凸起的截面逐渐呈圆弧形；
（3）以PDMS作为过渡模具的材料，通过软刻蚀技术制作与光胶阳模结构相同的高温树脂阳模；
（4）采用高温树脂阳模，热压制备带有圆弧截面通道的塑料基片；
（5）将塑料基片经过紫外光照处理后，进行硅烷化；
（6）将上述硅烷化基片与PDMS弹性薄膜一起经等离子体处理后，以滚贴的方式将PDMS薄膜贴合到塑料基片表面，注意层间不留气泡，实现不可逆封合，制得液路半芯片；
（7）同法制得气路控制半芯片；
（8）将两个半芯片的PDMS面对准贴合，可逆封接，制得塑料全芯片。
本发明所述的塑料基片材料是热塑型高分子材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）或聚苯乙烯（PS）。
本发明所述的光胶为AZ-P4620光刻胶。
本发明所述的加热回软温度为120 °C，加热时间为30 min。
本发明所述的高温树脂为Duralco 4460树脂。
本发明所述的热压过程是在热压机中进行，热压时所需的温度、压力和时间取决于制备基片的塑料物理性质。
本发明所述的紫外光辐射预处理所采用的紫外灯是具有产生臭氧功能的低压汞灯，其辐射的紫外光主要为254 nm。
本发明所述的紫外光辐射光强为2.5 mW/cm2，辐射时间是1 h。
本发明所述的硅烷化过程所用试剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷的水溶液，其体积浓度为5 %。
本发明所述的硅烷化过程，温度为80 °C，时间20 min。
本发明所述的等离子体处理所用的等离子体是低压空气等离子体。
本发明的特点是：① 采用热塑性塑料做基片、PDMS为弹性膜，通过软刻蚀法（soft lithography）制备集成有气动微阀的全塑料微流控芯片，制备过程无需使用超净工作间，成本低；② 以热塑型高聚物材料制备的气路控制基片和液路基片分别与PDMS弹性薄膜不可逆封，形成气路控制半芯片和液路半芯片，两个半芯片间再借助于PDMS薄膜间的自然粘合作用，可逆封合为四层结构的塑料全芯片，封接过程简单可靠，且强度高；③ 液路半芯片或控制半芯片可以自由组装、独立更换，特别适合作为一次性使用器件使用；④ 所构建的气动微阀芯片具有良好的流体操控性能。
附图说明
图1是集成双层弹性膜气动微阀的塑料全芯片的制作流程图；
图中：（a）通过旋涂、光刻、显影等步骤在玻璃基片上制作光胶阳模；（b）加热处理使光胶阳模的凸起图形回软圆弧化；（c）光胶阳模上浇注PDMS过渡阴模；（d）用PDMS过渡阴模浇注高温树脂阳模；（e）用高温树脂阳模热压塑料片；（f）脱模得到带有圆弧形液路通道的塑料基片；（g）紫外辐照处理后，将带液路通道的塑料基片硅烷化；（h）将硅烷化后的塑料基片与PDMS弹性薄膜经等离子体处理后，以滚贴的方式贴合，确保两层间不留气泡；（i）塑料基片与PDMS弹性薄膜不可逆封合得到液路半芯片；（j）同法制备气路控制半芯片；（k）两个半芯片可逆封合得到全芯片；
1-光刻胶；2-玻璃基片；3-PDMS过渡阴模；4-高温树脂阳模；5-塑料片；6-具有液路通道的塑料基片；7-PDMS弹性薄膜；8-具有气路控制通道的塑料基片。
图2是应用图1制得芯片的微阀开(a)与关(b)时显微镜下的照片图。
具体实施方式
本发明是一种制备可组装式、具有双层弹性膜气动微阀的塑料芯片的方法。采用热压法在塑料基片上制备微通道，经紫外光表面活化、硅烷化、等离子体表面处理三个步骤，实现塑料基片与PDMS弹性薄膜间的不可逆封接，分别制得控制半芯片和液路半芯片；借助PDMS薄膜的自然粘合力，使液路半芯片和控制半芯片可逆封合，形成具有塑料气路控制基片-PDMS···PDMS-塑料液路基片四层结构的塑料全芯片。
图1是集成双层弹性膜气动微阀的塑料全芯片的制作流程图。
本发明中的塑料材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等热塑性高分子材料。本实施例以制备塑料材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的芯片为例作详细说明。
参见图1，制备具有双层弹性膜气动微阀的可组装式PMMA微流控芯片的步骤如下：
A、用AZ-P4620光刻胶以标准的光刻技术在玻璃基片上制作光胶阳模。并在120 °C加热30 min使光胶阳模回软，使阳模凸起的截面呈圆弧形。
B、将PDMS预聚体与固化剂按10:1的质量比混合均匀，浇注在经过（A）制得的光胶阳模上，75°C加热固化1.5 h后，得到PDMS过渡阴模。
C、采用Duralco 4460型高温树脂，将其中的A、B组份以10:8的质量比混合均匀，浇注在经过（B）制得的PDMS过渡阴模上，121 °C下加热4 h，完全固化，得到高温树脂阳模。
D、将2.0 mm 厚的PMMA片裁剪成35 mm × 25 mm 矩形空白片，用（C）制得的高温树脂阳模热压PMMA空白片，热压温度为110 °C，压力2.2 MPa，热压时间为3 min。
E、将（D）制得的带有通道的PMMA基片在低压紫外灯下辐照处理1 h后（辐照强度为2.5 mW/cm2），置于浓度5%（v/v）的3-氨丙基三乙氧基硅烷的水溶液进行硅烷化，硅烷化过程的温度为80 °C，持续20 min。
F、将PDMS预聚体与固化剂按10:1的质量比混合均匀，倾倒在0.1 mm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）支持薄片上，3000 rpm甩胶30s。75 °C下固化1.5 h后，在PET支持薄片上形成厚度约为30 μm的PDMS薄膜。
G、将（F）制得的PDMS薄膜（连同PET支持片薄片）经过低压空气等离子体处理100 s，然后放入（E）处理后的PMMA，再一起处理20 s，完成后将PDMS薄膜以滚贴的形式覆盖到带有通道的PMMA基片表面，用手掌压紧使PMMA基片和PDMS薄膜实现不可逆封接后，缓缓将PET支持片薄片揭去，即制得液路半芯片。
H、同法制作控制半芯片。
I、将控制半芯片和液路半芯片的PDMS面相对，在显微镜下对准通道位置，用手按压，使两个半芯片通过PDMS之间的自然粘合力形成可逆封接，制得“气路控制基片-PDMS···PDMS-塑料液路基片”四层结构的全芯片。
图2是应用图1制得芯片的微阀开(a)与关(b)时显微镜下的照片图。图中，控制通道和液路通道宽均为200 μm宽、深为15 μm。其中水平方向是液路通道，通道内充满胭脂红水溶液，竖直方向为控制通道。当施加0.20 MPa的气压于控制通道时，阀关闭，液流被完全切断，如b所示；气压撤去后，阀开启，液流恢复，如a所示。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所制备的芯片包括两个半芯片：一片是带气路通道的塑料控制基片与一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的气路控制半芯片，另一片是带液路通道的塑料基片与另一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的液路半芯片，两个半芯片借助PDMS薄膜的自然粘合力可逆封合，制成具有“塑料气路控制基片-PDMS…PDMS-塑料液路基片”四层结构的塑料全芯片，具体制备步骤如下：
（1）以标准的光刻显影技术，在玻璃基片上制备光胶阳模；
（2）加热使光胶回软，使阳模凸起的截面逐渐呈圆弧形；
（3）以PDMS作为过渡模具的材料，通过软刻蚀技术制作与光胶阳模结构相同的高温树脂阳模；
（4）采用高温树脂阳模，热压制备带有圆弧截面通道的塑料基片；
（5）将塑料基片经过紫外光照处理后，进行硅烷化；
（6）将上述硅烷化塑料基片与PDMS弹性薄膜一起经等离子体处理后，以滚贴的方式将PDMS薄膜贴合到硅烷化塑料基片表面，注意层间不留气泡，实现不可逆封合，制得液路半芯片；
（7）同法制得气路控制半芯片；
（8）将两个半芯片的PDMS面对准贴合，可逆封接，制得塑料全芯片。
2.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的塑料基片材料是热塑型高分子材料，所述的热塑型高分子材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚碳酸酯（PC）或聚苯乙烯（PS）。
3.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的光胶为AZ-P4620光刻胶。
4.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的加热回软温度为120℃，加热时间为30min。
5.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的高温树脂为Duralco4460树脂。
6.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的热压过程是在热压机中进行，热压时所需的温度、压力和时间取决于制备基片的塑料物理性质。
7.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的紫外光照处理所采用的紫外灯是具有产生臭氧功能的低压汞灯，其辐射的紫外光主要为254nm。
8.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的紫外光照处理辐射光强为2.5mW/cm2，辐射时间是1h。
9.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的硅烷化过程所用试剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷的水溶液，其体积浓度为5%。
10.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的硅烷化过程，温度为80℃，时间20min。
11.根据权利要求1所述的具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，其特征是：所述的等离子体处理所用的等离子体是低压空气等离子体。
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