CN102974412A

CN102974412A - 一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法

Info

Publication number: CN102974412A
Application number: CN2012105588218A
Authority: CN
Inventors: 徐征; 王俊尧; 李永奎; 刘军山; 刘冲; 杜立群; 王立鼎
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明提供了一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法。利用湿法腐蚀、超声打孔、热键合等技术制造玻璃材质微流控芯片，通过毛细作用将光敏聚合物溶液由储液池填充到微通道网络，调整倒置荧光显微镜的微动平台定位聚合物凝胶纳米塞区域，利用倒置荧光显微镜的扩束调节环和码盘式分光机构，将波长为340-380nm的光聚焦到微通道内聚合物凝胶纳米塞区域，实现可控的光敏聚合反应形成聚合物凝胶纳米塞，获得具有微纳复合结构的微纳流控芯片，此类芯片可用于溶液中痕量物质富集。本方法操作灵活、可控性好，不需要纳米模具、纳米掩膜、高精度光刻机等昂贵耗材与设备，就能在微通道网络的预设区域制造出具有纳米孔隙的聚合物凝胶纳米塞。

Description

一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法

技术领域

本发明属于微纳器件制造领域，涉及一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法。本发明基于微加工技术制作玻璃微流控芯片，利用光敏聚合反应在微通道网络的预设区域，制造具有纳米孔隙的聚合物凝胶纳米塞，从而得到集成微纳复合结构的微纳流控芯片，制造的芯片可用于溶液中痕量物质富集。

背景技术

微流控芯片是具有广阔应用前景的微型生化分析系统，可以显著降低生化检测成本和提高检测效率。但微流控芯片的通道特征尺寸仅为微米量级，限制了可检测样品量，导致当样品量低于检测限时，检测器无法检出有效成分。样品富集技术可以将痕量的待检测样品成分浓缩到局部区域，提高待检测样品的浓度从而实现样品检测。近期研究发现：将微通道与纳通道阵列或纳米塞相结合，形成微纳流控芯片，利用纳米通道中流体双电层排阻效应产生的微纳界面处痕量物质浓缩，能够实现高达百万倍的蛋白富集。

在微通道网络内预设区域集成纳通道阵列或纳米塞，从而得到多尺度微纳复合结构，是制造微纳流控芯片的关键点。目前，常用的制造微纳复合结构的技术主要有纳米压印、高能束刻蚀、自组装等。纳米压印以纳米压印机为平台，通过热压等方法制备线宽小至10nm的微纳复合结构，制造一致性好，但纳米压印机以及模具非常昂贵。高能束刻蚀是将高能束能量在材料表面局部聚焦，使其发生物理化学变化，从而获得纳结构或微纳复合结构，但高能束刻蚀加工方式以串行直写为主，加工大面积图形的效率很低，且设备成本也偏高。自组装技术是采用“自下而上”法在基底上生长介孔材料，实现微纳复合结构，自组装主要用于在微结构局部形成功能性表面，尚未能制造可用于富集的微纳流控芯片。

在国内外发明专利检索中，涉及到微纳流控芯片制作方法的专利主要有：

1、专利“微纳流控高效富集与纯化芯片及其快速制作方法”（申请号：CN200810196304.4），利用高压击穿透明高分子材料的方法在两微通道间形成纳米结构，负电荷物质在电场驱动下在纳米通道的一端高效富集，该专利形成微纳复合结构的方法是一种电击穿效应，而本专利形成微纳复合结构的方法是基于显微镜聚焦的局域光敏聚合化学效应，两者在原理上不同。

2、专利“一种基于微纳米结构的样品富集芯片、制作方法及富集方法”（申请号：CN200710036415.4），利用二次光刻和湿法腐蚀技术在石英玻璃基底上制作微纳复合结构，也与本专利的制造方法不同。

发明内容

本发明提供了一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法，该方法基于微加工技术制作玻璃微流控芯片，利用光敏聚合反应在微通道网络的预设区域，制造出具有纳米孔隙的聚合物凝胶纳米塞，从而得到集成微纳复合结构的微纳流控芯片，此类芯片可用于溶液中痕量物质富集。

本发明的技术方案包括以下步骤：

（1）采用湿法腐蚀、超声打孔、热键合工艺制作玻璃材质的微流控芯片。

（2）采用亲和硅烷处理微流控芯片的微通道表面，提高聚合物凝胶纳米塞与玻璃微通道表面之间的结合力。利用毛细作用，将配置好的光敏聚合物溶液由储液池填充到微通道网络。

（3）通过调节倒置荧光显微镜的微动平台位置，并结合目镜观测，确定聚合物凝胶纳米塞预设区域。

（4）根据聚合物光敏特性选择码盘式分光机构内置的曝光滤光片，光束的波长控制在340-380nm，光束的带宽不大于10nm，保证激发光敏聚合反应曝光光束的单色性。

（5）通过调节倒置荧光显微镜的扩束调节器控制倒置荧光显微镜聚焦光斑大小，进而控制聚合物凝胶纳米塞的尺寸，利用倒置荧光显微镜的共焦光路使光斑直径小于50μm。

（6）通过安装在扩束调节器插板上的滤光片控制倒置荧光显微镜聚焦光斑强度，同时通过控制倒置荧光显微镜曝光时间确定光敏聚合反应时间，保证光敏聚合物溶液充分反应，降低过曝光引起的聚合反应边缘效应，获得具有微纳复合结构的微纳流控芯片。

与现有技术相比，本发明提供了一种微纳流控芯片的制造方法，芯片中核心单元聚合物凝胶纳米塞可以利用多数生物实验室具备的倒置荧光显微镜完成，不需要使用昂贵的纳米压印机及配套模具等。聚合物凝胶纳米塞的位置可以通过机械调节定位，不需要用到具有高精度对准功能的光刻机，降低了对工艺复杂性和硬件设备的要求。聚合物凝胶纳米塞具有三维孔隙结构，纳米塞大的比表面积保证了富集的高倍率和稳定性。本方法操作灵活、可控性好，在普通生物实验室就能完成。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明制作的微纳流控芯片结构示意图。

图3是本发明所用倒置荧光显微镜平台结构示意图。

图4是本发明制作的微纳流控芯片富集效果示意图。

图中：1掩膜板；2光刻胶层；3铬层；4玻璃基片；5a储液池A；

5b储液池B；5c储液池C；5d储液池D； 6微通道网络；7玻璃盖片；

8亲和硅烷；9光敏聚合物溶液；10聚合物凝胶纳米塞；11微纳流控芯片；

12照明上光源；13显微镜微动平台；14目镜；15焦距调节器；

16长工作距离物镜；17码盘式分光机构；18扩束调节器；19汞灯下光源；

20微动平台调节器；21电源负极；22富集区域；23电源正极。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例

本发明的一种微纳流控芯片11，如图2所示，由玻璃基片4、储液池（A、B、C、D）、微通道网络6、玻璃盖片7、聚合物凝胶纳米塞10组成，其中储液池（A、B、C、D）、微通道网络6、玻璃基片4和玻璃盖片7的键合是采用微加工技术制作而成的，聚合物凝胶纳米塞10是利用光敏聚合反应成形在微通道网络6的预设区域。图1描述了微纳流控芯片11的制作工艺流程，主要包括：光刻、显影、腐蚀铬和通道、超声打孔、去胶去铬、热键合、表面改性、填充光敏聚合物溶液9、光敏聚合反应、抽出溶液。图3为所用倒置荧光显微镜平台结构示意图，显微镜的汞灯下光源19为光敏聚合反应生成聚合物凝胶纳米塞10提供激发光源，显微镜的照明上光源12、目镜14、微动平台13等为实现聚合物凝胶纳米塞10的定位和实时观测提供了便利，码盘式分光机构17保证了光敏聚合反应激发光的单色性。图4为微纳流控芯片11用于富集实验的富集效果示意图。

根据本发明制作的微纳流控芯片11材质可以是玻璃，也可以是其他透光性好的聚合物，聚合物凝胶纳米塞10可以采用多种光敏聚合物制造，下面以在玻璃微流控芯片上成形聚丙烯酰胺材质的聚合物凝胶纳米塞为例说明具体实施方式，如图1所示：

1.光刻：在光刻机平台上，利用掩膜板1实现玻璃基片4的光刻。

2.显影：采用显影工艺，将掩膜板上微通道网络图形复制到光刻胶层2上。

3.腐蚀铬和通道：以光刻胶层2为掩膜腐蚀铬层3，将微通道网络图形复制到铬层3上，以铬层3为掩膜腐蚀玻璃基片4，将微通道网络图形复制到玻璃基片4上，腐蚀液为5HF：10HNO₃：85H₂O（体积比）。

4.超声打孔：在微通道网络6末端采用超声打孔技术制作储液池（A、B、C、D）。

5.去胶去铬：采用去胶液和硝酸铈铵溶液分别将玻璃基片4上的光刻胶层2和铬层3去除。

6.热键合：采用热键合技术实现玻璃基片4和玻璃盖片7的键合。

7.表面改性：为提高聚合物凝胶纳米塞10与微通道网络6之间结合力，采用亲和硅烷8对微通道网络6进行表面处理，促使聚合后的聚合物凝胶纳米塞10共价结合在硅烷化的微通道网络6壁上。

8.填充光敏聚合物溶液9：

①配置光敏聚合物溶液9：聚合物溶液包含1.2×10^-5g/mL的核黄素，0.1g/mL的丙烯酰胺/双丙烯酰胺（质量比19:1），0.125%（体积分数）的TEMED（N,N,N',N'-四乙基甲二胺）和1xTE缓冲液（10mmol/L Tris-HCl，1mmol/L EDTA，pH=8.0）。

②填充光敏聚合物溶液9：将配置好的光敏聚合物溶液9填充到储液池A、B、C中，在毛细作用下，光敏聚合物溶液9逐渐充满微通道网络6。

9.光敏聚合反应：

①曝光光束特性调节：如图3所示，将显微镜汞灯下光源19打开，调整码盘式分光机构17，根据聚合物光敏特性选择码盘式分光机构17内置的曝光滤光片，光的波长为340-380nm，调节扩束调节器18控制曝光光斑的大小，光斑可小至50微米，调整好后，关闭码盘式分光机构17上的光阑，暂时切断汞灯下光源19。

②聚合物凝胶纳米塞10定位：将充满光敏聚合物溶液9的微纳流控芯片11放置在倒置荧光显微镜微动平台13上，打开倒置荧光显微镜的照明上光源12进行观测，并调节显微镜微动平台调节器20和焦距调节器15，调整长工作距离物镜16与微纳流控芯片11之间的距离，通过目镜14确定聚合物凝胶纳米塞10的预设区域。

③聚合物凝胶纳米塞10的形成：关闭照明上光源12，打开码盘式分光机构17上的光阑，接通汞灯下光源19，进行光敏聚合反应，曝光时间5分钟，在曝光位置形成聚合物凝胶纳米塞10，最后关闭汞灯下光源19。

10.抽出溶液：放置片刻，待固化完全后，利用真空泵将残余光敏聚合物溶液9抽出，用去离子水清洗后得到具有聚合物凝胶纳米塞10的微纳流控芯片11。

应用例

利用本发明制作的微纳流控芯片11，可以进行痕量样品富集：

1.采用FITC荧光溶液（浓度为10nM/L）填充微纳流控芯片11的微通道网络6和储液池（A、B、C、D）；

2.在储液池A和B中插入电极并接电源负极21，在储液池C和D中插入电极并接电源正极23，正极23和负极21的电压差为80V，在聚合物凝胶纳米塞10负极端，荧光信号强度显著增强，而正极端荧光信号显著减弱，如图4所示，富集持续时间不低于10分钟，经利用配置好的标准溶液标定和对比，荧光离子负极富集倍率最高可达500倍，与第一发明申请人之前研制的平板式的富集微纳流控芯片（申请号：CN200910307123.9）相比，由于聚合物凝胶纳米塞的比表面积的增加，富集现象更稳定。

Claims

1.一种利用倒置荧光显微镜制造微纳流控芯片的方法，其特征包括以下步骤，

（1）制作玻璃材质的微流控芯片；

（2）采用亲和硅烷处理微流控芯片的微通道表面，将配置好的光敏聚合物溶液由储液池填充到微通道网络；

（3）通过调节倒置荧光显微镜的微动平台位置，并结合目镜观测，确定聚合物凝胶纳米塞预设区域；

（4）根据聚合物光敏特性选择码盘式分光机构内置的曝光滤光片，光束的波长在340-380nm，光束的带宽不大于10nm，保证激发光敏聚合反应曝光光束的单色性；

（5）通过调节倒置荧光显微镜的扩束调节器控制倒置荧光显微镜聚焦光斑大小，进而控制聚合物凝胶纳米塞的尺寸，利用倒置荧光显微镜的共焦光路使光斑直径小于50μm；

（6）通过安装在扩束调节器插板上的滤光片控制倒置荧光显微镜聚焦光斑强度，通过倒置荧光显微镜曝光时间确定光敏聚合反应时间，获得具有微纳复合结构的微纳流控芯片。