CN103372469B - 微孔薄膜微流控芯片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微孔薄膜微流控芯片及其制备方法与应用。该方法，包括如下步骤：1)以微孔薄膜为载体，将其浸润光刻胶、静置、烘干后得到光刻胶薄膜；2)将掩膜覆盖在步骤1)所得光刻胶薄膜上进行曝光，曝光完毕溶解所述光刻胶，得到微流控芯片通道，再进行等离子处理后，得到所述微孔薄膜微流控芯片。该方法的芯片制作过程简单快捷，材料的选取新颖独特，成本低，来源广泛，可用于大批量生产。所有操作步骤在常规实验室均可完成，适用性强，芯片制作过程采用了稀碱溶液等常规试剂，避免了腐蚀性试剂的使用，环境相容性好。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种微孔薄膜微流控芯片及其制备方法与应用。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)的发展而出现的微流控分析系统，自从上世纪90年代出现以来得到了巨大的发展，在各学科领域有着广泛的应用。而微流控分析是指以微管道为网络连接各种缩微的功能单元，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成在芯片上的微全分析系统。作为微流控分析系统的载体-微流控芯片，其加工与制作则是作为一项重要的技术得到极大的开发与研究。
一般来说，微流控芯片的加工工艺包括湿法刻蚀，等离子体刻蚀，模塑法，软刻蚀，热压法，激光切蚀法，LIGA技术等(ManzA，Becker B，Microsystem Technologyin Chemistry and Life Sciences，Berlin：Springer，1999，3-4；MalufN，An introduction to Microelectromechanical Systems Engineering，Artech House，Boston，2000，64-69；Chiang YM，Bachman M，Chu C，Li GP，SPIE Conference on Microfluidic Devices and System II，Santa Clara，California，Characterizing the Process of Cast Molding Microfluidic Systems，1999，SPIE Vol.3877：303-311，Martynova L，Locascio L E，Gaitan M，Kramer G W，Christensen R G，M acCrehan WA，Fabrication of Plastic Microfluid Channels by Imprinting Methods，Anal.Chem.，1997，69：4783-4789；Roberts M A，Rossler JS，Bercier P，Girault H，UV Laser Machined Polymer Substrates for the Development of MicrodiagnosticSystem，Anal.Chem.，1997，69：2035-2042；伊福延，吴坚武，冼鼎昌.微细加工新技术-LIGA技术，微细加工技术，1993，4：1-7)。这些加工技术所涉及到的材料包括单晶硅，无定形硅，玻璃，石英，环氧，、聚脲、聚氨、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯和二甲基硅氧烷等。其中单晶硅具有化学惰性和热稳定性加工工艺成熟，可使用光刻和蚀刻等制备集成电路的成熟工艺进行加工及批量生产，但易碎，价格贵不能透过紫外光电绝缘性能不够好表面化学行为较复杂；玻璃和石英具有很好的电渗性质和优良的光学性质，可用化学方法进行表面改性或者可用光刻和蚀刻技术进行加工，但难以得到深宽比大的通道且加工成本较高、键合难度较大；有机聚合物类具有成本低、品种多能通过可见与紫外光可用化学方法进行表面改性，易于加工，可通过铸造成型、激光溅射等方法得到深宽比大的通道可廉价大量地生产，缺点是不耐高温、导热系数低，表面改性的方法待进一步研究。
采用以上材料可以制作具有不同功能、不同结构的微流控芯片，总体而言，随着微流控技术的进一步应用，对目前其加工技术提出了新的要求，一些制作过程中的问题也开始显现：
1.制作过程中大量有毒有害、腐蚀性强的试剂被使用。例如湿法刻蚀中，氢氟酸、硝酸和氟化铵会被大量使用，不仅会对操作人员造成一定的危害性，对环境也会造成相关的破坏。金属镀膜过程中会用到有关重金属，对人体也具有相当大的危害。
2.制作周期长，成本高。以单晶硅等为材料进行芯片的加工，极大地增加了其制作成本，另外牺牲保护层的镀膜也会用到一定的贵金属。
3.工艺复杂，需要相关专门设备，复杂技术的参与制作。如需要等离子体增强化学气相沉淀、低压化学气相沉淀等相关技术。一些微流控芯片的制作还需要进行多次镀膜、光刻、刻蚀等操作步骤。
发明内容
本发明的目的是提供一种微孔薄膜微流控芯片及其制备方法与应用。
本发明提供的制备微流控芯片的方法，包括如下步骤：
1)以微孔薄膜为载体，将其浸润光刻胶、静置、烘干后得到光刻胶薄膜；
2)将掩膜覆盖在步骤1)所得光刻胶薄膜上进行曝光，曝光完毕溶解所述光刻胶，得到微流控芯片通道，再进行等离子处理后，得到所述微流控芯片。
上述方法所述步骤1)中，由于选取材料要求具有微孔以此浸润光刻胶，且要求在光刻胶中能稳定存在不被其溶解或者相互反应，厚度要薄有利于紫外曝光的进行，故构成所述微孔薄膜的材料可选自尼龙、纤维素和纤维素酯中的至少一种，优选尼龙；所述载体的厚度为50-200μm，优选100μm；孔隙率为40-80％，优选70％，具体为70-80％；孔径为0.2-1.0μm，优选0.45μm，具体为0.45-0.5μm；
所述光刻胶选自正型紫外光刻胶和负型紫外光刻胶中的至少一种；所述光刻胶薄膜的厚度为100-300μm，优选150μm，具体为100-150μm。
所述浸润步骤中，时间为2-5分钟，优选3分钟，具体为2-3分钟；
所述静置步骤中，时间为5-15分钟，优选10分钟，具体为8-10分钟；
所述烘干步骤中，温度为60-85℃，优选80℃，具体为75-80℃，时间为10-25分钟，优选15分钟，具体为15-20分钟。
步骤2)中，所用掩膜可由各种常规方法制备而得，如高分辨激光打印方法；具体打印分辩率可为2546dpi-3657dpi；
所述曝光步骤中，时间为5-12分钟，优选10分钟，具体为8-10分钟；
所述溶解步骤中，所用试剂为氢氧化钠水溶液；所述氢氧化钠水溶液的质量百分浓度不大于0.7％，优选0.5％；时间为2-4分钟，优选3分钟；
所述等离子处理步骤中，功率为0-150w，优选100w，真空度为6.67×10-1Pa，时间为30秒-2分钟，优选1分钟，具体为1分钟-2分钟。
在芯片制作完成以后，芯片应保存在干燥、避光的环境中，放置芯片吸潮以及光线对紫外光刻胶产生破坏。
另外，上述本发明提供的微流控芯片在生化检测中的应用以及包括该微流控芯片的用于生化检测的试剂盒，也属于本发明的保护范围。其中，所述生化检测均为检测糖类或蛋白质。所述糖类具体可为葡萄糖。
本发明采用微孔薄膜为材料进行芯片的加工，原材料廉价易得，成本低，来源广泛，可进行大批量制作；整个制作工艺流程简单、快速，不需要复杂的技术条件和设备条件，尤其在芯片制作过程中不需要进行封合，大大缩短了整个制作周期，可在常规实验室广泛推广；芯片制作过程不涉及有毒有害的物质，对实验操作人员危害性小，同时也取得良好的环境相融性；此法所制作的芯片图形通道具有分辨率高，通道宽度值可控性好，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为制备微孔薄膜微流控芯片的工艺流程图；其中，(1)为尼龙微孔滤膜示意图，(2)为光刻胶薄膜示意图，(3)为芯片图形光刻示意图，(4)为最终芯片成品示意图。
图2为尼龙微孔薄膜微流控芯片上的葡萄糖的快速检测图；其中(1)为实验设计的微流控芯片通道图形，(2)为空白实验图，(3)至(5)为不同浓度的葡萄糖在尼龙微孔薄膜微流控芯片上的颜色响应图。
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、尼龙微孔薄膜微流控芯片的制作
1)如图1(1)所示，将厚度为100μm、孔隙率为70％、孔径为0.45μm的尼龙微孔薄膜1浸润到正型紫外光刻胶光刻胶中3分钟，使光刻胶充分与薄膜微孔接触并将其充满，取出后静置10分钟，使膜上多余的光刻胶自然滴落，并初步固化；然后将未完全固化的薄膜放置在电热板上80℃烘烤15分钟，光刻胶固化形成坚硬的光刻胶薄膜，如图1(2)所示。
3)利用高分辨打印技术，在黑白胶片上打印通道图形，打印分辩率为3657dpi；将黑色的掩膜紧贴光刻胶薄膜进行紫外曝光，10分钟后曝光结束，用质量百分浓度为0.7％的氢氧化钠水溶液洗掉曝光后的紫外正型光刻胶，形成通道结构，对所得到的薄膜芯片进行去离子水清洗，除去芯片通道中的杂质并使芯片呈中性，见图1(3)所示后，将其置于电热板上，80℃烘烤15分钟，使其完全干燥，对烘干的芯片进行等离子体处理1分钟，功率为100w，真空度为6.67×10-1Pa，使通道亲水性增强形成最终的尼龙微孔薄膜微流控芯片，见图1(4)。
利用该实施例制备所得尼龙微孔薄膜微流控芯片对葡萄糖进行快速检测：
如图2(1)所示，在外围三个圆形区域中分别滴加1μL的葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶的混合溶液(v/v＝5∶1，酶浓度均为30units/mL)，待其在常温状态下自然挥干后，继续在原来的位置重叠滴加0.6M碘化钾水溶液后，再次常温状态下自然挥干。然后，将待测葡萄糖溶液从中心圆形位置连续滴加，对其进行分析检测。其检测机理是：含有葡萄糖的溶液会通过扩散到达检测区域，此时，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下会生成葡萄糖酸和过氧化氢，所产生的过氧化氢在辣根过氧化物酶的催化下又会进一步和碘化钾反应生成水和碘单质，最后，通过对碘单质颜色深浅的观察即可判断出样品中葡萄糖的含量。
通过对葡糖糖溶液所进行的显色研究，发现：碘单质颜色对样品中葡萄糖浓度的高低有着显著的响应且与空白实验结果(图2，(2))对比明显，而同一次实验中三个圆形区域进行平行操作后的实验结果表明：该方法稳定可靠，重复性好，可对较宽范围浓度的葡萄糖进行准确有效的颜色响应(图2，(3)至(5))。
实施例2、聚丙烯微孔薄膜微流控芯片的制作
1)如图1(1)所示，将厚度为150μm、孔隙率为80％、孔径为0.5μm的聚丙烯微孔薄膜1浸润到正型紫外光刻胶光刻胶中2分钟，使光刻胶充分与薄膜微孔接触并将其充满，取出后静置15分钟，使膜上多余的光刻胶自然滴落，并初步固化；然后将未完全固化的薄膜放置在电热板上75℃烘烤20分钟，光刻胶固化形成坚硬的光刻胶薄膜，如图1(2)所示。
3)利用高分辨打印技术，在黑白胶片上打印通道图形，打印分辩率为3657dpi；将黑色的掩膜紧贴光刻胶薄膜进行紫外曝光，8分钟后曝光结束，用质量百分浓度为0.6％的氢氧化钠水溶液洗掉曝光后的紫外正型光刻胶，形成通道结构，对所得到的薄膜芯片进行去离子水清洗，除去芯片通道中的杂质并使芯片呈中性，见图1(3)所示后，将其置于电热板上，85℃烘烤10分钟，使其完全干燥，对烘干的芯片进行等离子体处理2分钟，功率为100w，真空度为6.67×10-1Pa，使通道亲水性增强得到最终的聚丙烯微孔薄膜微流控芯片。见图1(4)。
该实施例制备所得聚丙烯微孔薄膜微流控芯片按照实施例1所述方法对葡萄糖进行快速检测，所得结果与实施例1相同，此处不再赘述。
Claims (15)
1.以微孔薄膜为载体制备得到的微流控芯片；构成所述微孔薄膜的材料选自尼龙、纤维素和纤维素酯中的至少一种；所述载体的厚度为50-200μm；孔隙率为40-80％；孔径为0.2-1.0μm；
所述微流控芯片是按照如下方法制备而得：
1)以所述微孔薄膜为载体，将其浸润光刻胶、静置、烘干后得到光刻胶薄膜；
2)将掩膜覆盖在步骤1)所得光刻胶薄膜上进行曝光，曝光完毕溶解所述光刻胶，得到微流控芯片通道，再进行等离子处理后，得到所述微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述载体的厚度为100μm；孔隙率为70％；孔径为0.45μm。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于：所述步骤1)中，所述光刻胶选自正型紫外光刻胶和负型紫外光刻胶中的至少一种；
所述光刻胶薄膜的厚度为100-300μm。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：所述步骤1)中，所述光刻胶薄膜的厚度为150μm。
5.根据权利要求2-4任一所述的微流控芯片，其特征在于：步骤1)浸润步骤中，时间为2-5分钟；
所述静置步骤中，时间为5-15分钟；
所述烘干步骤中，温度为60-85℃，时间为10-25分钟；
步骤2)所述曝光步骤中，时间为5-12分钟；
所述溶解步骤中，所用试剂为氢氧化钠水溶液；所述氢氧化钠水溶液的质量百分浓度不大于0.7％；时间为2-4分钟；
所述等离子处理步骤中，功率为0-150w，真空度为6.67×10-1Pa，时间为30秒-2分钟。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于：步骤1)浸润步骤中，时间为3分钟；
所述静置步骤中，时间为10分钟；
所述烘干步骤中，温度为80℃，时间为15分钟；
步骤2)所述曝光步骤中，时间为10分钟；
所述溶解步骤中，所用试剂为氢氧化钠水溶液；所述氢氧化钠水溶液的质量百分浓度为0.5％；时间为3分钟；
所述等离子处理步骤中，功率为100w，真空度为6.67×10-1Pa，时间为1分钟。
7.一种制备权利要求1-6任一所述微流控芯片的方法，包括如下步骤：
1)以所述微孔薄膜为载体，将其浸润光刻胶、静置、烘干后得到光刻胶薄膜；
2)将掩膜覆盖在步骤1)所得光刻胶薄膜上进行曝光，曝光完毕溶解所述光刻胶，得到微流控芯片通道，再进行等离子处理后，得到所述微流控芯片。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述光刻胶选自正型紫外光刻胶和负型紫外光刻胶中的至少一种；
所述光刻胶薄膜的厚度为100-300μm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述光刻胶薄膜的厚度为150μm。
10.根据权利要求7-9任一所述的方法，其特征在于：步骤1)浸润步骤中，时间为2-5分钟；
所述静置步骤中，时间为5-15分钟；
所述烘干步骤中，温度为60-85℃，时间为10-25分钟；
步骤2)所述曝光步骤中，时间为5-12分钟；
所述溶解步骤中，所用试剂为氢氧化钠水溶液；所述氢氧化钠水溶液的质量百分浓度不大于0.7％；时间为2-4分钟；
所述等离子处理步骤中，功率为0-150w，真空度为6.67×10-1Pa，时间为30秒-2分钟。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：步骤1)浸润步骤中，时间为3分钟；
所述静置步骤中，时间为10分钟；
所述烘干步骤中，温度为80℃，时间为15分钟；
步骤2)所述曝光步骤中，时间为10分钟；
所述溶解步骤中，所用试剂为氢氧化钠水溶液；所述氢氧化钠水溶液的质量百分浓度为0.5％；时间为3分钟；
所述等离子处理步骤中，功率为100w，真空度为6.67×10-1Pa，时间为1分钟。
12.权利要求1-6任一所述微流控芯片在生化检测中的应用。
13.一种用于生化检测的试剂盒，其特征在于：所述试剂盒包括权利要求1-6任一所述微流控芯片。
14.根据权利要求12所述的应用或权利要求13所述的试剂盒，其特征在于：所述生化检测均为检测糖类或蛋白质。
15.根据权利要求14所述的应用或试剂盒，其特征在于：所述糖类为葡萄糖。
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