CN104096608B - 一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件及其制作方法，器件由上层流道层芯片与下层电极层芯片组合而成，上下层芯片非直接接触，层间注入低电导率液滴保证两者贴合性，其中流道层芯片由流道基片和基底薄膜键合而成。制作时上层流道采用微加工技术加工，并与底层薄膜键合封装；电极层芯片采用微加工技术或印制电路板工艺制作。本发明中的样品液与电极采用分离式设计，避免了传统电动力学芯片裸露电极对生物活性造成的影响；上下层芯片角度相对位置可调控，便于调节受力方向与分选、阵列效果；通过在电极上施加特定频率电信号可以实现微米级生物粒子的有序阵列、图形化、分离以及捕获。

Description

一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于介电泳电动效应的分离式微流控器件及其制作方法，尤其涉及一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件及其制作方法。

背景技术

在过去的十多年内，面向生物应用的微型化器件发展迅速，克服了传统医疗器械设备体积大、反应时间长、样品消耗量多等弊端。随着微加工技术的进步，芯片上的实验室成为了可能，大量的新功能器件涌现而出，实现了对细胞、病毒、微粒、微纳米粒子以及DNA、蛋白质等大分子的多种操作，例如捕获、排列、分选、图形化、表征及提纯等，这些微操纵功能的实现对诊断和临床应用有着非常重要的意义。报道的芯片功能主要可分为以下四类：第一类是基于传统机械微孔/微槽结构槽技术的芯片，这一类器件芯片易堵塞、精度低、功能局限，目前使用较少；第二类是基于流体惯性效应的芯片，该类芯片精度低、可控性差，需要配合其他方法提高效率；第三类时基于生化载体方法的芯片，目前虽在生化领域使用广泛，不过存在特异性强、操作繁琐、成本高昂等问题。相比而言，第四类利用外加电、声、磁、光场强的单场/多场分选技术更具有优势。以介电泳为例，基于介电泳效应的器件具有高效率、高精度及易集成等优点，近年来得到了广泛的应用。但是此类芯片电极与流道结构一体化，一方面制作加工以及键合工艺复杂，加工成本较高，不能够重复利用；另一方面电机形式的固定使得芯片的功能单一，使用局限；同时电极与目标对象的接触会对部分生物性质产生影响，造成损伤。

发明内容

技术问题：本发明提供一种实现多种不同尺寸微米级生物粒子的图形化与分选，并可实现电场作用力的可控能动调节及处理后样品回收应用的分离式微米级粒子自动组装、分选器件，同时提供一种该器件的制作方法。

技术方案：本发明的分离式微米级粒子自动组装、分选器件，由双层芯片堆叠组合而成，包括上层的流道层芯片、下层的电极层芯片、设置在所述上下层之间并将两者附着贴合的低电导率液滴层。流道层芯片由基片和底面薄膜键合封装而成，所述基片的材质为聚二甲基硅氧烷、特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一种，所述底面薄膜采用厚度小于200微米的有机聚合物薄膜、天然云母薄膜、玻璃薄膜或石英薄膜。

本发明器件的一种优选方案中，流道层芯片的基片中，功能区域采用直流道形式，并与电极层芯片中的图案电极成夹角设置。

本发明器件的一种优选方案中，电极层芯片采用氧化铟锡导电玻璃微加工工艺、金属微电极加工工艺或印制电路板工艺制备。

本发明器件中，电极层芯片中的图案电极上施加的信号为高频交流正弦电信号。

本发明制备上述器件的方法包括以下步骤：

(1)通过微加工技术制作流道层芯片的基片；

(2)首先旋涂平整的聚二甲基硅氧烷薄膜，然后用基片的底面蘸取所述聚二甲基硅氧烷薄膜，形成粘附层，并用所述粘附层将基片粘附在底面薄膜上表面，最后加热键合固化，得到流道层芯片；

(3)在电极层芯片的上表面滴入低电导率液滴，然后将流道层芯片贴合固定在低电导率液滴上。

本发明方法的一种优选方案中，步骤(1)中，还在制作出的基片的样品入口处和分选出口处打孔。

本发明中，粒子样品液以及缓冲液通过外部流体驱动设备以特定流速分别由样本液入口和缓冲液入口注入，当流速较大的情况下可以实现粒子的分选，具体原理为：在夹流作用下粒子汇集于功能区域的中间部分，借助下方电极层芯片产生的非均匀电场，在动电力学(介电泳)作用力下不同材质与尺寸的粒子将发生不同程度的偏转流后入不同的样品出口。相同材质的情况下，尺寸较大的粒子受到的介电泳作用力较大，偏转角度大，流入边缘出口，尺寸较小的粒子受到的介电泳作用力较小，偏转角度小，流入位于中间的出口；同时，不同材质粒子受到的介电泳作用方向不同，其中受到正介电泳作用的粒子向一侧壁面偏转而受到负介电泳作用的粒子向流速另一侧壁面偏转。在入口流速较小或是静止流体中，粒子可实现图案化阵列：与分选原理相似，受到负介电泳作用的粒子链状排布于电极形状正上方，受到正介电泳作用的粒子链状排布于电极间隙正上方。此情况下流道结构只起蓄积样品液的作用，实际应用中亦可采用敞口式蓄液池或任意形状腔道。本发明中电极层芯片与流道层芯片采用分离式设计，在使用时需要在两层间滴附低电导率液滴层保证接触贴合性，该设计还可实现流道结构与电极间相对位置的能动调节，从而调控粒子受到的介电泳力大小或方向。根据粒子与操纵功能的不同，在底部电极层芯片上施加不同的电信号并调节分选样品进入流道的流速大小，实现多种粒子的分选或图形化组装。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下优点：

传统介电泳芯片中样本液进入功能区域后与底部电极层芯片直接接触，在流体与电压的作用下存在接触损伤，对粒子的生物活性造成影响，固定的电极形式以及封装固定使得芯片应用操作单一、功能局限。本发明中流道层芯片与电极层芯片采用底部薄膜相隔离，有效地避免了粒子损伤，并可将组装、分选完毕的样品用于其他应用；由于分离式设计，电极层芯片与流道层芯片的相对位置、夹角可实时调整，便于对象的操控分选；电极层芯片上图案电极的形式多样性也使得芯片功能多样化；同时分离式设计使得电极层芯片得以重复利用，大大降低了使用成本，易于集成与微型化；本发明应用广泛，只要根据对象的特异性使用相应尺寸和形状的电极调节相应的电信号参数即可实现多种不同粒子的分选与图形化组装。因此，本发明提出的新型器件可广泛用于临床诊断、生物学研究、生化分析及环境监控等领域的。

附图说明

图1是本发明流道层芯片的俯视图；

图2是本发明电极层芯片的俯视图；

图3是本发明流道层芯片及通孔分布的立体图；

图4是本发明各层芯片组装后的立体爆炸视图；

图5是本发明微流道粒子分选效果示意图；

图6是本发明微流道粒子阵列效果示意图，其中图6a为指状电极阵列效果图，图6b为环形电极阵列效果图；

图7为电极层芯片的制作流程图。

图中有：流道层芯片1、低电导率液滴层2、电极层芯片3、样本液入口11、缓冲液入口12、样本上出口13、样本中出口14、样本下出口15、功能区域16、底部薄膜17、基片18、电极基底31、图案电极32、双侧电极33、导线焊点34、导线35、第一粒子101、第二粒子102、第三粒子103、上流道壁面104、下流道壁面105、指状电极301、第四粒子302、环状电极303。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本发明技术方案的实施方式和具体的操作过程作详细说明，但实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

本实施例的流道层芯片1的基片18材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，也可用特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃等聚合物和硬质材料来制作，流道层基底薄膜17采用云母片，也可以使用有机聚合物、玻璃、石英薄膜等材料；电极层芯片使用印有微电极形状的印制电路板。使用不同的材料其对应的加工工艺、键合技术及成品器件的光学、电学特性也不相同，应根据实际加工制作条件及应用需求选择合适的芯片材质。本实施例中，PDMS基片18采用铬掩模/打印胶片掩模的光刻技术制作加工，该技术加工周期短，制作精度高。也可以采用硅的湿法/深反应离子刻蚀、精密机加工、金属电镀及感光电路板的刻蚀加工等技术来制作阳模，根据对象精度、成本、设备要求采用相应的技术方法。

本实施例是基于介电泳效应的分离式微流控器件，在基片18下方键合了天然材料云母底部薄膜17，在保证承受刚度的前提下，其厚度可以达到100微米以下。实现了电极与流道分离式设计，保证了样品对象的生物活性和可重复利用性。在其他实施例中也可以采用盖玻片及有机材质的薄膜。本实施例所述结构的器件通过控制流体的流速与电信号的幅值及频率，可用于图形化组装或自动分选多种不同尺寸的微米粒子。

如图4所示，本实施例包括流道层芯片1、电极层芯片3以及双层芯片中间用于贴合的低电导率液滴层2。其中流道层芯片直流道功能区域16与图案电极32成夹角放置，且两种之间相对位置可以灵活变动。

本实施例中，流道层芯片1的立体图如图3所示，图1为其俯视图：电极层芯片3上设有样品液入口11、缓冲液入口12、功能区域16、样本上出口13、样本中出口14、样本下出口15以及底面云母薄膜17。样品液入口11、缓冲液入口12、样本上出口13、样本中出口14、样本下出口15六处小孔由打孔器打出，通过导管与装载有注射器的精密驱动泵相连接。本实施例在流道层芯片1中，基片18与云母底部薄膜17键合时使用紫外/臭氧表面处理键合法，将两者清洗干净，通过紫外照射使得氧气产生臭氧，利用臭氧对流道表面进行氧化处理来实现不可逆键合并使得表面亲疏水性改变，利于样品在其中流动。在底面不平整实施例中针对不平整表面，采用旋涂PDMS薄层来辅助键合，具体流程如图7所示：首先在旋涂云母片上旋涂一层胶态PDMS(500rad/min预旋10秒后再以3000rad/min旋涂2分钟)，接着用PDMS基片蘸取旋涂云母片，待完全贴合后揭下(使得PDMS基片粗糙表面附着一层非常薄的胶态PDMS)；接下来将PDMS基片粘附在洁净的芯片云母片上并置于烤箱中150℃加热2小时得到符合精度以及耐压等要求的PDMS微流道芯片。其他实施例中也可采用氧等离子体处理等手段进行表面改性来实现两层的不可逆键合，也可以在制作基片时调配不同组份(预聚体和固化剂)的配比，利用交界面上的分子扩散作用实现两者间的不可逆自键合。

如图2所示，本实施例中，下层的电极层芯片3由电极基底31、图案电极32、双侧电极33以及其上的导线焊点34。本实施例中微电极间距与电极宽度都为200微米，电极厚度为2盎司(约为70微米)。本实施例中采用此种指状电极形式产生非均匀电场，实现粒子分选与图形化组装功能。在其他实施例中可以采用多样的电极形式，实现不同的图案形状或者分选效果。电信号可以由信号发生器产生并经过放大器作用放大，通过信号对对象的作用效果反馈可实时调整信号的幅值与频率。

在实现分选功能时，芯片采用封闭流道，样本液和缓冲液分别由样品入口11、缓冲液入口12以特定流速流入功能流道，由于流体间夹流作用，样本液中的对象粒子聚焦汇集于功能区域16特定位置并经过电动力学作用偏转流入不同的样本出口13、14、15；在实现图案阵列功能时，芯片可以采取封闭微流道也可以采用开放式的样本腔室以便于生成的图案的后续利用。

芯片各层组装的立体爆炸视图如图4所示，本实施例中，样品液以及缓冲液均为8.5％蔗糖和0.3％葡萄糖(w/v)的低电导率溶液，其中样品液中均匀混有三种不同尺寸或不同介电常数的粒子。样品液和缓冲液通过注射泵等外部流体驱动设备以特定流速引入功能区域16。

如图5所示，在功能流道起始部分，三种粒子由于入口鞘液夹流的作用聚焦于流道的功能区域16；如图5下图受力分析所示，在功能区域16，粒子除受到流体拖拽力F1作用沿着主流动方向迁移外，将同时在流道下方的电极层芯片3产生的非均匀电场作用下，产生方向垂直于电极的介电泳作用力。而粒子与流体的相对介电常数将决定粒子受到介电泳力的大小与方向。以实施例中第一粒子101与第三粒子103为例，第一粒子101与第三粒子103形状相同，介电常数不同。第一粒子101受到的介电泳力F2垂直于电极排布方向，F2在垂直于流体流速方向上的分量力竖直向上，导致第一粒子101向上流道壁面104偏转，最终从样本上出口13流出并收集；第三粒子103受到的介电泳力F3垂直于电极排布方向的同时在垂直于流体流速方向上的分量力竖直向下，导致粒子向下流道壁面105偏转，最终从样本下出口15流出并收集；图5实施例中第二粒子102由于材料介电常数与承载液相近，受到介电泳力作用非常微弱，在夹流作用后仍沿着功能流道中间流入样本中出口14并收集。本实施例中粒子的偏转主要取决于粒子与承载溶液的介电属性以及粒子的特征尺寸，针对不同的粒子对象和操作需求选择配置相对应的承载液。

如图6左图所示，粒子在流速静止或者缓慢的情况下会被电极捕获并成链状排布，其作用机理与分选作用机理相似。第四粒子302在承载液中受到指状电极301产生的电场诱导介电泳力F1的作用，如果受负介电泳力作用，粒子链状汇集于电极正上方；如果受正介电泳力作用，粒子链状汇集于电极间隙上方。借助该原理可实现生物粒子的图形化组装和排布。根据不同的实际应用需求，可设计加工不同图案的电极与流道结构，图6的右图展示了粒子在环状电极303作用下环状排布的效果图。

本实施例中提出的分离式图形化组装、自动分选器件，实现了生物粒子操纵对象与底面电极相分离，避免了传统的接触损伤，底层电极的重复利用与多样化图案降低了成本并增加了芯片的功能，除此之外还具有结构简单、效率高等优点，可广泛用于环境监控、临床诊断治疗、生物学及生化分析等研究应用中。

Claims (6)

1.一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件，其特征在于，该器件由双层芯片堆叠组合而成，包括上层的流道层芯片(1)、下层的电极层芯片(3)、设置在所述上下层之间并将两者附着贴合的低电导率液滴层(2)，流道层芯片(1)由基片(18)和底面薄膜(17)键合封装而成，所述基片(18)的材质为聚二甲基硅氧烷、特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一种，所述底面薄膜(17)采用厚度小于200微米的有机聚合物薄膜、天然云母薄膜、玻璃薄膜或石英薄膜。

2.根据权利要求1所述的分离式微米级粒子自动组装、分选器件，其特征在于，所述流道层芯片(1)的基片(18)中，功能区域(16)采用直流道形式，并与电极层芯片(3)中的图案电极(32)成夹角设置。

3.根据权利要求1或2所述的分离式微米级粒子自动组装、分选器件，其特征在于，所述电极层芯片(3)采用氧化铟锡导电玻璃微加工工艺、金属微电极加工工艺或印制电路板工艺制备。

4.根据权利要求1或2所述的分离式微米级粒子自动组装、分选器件，其特征在于，所述电极层芯片(3)中的图案电极(32)上施加的信号为高频交流正弦电信号。

5.一种分离式微米级粒子自动组装、分选器件的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过微加工技术制作流道层芯片(1)的基片(18)；

(2)首先旋涂平整的聚二甲基硅氧烷薄膜，然后用基片(18)的底面蘸取所述聚二甲基硅氧烷薄膜，形成粘附层，并用所述粘附层将基片(18)粘附在底面薄膜(17)上表面，最后加热键合固化，得到流道层芯片(1)；

(3)在电极层芯片(3)的上表面滴入低电导率液滴，然后将流道层芯片(1)贴合固定在低电导率液滴上。

6.根据权利要求5所述的分离式微米级粒子自动组装、分选器件的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还在制作出的基片(18)的样品入口处和分选出口处打孔。