CN104191548B - 一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是建立一种透明胶带雕刻微米级深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制备方法。通过手术刀雕刻透明胶带制成阴模和阳模，进一步制作微流控芯片模具，可通过改变粘附透明胶带的种类或层数来控制微流控芯片通道深度，其通道深度和宽度都可达到20μm～10000μm，且通道形状、宽度和深度都可以根据需要设计更改。此方法通过雕刻透明胶带而成的阳模模具可以直接用来浇铸制成所需PDMS成品；而用透明胶带制成的阴模，则需要先用环氧树脂浇铸，等环氧树脂固化干燥后，即成为能够反复多次使用的环氧树脂阳模模具。该方法操作简单、成本低廉，有望在一般实验室普及，并对微流控加工设计起推动作用。

Description

一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法

技术领域：

本发明涉及一种微流控芯片模具快速制备方法，是一种透明胶带雕刻微米级深度通道的模具制作方法。

技术背景：

微流控技术是近年来发展起来的在微尺度控制流体流动的技术。因其使用方便、价格低廉，已经广泛运用到生物分析、细胞和微生物培养以及药物合成筛选等领域，是下一代病原体检测、生物学研究以及药物合成、筛选平台构建的基础。

微流控芯片加工方法主要分为直接加工法和模具复制法，其中直接加工法主要是使用激光烧蚀、计算机数字控制(CNC)雕刻或者刻蚀等方式在芯片材料上直接加工出微流体通道等结构；而模具复制法则通过基于模具的浇铸聚合成型或者热压复制成型进行微结构的制作。由于模具复制法在微流控芯片的批量生产中具有前者无法比拟的优势，例如加工成本低、复制精度高、可一次性批量制备等特点，所以广泛采用模具复制法来进行制作。然而，目前所使用的微流控芯片模具多为硅、金属Ni、光刻胶等，模具加工方法主要通过光刻结合刻蚀等微加工方法进行制备，设备和加工成本昂贵。例如，采用基于金属Ni模具的热压或注塑成型方法，可以制备热塑性材料的微流控芯片，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。上述的这些模具，主要采用光刻方法进行制备，虽然光刻法可以获得高质量的模具，但是光刻法制备微流控芯片模具需要昂贵的光刻机和超净室环境，此外还需要显影以及后烘等工艺，过程繁琐，成本较高，加工周期较长。此外，一旦模具的微结构确定了(例如微通道的宽度和深度)，则无法进行修改。因此，如果能够发展一种材料成本和加工成本低廉、操作简单易行的微流控芯片模具，对于微流控芯片的设计开发和批量生产都具有重大意义。

综上所述，一种基于透明胶带雕刻微米级深度通道的、用于制造聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的模具的快速制备方法，有望对微流控设计加工起推动作用。

发明内容：

本发明的目的是建立一种透明胶带雕刻微米级深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制备方法。其特征是通道深度由所附贴透明胶带层数决定，通道形状可以根据设计需要手工雕刻出。该方法操作简单、成本低廉，有望在一般实验室普及。

本发明所述的微流控芯片模具，其特征在于，该模具具有PDMS微流体通道进样口和出样口构件。

本发明所述的微流控芯片模具，其特征在于，该模具制作及其使用十分简便，适用于PDMS、PMMA等材料的微流控芯片快速加工。

本发明所述的试验流程大致可分为：透明胶带阳模的雕刻—液态PDMS倾覆—PDMS的剥离；透明胶带阴模雕刻—环氧树脂制备阳模—液态PDMS倾覆—PDMS的剥离。其中透明胶带阴模和阳模的雕刻为关键步骤，同时也是本发明的创新之处。

本发明所述的微流控芯片模具的快速制备方法，其具体技术方案如下：

本发明是一种透明胶带雕刻微米级深度的用于制造PDMS微流控芯片模具的快速制备方法，使用雕刻透明胶带作为PDMS通道翻制模具，使用贴附透明胶带层数控制通道的深度，通道嵌于PDMS内。

本发明所述的方法是由手术刀手工雕刻透明胶带制作出阴模和阳模。

本发明所述的方法具体制作步骤如下：

(1)、手绘或者用电脑绘图软件绘制出所需模具通道图案，并打印，如图1所示；

(2)、用等离子清洗仪清洗载玻片表面；

(3)、取一片已清洗的载玻片(301)，在其上附贴上透明胶带(302)，可选用不同种类(厚度不同，单层厚度从20～1000μm)的透明胶带单层、多层或复合使用，以得到所需的通道深度；

(4)、将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min；

(5)、将打印出的模具通道图案放在已附贴透明胶带载玻片的正下方；

(6)、用手术刀雕刻出模具通道形状，如图2所示；

(7)、将通道周围透明胶带(303)揭除，则可得到阳模，如图3-d1所示；或将通道形状的透明胶带(304)揭除，则可得到阴模，如图3-d2所示；

(8)、用锡箔纸(305)将所得到的通道模具围起来形成一个浇铸模具，如图3-e所示；

(9)、将PDMS预聚体与偶联剂(306)混合、抽真空除气然后倒入浇铸模具，将长3～10mm、直径1～5mm的乳胶管放在进、出样口(101)，之后置于70℃电热板上2h固化；

(10)、将锡箔纸与PDMS和模具剥离，并将固化后的PDMS(309)与模具剥离，即可得到所需的微通道结构。

本发明所述的PDMS预聚体和偶联剂是以质量比为5:1～10:1的比例混合而成。

本发明所述的模具深度由透明胶带的层数和胶带种类来控制。

本发明所述的PDMS通道深度可以达到20～10000μm，宽度则可以达到50～10000μm，宽度上限可以根据需要扩大。

本发明所述的用透明胶带所刻的阳模模具可以直接用来浇铸制成所需PDMS成品；而用透明胶带制成的阴模，则可以先用环氧树脂浇铸倒成阳模，等环氧树脂固化干燥后，就可以做成能够反复多次使用的环氧树脂阳模模具。

本发明所述的将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min，其作用是有助于胶带与玻璃的剥离，且能使胶带更好地与PDMS分离。

本发明方法是将PDMS混合偶联剂倒入浇铸模具后，在通道的进、出口放上前述的乳胶管，等PDMS固化后，即可成为溶液进样口和出样口(101)，该方法制作方便、省去了用打孔器打孔的工序，不易泄漏。

相比现有技术，本发明的特点体现在：

使用雕刻透明胶带的阴模和阳模，其嵌入PDMS通道深度可以达到20～10000μm，且可以通过改变附贴胶带种类和层数来改变通道深度，还可以根据设计需要改变通道形状。

使用雕刻透明胶带的阴模和阳模的制作简单、材料成本低廉，与SU-8阳模制作相比，它无需甩胶、前烘、曝光、中烘、显影以及后烘等繁琐步骤，制作时间短，且透明胶带价格要远远低于其他材料。

本发明将PDMS混合偶联剂倒入浇铸模具后，在通道的进、出口放上适当尺寸的乳胶管，等PDMS固化后，成为溶液进样口和出样口的方法，制作方便、省去了用打孔器打孔的工序。利用该方法制作的进出样口使用方便、不泄漏且耐用。

附图说明

图1为本发明方法设计制作的微流控芯片平面结构示意图

图2为本发明提出的透明胶带雕刻微米级深度通道的模具形状

图3为本发明提出的透明胶带雕刻微米级深度通道的PDMS微流控芯片的模具的快速制备工艺流程图

图中：101乳胶管样品进出口，102微流控芯片通道，201透明胶带雕刻的阳模模具，202载玻片，301载玻片，302贴附的透明胶带，303通道图形周围透明胶带，304雕刻的通道图形透明胶带，305锡箔纸，306混匀的PDMS液体，307环氧树脂，308固化的环氧树脂，309固化的PDMS，310玻璃(或其他芯片材料)。

具体实施方式：

本发明的是一种透明胶带雕刻微米级深度通道的PDMS微流控芯片的模具的快速制备方法，其具体技术方案为：

雕刻透明胶带阴模或阳模：

(1)、手绘或者用电脑绘图软件绘制出所需模具通道图案(如通道宽度为1000μm，形状为三通道分叉，如图1所示)，并打印；

(2)、用等离子清洗仪清洗载玻片表面；

(3)、取一片已清洗的载玻片(301)，在其表面贴上透明胶带(302)，根据所需通道深度以及胶带厚度确定附贴胶带层数(如需要通道深度为100μm，则需要贴附单层为50μm厚的透明胶带两层)；

(4)、将打印出的模具通道图案放在已附贴透明胶带载玻片的正下方，并粘在载玻片下部，使其不可移动；

(5)、用手术刀沿着所绘制图案在透明胶带上雕刻出所绘制模具通道形状，如图2所示；

(6)、将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min，使胶带与玻璃易于剥离，且能使胶带更好地与PDMS分离；

(7)、将通道周围透明胶带(303)揭除，则可得到阳模，如图3-d1所示；或将通道形状的透明胶带(304)揭除，则可得到阴模，如图3-d2所示；

(8)、用锡箔纸(305)将所得到的通道模具围起来形成一个浇铸模具。

PDMS制作

(1)、将PDMS预聚体与偶联剂(306)混合、抽真空除气然后倒入浇铸模具，将长5mm、直径2mm的乳胶管放在进、出样口(101)，之后置于70℃电热板上2h固化；

(2)、将锡箔纸(305)与PDMS和模具剥离，并将固化后的PDMS(309)与模具剥离，即可得到所需的PDMS结构。

本发明所述的PDMS预聚体和偶联剂是以质量比为5:1～10:1的比例混合而成。

本发明所述的模具深度由透明胶带的层数来控制和胶带种类来控制。

本发明所述的PDMS通道深度可以达到30～1000μm，且可以通过改变附贴胶带种类和层数来改变通道深度，宽度则可以达到50～20000μm，宽度上限可以根据需要扩大。

本发明所述的用透明胶带所刻的阳模模具可以直接用来浇铸制成所需PDMS成品；而其制成的阴模则可以先用环氧树脂浇铸在锡箔纸围成的浇铸模具上，等固化干燥后，就可以做成可以反复多次使用的环氧树脂模具。而用透明胶带制成的阴模，则可以先用环氧树脂浇铸倒成阳模，等环氧树脂固化干燥后，就可以做成能够反复多次使用的环氧树脂阳模模具。

本发明方法是将PDMS混合偶联剂倒入浇铸模具后，在通道的进、出口放上前述的乳胶管，等PDMS固化后，即可成为溶液进样口和出样口，该方法制作方便、省去了用打孔器打孔的工序且不易泄漏。

本发明的检测结果证实，所制作的雕刻透明胶带阳模和阴模尺寸与所设计的误差在5％范围内，满足实验要求。

本发明的检测结果证实，通过本模具所制作的PDMS通道宽度和深度与所设计的误差也在5％范围内，满足实验要求。

下面通过具体实施实例进一步说明本发明的技术方案：

实施例1

(1)、手绘或者用电脑绘图软件绘制出如图1所示模具通道图案，通道宽度为1000μm，形状为三通道分叉，并打印；

(2)、用等离子清洗仪清洗载玻片表面；

(3)、取一片已清洗的载玻片(301)，在其上附贴两层单层厚度为50μm的透明胶带(302)，即所需要通道深度为100μm，如图3-b；

(4)、将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min；

(5)、将打印出的模具通道图案放在已附贴透明胶带载玻片的正下方，并粘在载玻片下部，使其不可移动；

(6)、用手术刀沿着所绘制图案在透明胶带上雕刻出通道形状，如图3-c1；

(7)、将通道周围透明胶带(303)揭除，得到阳模，如图3-d1所示；

(8)、用锡箔纸(305)将所得到的通道模具围起，形成一个浇铸模具；

(9)、将PDMS预聚体与偶联剂(306)混合、抽真空后倒入浇铸模具，将长50mm、直径2mm的乳胶管放在进、出样口(101)，之后置于70℃电热板上2h固化；

(10)、将锡箔纸(305)与PDMS和模具剥离，并将固化后的PDMS(309)与模具剥离，即可得到所需的PDMS结构，如图3-h所示。

实施例2

(1)、同实例1步骤(1)，通道宽度为50μm，形状为“十字”形；

(2)、同实例1步骤(2)；

(3)、同实例1步骤(3)，在其上附贴上一层透明胶带，即所需要通道深度为50μm，如图2所示；

(4)、同实例1步骤(4)；

(5)、同实例1步骤(5)；

(6)、同实例1步骤(6)；

(7)、将通道形状的透明胶带揭除(304)，则得到阴模，如图3-d2所示；

(8)、同实例1步骤(8)；

(9)、将环氧树脂(307)抽真空后倒入浇铸模具，置于65℃电热板上2h固化；

(10)、将锡箔纸与固化的环氧树脂模(308)具剥离，即可得到所需可以重复使用的模具，如图3-f2所示；

(11)、同实例1步骤(8)；

(12)、同实例1步骤(9)，如图3-g2所示；

(13)、同实例1步骤(10)，如图3-i所示；

申请人声明，以上列举的仅是本发明的部分具体实施技术方案，显然，本发明不局限于以上实施实例，还可以有更多的变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开信的内容直接导出或对本发明选用组分的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围和公开范围以内。

Claims (4)

1.一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法，其特征在于，通过手术刀雕刻透明胶带制成阴模和阳模，进一步制作微流控芯片模具，可通过改变粘附透明胶带的种类或层数来控制微流控芯片通道深度，其通道深度和宽度都可达到20μm～10000μm，且通道形状、宽度和深度都可以根据需要设计更改；

其制作步骤如下：

(1)手绘或者用电脑绘图软件绘制出所需模具通道图案，并打印；

(2)用等离子清洗仪清洗载玻片表面；

(3)取一片已清洗的载玻片(301)，在其上附贴上透明胶带(302)，可选用不同种类的透明胶带单层、多层或复合使用，以得到所需的通道深度；

(4)将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min；

(5)将打印出的模具通道图案放在已附贴透明胶带载玻片的正下方；

(6)用手术刀雕刻出模具通道形状；

(7)将通道周围透明胶带(303)揭除，则可得到阳模；或将通道形状的透明胶带(304)揭除，则可得到阴模；

(8)用锡箔纸(305)将所得到的通道模具围起来形成一个浇铸模具；

(9)将PDMS预聚体与偶联剂(306)混合、抽真空除气然后倒入浇铸模具，将长3～10mm、直径1～5mm的乳胶管放在进、出样口(101)，之后置于70℃电热板上2h固化；

(10)将锡箔纸与PDMS和模具剥离，并将固化后的PDMS(309)与模具剥离，即可得到所需的微通道结构；

还包括所述通过雕刻透明胶带而成的阳模模具可以直接用来浇铸制成所需PDMS成品；而用透明胶带制成的阴模，则需要先用环氧树脂浇铸，等环氧树脂固化干燥后，即成为能够反复多次使用的环氧树脂阳模模具。

2.根据权利要求1所述的一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法，其特征在于，所制得的PDMS通道深度可以达到20～1000μm，宽度则可以达到50～10000μm，其上限可以根据需要扩大。

3.根据权利要求2所述的一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法，其特征在于，所述PDMS预聚体与偶联剂混匀倒入浇铸模具后，在通道的进、出口放上前述的乳胶管，等PDMS固化后，即可成为溶液进样口和出样口(101)；其PDMS预聚体和偶联剂是以质量比为5:1～10:1的比例混合而成。

4.根据权利要求3所述的一种透明胶带雕刻微流控芯片模具的快速制备方法，其特征在于，本发明所述的将贴有透明胶带的载玻片放在70℃电热板上2min，其作用是有助于胶带与玻璃的剥离，且能使胶带更好地与PDMS分离。