CN104475178B

CN104475178B - 一种微流控纸芯片制造装置及方法

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Publication number: CN104475178B
Application number: CN201410717320.9A
Authority: CN
Inventors: 贺永; 吴文斌; 傅建中
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN104475178A

Abstract

本发明公开了一种微流控纸芯片制造装置，包括：LCD液晶屏，显示掩膜图案，该LCD液晶屏一侧用于放置完全被UV光固胶浸润的滤纸；控制器，控制LCD液晶屏显示所需的掩膜图案；紫外线光源，置于LCD液晶屏另一侧，其产生的紫外线通过掩膜图案的透光区域对所述滤纸进行曝光固化，形成微流道。本发明还公开了一种制造微流控纸芯片方法。与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)采用了计算机控制的LCD液晶屏作为掩膜，可以迅速获得掩膜，无需额外加工，大大降低了加工的时间成本和经济成本。(2)制造步骤简单，所需仪器和材料获取方便，这极大的增加了这种方法的可操作性并降低了对操作人员的要求。

Description

一种微流控纸芯片制造装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其是涉及一种微流控纸芯片制造装置及方法。

背景技术

微流控纸芯片是一种新兴的微流控分析技术平台，具有成本低、加工简易、使用和携带方便等优点，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等应用领域具有很大的应用前景。这种技术采用纸张作为基底替代硅、玻璃、高聚物等材料，通过各种加工技术，在纸上加工出具有一定结构的亲疏水的微细通道网络和相关的分析器件。这种分析器件被称为纸上微型实验室，也称微流控纸分析器件。

由于微流控纸芯片有如此多优越的性能，众多的科学工作者积极开发了很多种纸芯片的加工技术。包括紫外光刻、蜡印、等离子处理、喷墨打印、喷墨溶剂刻蚀、绘图、柔印和激光光刻等技术。

公开号为CN103437240A的专利文献公开了一种纸芯片的制备方法，包括以下步骤：A)将滤纸片在预聚液中进行浸润，所述预聚液为预聚体和光引发剂的混合物，所述预聚体包含丙烯酸功能团或甲基丙烯酸功能团，所述光引发剂为光激发可产生苯羰基自由基的光引发剂；B)将浸润后的滤纸片表面覆盖有预设图案的光刻掩模，然后置于紫外光下进行曝光；C)将曝光后的滤纸片用甲醇进行清洗，得到纸芯片。

目前现有的纸芯片加工技术有很大一部分是需要用到掩膜来获得亲疏水的通道。现有的掩膜基本有金属掩膜和石英掩膜两大类。这两类掩膜的加工成本比较高，此外加工不同形式的纸芯片需要不同的掩膜来制作。这大大限制了纸芯片在科研工作中的应用，无法快速的生产出不同类型的纸芯片来满足科研的需求。

发明内容

本发明提供了一种微流控纸芯片的制作装置，可方便快速的制造纸芯片。具有加工快速、流道分辨率高、成本低等优点。

本发明提供了一种利用上述微流控纸芯片的制作装置制作微流控纸芯片的方法，该方法通过紫外光线的选择性照射，以形成亲疏水微流道，操作简单，制作效率和制作精度高。

一种微流控纸芯片制造装置，包括：

LCD液晶屏，显示掩膜图案，该LCD液晶屏一侧用于放置完全被UV光固胶浸润的滤纸；

控制器，控制LCD液晶屏显示所需的掩膜图案；

紫外线光源，置于LCD液晶屏另一侧，其产生的紫外线通过掩膜图案的透光区域对所述滤纸进行曝光固化，形成微流道。

所述UV光固胶一般采用UV光固化树脂。

所述LCD液晶屏为对现有的LCD液晶屏进行改装处理，使之获得选择性透光的功能，其选择性透光的图案由计算机控制。处理步骤为先去除LCD液晶屏后部的金属底板，然后去除底部的LED灯，留下可选择性透光的部分即可。

所述控制器可采用控制芯片或者计算机；

作为优选，所述LCD液晶屏一侧设有增透膜，所述滤纸置于该增透膜上。采用该技术方案，能够提高曝光固化精度。

作为优选，所述紫外线光源为紫外线LED灯。采用紫外线LED灯，安装简单，制作成本低。

作为优选，所述微流控纸芯片制造装置还包括：

凸透镜，设置在紫外线光源与LCD液晶屏之间，用于对紫外线光源产生的紫外光进行发散；

菲涅尔镜，设置LCD液晶屏与凸透镜之间，用于将凸透镜发散后的紫外光聚拢变成平行光照射到LCD液晶屏上。

凸透镜和菲涅尔镜的设置，保证紫外光线均匀的照射在LCD液晶屏上，通过透光区域进一步照射在被UV光固胶浸润的滤纸上，实现对滤纸的均匀曝光，保证了微流控纸芯片的整体质量。同时，通过凸透镜和菲涅尔镜安装位置的调整，可适于不同大小微流控纸芯片的制作。

作为优选，所述微流控纸芯片制造装置还包括：对所述紫外线LED灯进行冷却的冷却系统。由于紫外线LED灯的功率较高，产热较多，需要对紫外线LED灯进行冷却。冷却系统的设置，保证了紫外线LED灯的工作性能，提高了使用寿命。所述冷却系统可采用多种冷却系统，例如可采用水冷系统。

一种上述装置制造微流控纸芯片的方法，包括：

(1)利用UV光固胶，将制作微流控纸芯片用滤纸浸润均匀；保证滤纸完全浸润；

(2)将浸润后的滤纸置于LCD液晶屏一侧；

(3)通过控制器控制LCD液晶屏显示动态掩膜图案；

(4)利用紫外线穿过LCD液晶屏上的掩膜图案对滤纸进行选择性曝光；

(5)将曝光后的滤纸清洗，将滤纸上液态的UV光固胶去除，烘干得到微流控纸芯片。

作为优选，所述步骤(2)中，先将浸润后的滤纸置于一增透膜上，保证滤纸与增透膜之间没有气泡，保证纸芯片的质量；然后将盛有滤纸的增透膜置于LCD液晶屏一侧。

作为优选，步骤(4)曝光过程如下：

(4-1)利用紫外光对滤纸正面进行选择性曝光，获得亲疏水通道；

(4-2)通过控制器控制LCD液晶屏改变动态掩膜图案，利用紫外光对滤纸另一侧进行全曝光，达到防止扩散的作用。

作为优选，步骤(4-1)中的选择性曝光时间为15-18s；步骤(4-2)中的全曝光时间为20-25s。实验证明，对对滤纸正面进行选择性曝光时间为15-18s时，流道宽度与掩膜宽度最为近似，在该曝光时间区间内，能够得到所要的精度要求。当反面曝光时间在20-25s这个区间时，液体在流道里的流动速度最大。

步骤(5)中，清洗剂可采用无水酒精，去除多余的未固化的紫外光固胶。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)采用了计算机控制的LCD液晶屏作为掩膜，可以迅速获得掩膜，无需额外加工，大大降低了加工的时间成本和经济成本。

(2)制造步骤简单，所需仪器和材料获取方便，这极大的增加了这种方法的可操作性并降低了对操作人员的要求。

附图说明

图1示出了本发明的一种微流控纸芯片制造装置示意图。

图2示出了本发明的纸芯片制作过程示意图。

图3、图4示出了本发明的正面曝光和反面曝光优化数据图，其中图3为正面曝光时间与通道宽度关系图，图4为反面曝光时间与发生渗透和通道中液体流速的关系图。

图中，1-框架，2-LCD液晶屏，3-菲涅尔镜，4-凸透镜，5-紫外线LED灯，6-滤纸，7-储液槽，8-增透膜，9-成型纸芯片。

具体实施方式

实施例：以一个Y字形的纸芯片制作为例，对本发明所提及的工艺进一步说明。

图1中的微流控纸芯片制造装置，主要由不透光框架1、LCD液晶屏2、菲涅尔镜3、凸透镜4、紫外线LED灯5等组成。

LCD液晶屏2设置在平台的最上端，作为动态掩膜。该LCD液晶屏2可以根据计算机上的信号随时调整掩膜的透光效果，所以可以达到动态掩膜的效果，省去了掩膜的制作步骤，大大减低了制作成本。

菲涅尔镜3的聚光效果可以将发散的光聚集成平行光。由于紫外线LED灯5的发光功率极大，需要在紫外线LED灯5的下部安装一个水冷系统，否则紫外线LED灯5的寿命会很短。整体的框架是封闭不透光的，通过紫外曝光来控制光固树脂的固化获得亲疏水通道。

实际安装时，在框架1的最上端安装的受控于计算机的LCD液晶显示屏2。该液晶屏经过特殊的改装处理，去除了底板和LED灯，达到可以选择性通过光的功能。在LCD液晶显示屏2下方2cm左右的位置安装有一个菲涅尔镜3。在菲涅尔镜3正下方10cm左右的位置安装有一个紫外光LED灯5，用于发射紫外光。在紫外光LED灯5正上方有一个凸透镜4，用于将紫外光LED灯5产生的紫外光进行发散。由于紫外光LED灯5的功率较高，产热较多，需要对紫外光LED灯5进行冷却。故在紫外光LED灯5的下方安装有一套水冷系统。

图2示出了纸芯片的加工流程，滤纸6采用Freeman一号滤纸，本加工方法首先将滤纸6浸入装满UV光固化树脂的储液槽7中。浸润数分钟后，待滤纸6完全被UV光固化树脂浸润之后，用镊子将浸润的滤纸6从储液槽7中取出，平整地放置于增透膜8之上，保证浸润滤纸6与增透膜8之间没有气泡来保证纸芯片的质量；将附有滤纸6的增透膜8平整的放置于LCD液晶屏2之上。打开LCD液晶屏电源开关，通过计算机控制LCD液晶屏2形成一个Y字形的掩膜。打开紫外线LED灯5电源，照射15-18s。将滤纸6从增透膜8上脱模，将未曝光的一面贴于增透膜8上，将增透膜8重新放置于LCD液晶屏2上，通过电脑控制液晶屏完全透光，打开紫外线LED灯5电源，照射20-25s，得到成型纸芯片9。将成型纸芯片9从增透膜8上脱模下来，放置于储存有无水酒精的储液槽7中进行清洗，洗去多余的未固化的UV光固化树脂。洗净之后用镊子将纸芯片从酒精中取出擦干后放到干燥箱中进行干燥处理5分钟，得到纸芯片成品。

图3、图4示出了正面曝光时间与反面曝光时间对纸芯片制作的各种形状的影响趋势图。图3中，10为正面曝光时间与流道宽度关系线，由图3中可以看出，在掩膜宽度为0.5mm的情况下，正面的流道宽度在15s的时候和掩膜的宽度最为近似，在15-18s这个区间内都能达到所要求的精度，故设定正面曝光时间为15-18s。反面曝光的目的是考虑到滤纸较厚，紫外光难以完全透过，导致滤纸的反面没有固化，从而会在分析时产生渗透。图4中，11为反面曝光时间与扩散时间关系线，12为反面曝光时间与流道中液体流动速率关系线，由图4可以看出当反面曝光时间超过15s时便不再发生渗透的现象。当反面曝光时间在20-25s这个区间时，液体在流道里的流动速度较为稳定，所以设定反面曝光时间为20-25s。

Claims

1.一种微流控纸芯片制造装置，其特征在于，包括：

LCD液晶屏，显示掩膜图案，该LCD液晶屏一侧用于放置完全被UV光固胶浸润的滤纸；所述LCD液晶屏为对现有的LCD液晶屏进行改装处理，处理步骤为去除LCD液晶屏后部的底板和LED灯，留下可选择性透光的部分即可；

控制器，控制LCD液晶屏显示所需的掩膜图案；

2.根据权利要求1所述的微流控纸芯片制造装置，其特征在于，所述LCD液晶屏一侧设有增透膜，所述滤纸置于该增透膜上。

3.根据权利要求1所述的微流控纸芯片制造装置，其特征在于，所述紫外线光源为紫外线LED灯。

4.根据权利要求3所述的微流控纸芯片制造装置，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的微流控纸芯片制造装置，其特征在于，还包括：对所述紫外线LED灯进行冷却的冷却系统。

6.一种利用权利要求1所述的装置制造微流控纸芯片的方法，其特征在于，包括：

（1）利用UV光固胶，将制作微流控纸芯片用滤纸浸润均匀；

（2）将浸润后的滤纸置于LCD液晶屏一侧；

（3）通过控制器控制LCD液晶屏显示动态掩膜图案；

（4）利用紫外线穿过LCD液晶屏上的掩膜图案对滤纸进行选择性曝光；

（5）将曝光后的滤纸清洗，将滤纸上液态的UV光固胶去除，烘干得到微流控纸芯片。

7.根据权利要求6所述的制造微流控纸芯片的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，先将浸润后的滤纸置于一增透膜上，且滤纸与增透膜之间没有气泡；然后将盛有滤纸的增透膜置于LCD液晶屏一侧。

8.根据权利要求6或7所述的制造微流控纸芯片的方法，其特征在于，步骤（4）曝光过程如下：

（4-1）利用紫外光对滤纸正面进行选择性曝光；

（4-2）通过控制器控制LCD液晶屏改变动态掩膜图案，利用紫外光对滤纸反面进行全曝光。

9.根据权利要求8所述的制造微流控纸芯片的方法，其特征在于，步骤（4-1）中的选择性曝光时间为15-18s；步骤（4-2）中的全曝光时间为20-25s。