CN104511320A - 一种液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种毛细管液滴发生微流控芯片及其制作方法。毛细管液滴发生微流控芯片采用毛细管作为液滴发生与收集的功能单元，由刻有微通道的微流控芯片和毛细管组成。毛细管液滴发生微流控芯片通过微流控芯片与毛细管的整合，在微流控芯片上实现互不相容两相的流体引入，在毛细管与微流控芯片交叉口出实现液滴的发生，并且直接收集在毛细管中。本发明结构简单、操作方便，解决了传统液滴收集发生和收集方法中容易破坏液滴均匀性等问题，实现了液滴发生和毛细管收集的集成化。
Description
技术领域
本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种液滴发生的毛细管微流控芯片及其制备方法。
背景技术
微流控芯片(Microfluidic chip)也称为芯片实验室(Lab on a chip)或微流控芯片实验室是当前μTAS发展的热点领域，微流控芯片技术在医学、生命科学等领域的应用得到不断扩展。微流控芯片指的是在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物学实验室，它可以把所涉及的化学和生物学领域中的样品制备、反应、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到这块很小的芯片上，用于完成不同的生物学和化学反应过程，并通过由微通道形成的网络，使微流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物学实验室的各种功能，在物理、化学和生物分析、病理诊断和环境监控等领域中有广阔的应用前景。它可以使试验成本十倍百倍地下降，分析速率十倍百倍地提高，其试剂消耗下降到微升甚至纳升级，初步实现了分析系统的微型化、自动化、集成化和便携化，从而为分析测试技术普及到千家万户提供了理论和技术依据。
液滴发生技术是微流控芯片技术的一个重要分支。基于液滴的微流控芯片技术能够与众多的化学和生物试剂和“电子控制”相互兼容，并且具有良好的可编程和构建性。微流控芯片液滴发生平台能够精确控制和快速混合液滴中的样品，从而减少了反应时间。鉴于微流控芯片液滴技术能够精确控制液滴的发生和操控，产生均一的单分散液滴，使其成为了生物医学及化学研究的高通量平台。所产生的液滴尺寸为nL和pL级的，可以用来作为反应器直接合成颗粒或者包载试剂应用于生物医学领域。
现有的三种主要微流控芯片液滴发生方式：T型、流聚焦型和共轴流型，它们将液滴导入毛细管的方法都是，首先利用微流控芯片进行液滴的发生，然后由插在主微通道末端的毛细管来收集液滴。这样一来，产生了一些难以避免的问题：其一，毛细管与芯片的接口容易存在死体积，这个死体积会导致液滴的滞留和相互融合；其二，预将毛细管插入芯片中，必须满足毛细管的外径与芯片的主通道内径相一致，同时毛细管的内径还必须与主通道的内径一致以保证液滴流动的连续和稳定，它们相互矛盾无法调和的。
发明内容
本发明的目的是设计和制备一种液滴发生的毛细管微流控芯片，其特征在于液滴发生毛细管微流控芯片采用毛细管作为液滴发生与收集的功能单元，由刻有微通道的微流控芯片和毛细管组成，通过进口输入油水两相实现油包水或者水包油液滴的发生，并且直接收集在毛细管中。本发明将毛细管插入油水两相的交叉口处，从而使在微流控芯片上产生的液滴直接进入毛细管中，解决了死体积导致的液滴融合以及传统毛细管尺寸与主通道尺寸的矛盾问题。
为实现上述目的，本发明采用以下操作步骤：
1.用AutoCAD等计算机辅助设计软件设计和绘制液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道图形；
2.通过微加工技术在微流控芯片基材表面加工制备微结构和微通道，包括微区、微槽、微池、微孔和微通道；
3.将芯片基材切割、修边、打孔后，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片后，洁净气体吹干或者自然晾干；
4.将刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片对齐、压紧、封合在一起，形成毛细管微流控芯片的主体部分；
5.剪切一段毛细管，将端口裁平整，对毛细管的内壁进行表面修饰；
6.将处理过的毛细管插入已制得的毛细管微流控芯片主题部分也即微流控芯片的出口处；
7.将微流体输送微泵通过导管接头和芯片进行连接，组装成液滴发生的毛细管微流控芯片。
本发明中，液滴发生毛细管微流控芯片的芯片基材可以是PDMS、PMMA、PC等高分子材质，也可以是玻璃、硅和金属材质。
本发明中，微流控芯片上的微结构、微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀，也可用软刻蚀技术等微加工方法在芯片基材表面制备。
本发明中，微结构和微通道芯片层和空白层的封合技术可以是等离子体处理、热压封合、化学修饰封合，或者混合前述技术封合。
本发明中，液滴发生毛细管微流控芯片的芯片厚度可以是1～5mm，边长10～100mm。
本发明中，微结构和微通道的宽度可以是5-500μm，深度可以是5-500μm。
本发明中，微结构和微通道的设计可以是简单的两液相T型汇集、十字共聚焦汇集，也可以包含液体混合、反应、微阀、微储存器等复杂功能单元。
本发明中，毛细管材质可以是石英毛细管、PTFE毛细管、PE毛细管、硅胶毛细管。
本发明中，毛细管内壁修饰可以是亲水修饰，也可以是疏水修饰。
本发明中，液滴发生毛细管微流控芯片能够制作的液滴可以是油包水液滴，也可以是水包油液滴，也可以是油水交替相包的多层液滴。
本发明提出的液滴发生毛细管微流控芯片利用微流控液滴发生芯片能够均一、稳定、大小可控、频率可控地制备液滴的技术优势，又结合毛细管的收集和储存功能，实现了均匀可控液滴的发生同时收集。本发明通过对两液相的精确控制，制备均一的单分散液滴，为药物装载微囊等生物医学及化学研究应用提供了精确、高效的制备和收集工具。
附图说明
图1是液滴发生毛细管微流控芯片装置示意图。
图2是毛细管微流控芯片制备的油包水液滴在石英毛细管中收集。
图中：1是微流控芯片，2是石英毛细管，3是流动相进口，4是分散相进口，5是石英毛细管中收集的液滴，6～14是不同条件(不同毛细系数Ca和不同油水两相流速比R)下收集在石英毛细管中的液滴，6为Ca＝0.001107/R＝0.02，7为Ca＝0.001107/R＝0.4，8为Ca＝0.001107/R＝1，9为Ca＝0.002214/R＝0.02，10为Ca＝0.002214/R＝0.4，11为Ca＝0.002214/R＝1，12为Ca＝0.003321/R＝0.02，13为Ca＝0.003321/R＝0.4，14为Ca＝0.003321/R＝1。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，油包水液滴发生毛细管微流控芯片制备步骤为：
1.掩膜的制作：首先用设计软件(AutoCAD)设计和绘制液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道图形，并将图形打印制作成掩膜，利用掩膜制作硅片模具；
2.硅片模具制作：首先清洗硅片，用浓H2SO4/H2O2＝3∶1，浸泡15min，然后分别用无水乙醇、丙酮、超纯水清洗硅片；在加热板上烘干硅片；用六甲基二硅氮烷修饰硅片后，倒光刻胶AZ-50XT，2000rpm摔胶1min15s，后进行前烘聚合；放置掩膜、硅片于光刻机相应位置，紫外曝光，最后显影；
3.PDMS芯片的制作：以制作好的硅片模具微模板，来制作PDMS芯片。首先对硅片前处理，用三甲基氯硅烷蒸汽处理三分钟；然后将PDMS预聚物A胶∶B胶＝8∶1，混合脱气，注塑于模具中，80℃热聚合凝固30min，形成3-5mm厚度；
4.芯片处理：将芯片基材切割、修边、打孔后，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片后，洁净气体吹干或者自然晾干；
5.芯片封合：将刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片对齐、压紧、封合在一起，形成毛细管微流控芯片的主体部分；
6.毛细管修饰：剪切一段毛细管，将端口裁平整，用下面方法对毛细管的内壁进行表面修饰。首先用Piranha溶液(H2SO4∶30％H2O2＝3∶1)活化石英玻璃毛细管内壁的羟基；用超纯水清洗毛细管内壁，然后是浓度为1mM的十八烷基三氯硅烷(OTS)试剂(溶解在干燥甲苯中)流过毛细管内壁3h，之后用干燥甲苯、超纯水冲洗毛细管，最后用氮气吹干毛细管内壁，完成毛细管内壁的疏水修饰；
7.芯片组装：将处理过的毛细管插入已制得的毛细管微流控芯片主题部分也即微流控芯片的出口处；将微流体输送微泵通过导管接头和芯片进行连接，组装成用于油包水液滴发生的毛细管微流控芯片。
上述液滴发生毛细管微流控芯片用于油包水液滴发生和收集，效果很好，能够均一可控的制备油包水液滴并且收集到毛细管中，见图2油包水毛细管液滴收集图。
实施例2：
水包油液滴发生毛细管微流控芯片制备步骤为：
1.掩膜的制作：首先用设计软件(AutoCAD)设计和绘制液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道图形，并将图形打印制作成掩膜，利用掩膜制作硅片模具；
2.玻璃基材的清洗：用浓H2SO4/H2O2＝3∶1，浸泡15min，然后分别用无水乙醇、丙酮、超纯水清洗硅片，在加热板上烘干；
3.牺牲层溅射：对清洗过的玻璃基材表面用离子溅射仪溅射145nm厚度铬层；
4.光刻前处理：对铬板玻璃用六甲基二硅氮烷修饰玻璃基材后，倒光刻胶AZ-4620，3000rpm摔胶1min，后进行前烘聚合；放置掩膜、硅片于光刻机相应位置，紫外曝光，最后显影；然后用去铬液清洗未被光刻胶保护的铬层；
5.微结构和微通道腐蚀：用BOE腐蚀液对玻璃基材进行蚀刻，50℃蚀刻20min，得到约20μm深的微结构和微通道；
6.芯片封合：通过对玻璃去胶、去铬、打孔、清洗后，与空白玻璃基材对齐、高温熔融封合；
7.芯片组装：将未处理过的石英毛细管插入已制得的毛细管微流控芯片主题部分也即微流控芯片的出口处；将微流体输送微泵通过导管接头和芯片进行连接，组装成用于水包油液滴发生的毛细管微流控芯片。
Claims (11)
1.一种液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于液滴发生毛细管微流控芯片采用毛细管作为液滴发生与收集的功能单元，由刻有微通道的微流控芯片和毛细管组成，通过进口输入油水两相实现油包水或者水包油液滴的发生，并且直接收集在毛细管中。
2.按权利要求1所述的一种液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征步骤依次如下：
1)用AutoCAD等计算机辅助设计软件设计和绘制液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道图形；
2)通过微加工技术在微流控芯片基材表面加工制备微结构和微通道，包括微区、微槽、微池、微孔和微通道；
3)将芯片基材切割、修边、打孔后，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片后，洁净气体吹干或者自然晾干；
4)将刻有微结构和微通道的芯片和空白芯片对齐、压紧、封合在一起，形成毛细管微流控芯片的主体部分；
5)剪切一段毛细管，将端口裁平整，对毛细管的内壁进行表面修饰；
6)将处理过的毛细管插入已制得的毛细管微流控芯片主题部分也即微流控芯片的出口处；
7)将微流体输送微泵通过导管接头和芯片进行连接，组装成液滴发生的毛细管微流控芯片。
3.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的芯片基材可以是PDMS、PMMA、PC等高分子材质，也可以是玻璃、硅和金属材质。
4.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片上的微结构、微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀，也可用软刻蚀技术等微加工方法在芯片基材表面制备。
5.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道芯片层和空白层的封合技术可以是等离子体处理、热压封合、化学修饰封合，或者混合前述技术封合。
6.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的芯片厚度为1～5mm，边长10～100mm。
7.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道的宽度为5-500μm，深度为5-500μm。
8.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的微结构和微通道的设计可以是简单的两液相T型汇集、十字共聚焦汇集，也可以包含液体混合、反应、微阀、微储存器等复杂功能单元。
9.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的毛细管材质可以是石英毛细管、PTFE毛细管、PE毛细管、硅胶毛细管。
10.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片的毛细管内壁修饰可以是亲水修饰，也可以是疏水修饰。
11.按权利要求1或2所述的液滴发生毛细管微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种液滴发生毛细管微流控芯片能够制备的液滴可以是油包水液滴，也可以是水包油液滴，也可以是油水交替相包的多层液滴。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Sha Jun Document name: Notification of Publication of the Application for Invention |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150415 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |