CN104941706B - 一种光流微流孪生通道芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光流微流孪生通道芯片及其制备方法，属于微流控芯片技术领域。所述光流微流孪生通道芯片包括光流通道层、微流通道层和衬底，光流通道层和微流通道层位于衬底的两侧，光流通道和微流通道宽度一致，形状相同且垂直方向的边缘对齐。本发明所述的孪生通道芯片具有制备工艺简单、成本低、适用性好等优点。本发明的光流微流孪生通道芯片可应用于微流控芯片的小型化以及光流控与微流控集成等领域。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种光流微流孪生通道芯片及其制备方法，可应用于微流控芯片的小型化以及光流控与微流控的集成等领域。
背景技术
近年来，以微流控芯片为代表的微全分析系统，将化学、生物学等领域所涉及的样品制备，以及光学、电学的分析检测等过程，缩微或基本缩微到一块几平方厘米的芯片上进行，由于其低反应物消耗、高度的灵敏性、高效率、高度的安全性及环境友好等优点而被广泛研究。微流控芯片在化学、物理学、生物学及药学等很多领域显示出广泛的应用。随着微流控芯片的发展，人们对微流控芯片的结构和性能有了更高的要求，越来越多的功能性器件被集成到微流控芯片内。光流控芯片技术，是将微流控芯片和光学结合来建立一些高度集成、使用便捷的功能化体系，用于光学微探测和分析。现今，大部分光流控研究集中在将一些微光学元件如微光学透镜、波导、光源等引入到微流控系统中，实现对微纳尺度的物体的探测及物理操纵。很少研究将光流控元件，即通过控制流体调节光学性质的元件同微流控通道集成，这类研究的主要阻碍是缺少一种通用的衬底实现光流控通道与微流控通道的集成。合理的设计和制备一种用于光流控通道与微流控通道集成的衬底具有巨大的优势和应用潜力。
研究内容
本发明的目的是制备一种可用于光流控通道与微流控通道高精度集成的光流微流孪生通道芯片，其特征在于：孪生通道芯片由光流通道层、微流通道层和衬底组成，光流通道层和微流通道层位于衬底的两侧，光流控通道和微流控通道的宽度一致，形状相同且垂直方向的边缘对齐，光流通道和微流通道可以各自独立控制，互不干扰。光流通道和微流通道采用一次紫外曝光方法同时制备而成。本发明所述的孪生通道芯片具有制备工艺简单、成本低、适用性好等优点。
构成光流通道层和微流通道层的材料为光刻胶，所述的光流控通道和微流控通道为直条形通道、T字形通道、十字交叉形通道、圆弧形通道或直角形通道。
一种光流微流孪生通道芯片的制备方法，其特征在于：利用紫外光刻方法制备光流微流孪生通道芯片，且紫外光刻过程为一次曝光过程，其具体步骤如下:
(1)衬底预处理及光刻胶的稀释和旋涂
衬底预处理：将衬底(玻璃、石英等)的双侧表面用丙酮棉球顺向擦拭，擦拭后置于丙酮中超声10～60min，随后使用乙醇棉球顺向擦拭并在乙醇中超声10～60min，最后用去离子水反复冲洗，置于烘箱中80～100℃烘干3～5h；
光刻胶稀释：将光刻胶与稀释溶剂按照质量比2～10：1的比例混合，避光下磁力搅拌10～24h使其充分混合稀释；
光刻胶旋涂：将混合稀释后的光刻胶在5000～10000r/min速度下离心5～10min，去除光刻胶内存在的气泡；以前转300～800r/min，前转时间10～15s，后转650～2000r/min，后转时间30～60s的条件，在衬底的一侧表面上旋涂光刻胶，所得光刻胶膜厚为10～100μm；然后将旋涂有光刻胶的衬底放于悬空的玻璃支架上(如图3所示)，在65～95℃条件下前烘，根据光刻胶膜厚度不同，前烘时间为10～120min，光刻胶膜越厚，前烘时间越长以保证光刻胶膜中溶剂充分挥发，冷却至20～30℃后取下；将衬底翻转，在衬底的另一侧表面重复上述光刻胶旋涂及前烘过程；由于前烘过程溶剂充分挥发，所以在第二次光刻胶旋涂过程不会破坏已经旋涂好的光刻胶膜；衬底两侧的光刻胶层，对应于光流微流孪生通道芯片的光流通道层和微流通道层；
(2)使用图案化的掩模板进行掩模紫外光刻
采用接触式曝光，将图案化的掩模板与衬底的一侧表面压紧，并使光垂直投射于衬底，波长200～400nm，光功率密度为10～20mW·cm-2，曝光时间8～15min，使衬底双侧的光刻胶膜同时曝光，被照射区域光刻胶中的单体光固化或光降解；
(3)后烘显影获得光流微流孪生通道芯片
光刻胶膜紫外曝光后，在65～95℃条件下后烘5～20min，然后冷却至20～30℃，使用显影溶剂进行多次显影；多次显影是将显影溶剂分置于3～5个容器中，将后烘后的样品依次放入第一瓶显影溶液中显影5～8min，取出后放入第二瓶显影溶剂中显影3～5min，再取出后依次放入后续的显影溶液中，显影结束后去除样品表面的显影溶剂，即得到光流微流孪生通道芯片。多次显影可以使制备的通道芯片更为干净，通道内无光刻胶残留。
对于紫外负性光刻胶，掩模图案与需要制备的微通道图案相同，即掩膜板上与微通道区域对应的位置为不透光区域，其他区域透光，透光区域的光刻胶紫外固化而保留，而不透光区域的光刻胶未固化而被显影液除去；对于正性光刻胶，掩模图案与需要制备的微通道图案相反，即掩模板上微通道区域对应的位置为透光区域，其他区域不透光，透光区域的光刻胶紫外光照后发生化学反应，溶于显影液而被除去，不透光区域的光刻胶未曝光而保留。
其中，步骤(1)所述光刻胶为紫外负性光刻胶，如NOA61(Norland OptiCalAdhesive)、NOA63、SU-8系列环氧型紫外负性光刻胶；或紫外正性光刻胶，如BP-212、S1805等。所述稀释溶剂为丙酮、环戊酮或光刻胶配套稀释剂。所述的衬底是玻璃或石英，厚度小于1mm。通过控制光刻胶的稀释比和旋涂匀胶的转速可以控制光流通道和微流通道的深度。
进一步地，步骤(2)中所述的掩模板为菲林板或铬板，掩模板图案的最小宽度为20μm，可以根据需要设计更大宽度的微通道图案，增加宽度不会增加制备难度。所述的图案化的掩模板式利用Auto CAD软件设计和绘制光流微流孪生通道芯片微通道图形用于制备掩模板。
更进一步地，步骤(3)所述的显影溶剂为丙酮、四氢吠喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇或与光刻胶配套的显影剂。所述去除样品表面显影溶剂可以将样品浸入水、乙醇或异丙醇中将样品表面残留的显影溶剂去除。
在本发明的实施方式中，进行了光流微流孪生通道芯片的流体测试。向光流通道内和微流通道内分别注入1～20mg/mL的含有荧光染料的溶液，为了更直观清楚的观察，对孪生通道芯片截面进行观察，使用波长300～550nm激光激发，荧光染料发出荧光，光流通道和微流通道可以独立控制，互不干扰。
所述荧光染料为罗丹明B，罗丹明6G、亚甲基蓝、香豆素等，所述含有荧光染料的溶液为水、乙醇、乙二醇、丙酮、甲苯等。
所述光流微流孪生通道芯片，可以借助逐点扫描的激光直写加工系统，在光流通道内制备光学性质可调谐的微光学元件(申请号CN200910066918.5)，通过改变光流通道内流体的种类或浓度，调节微光学元件的焦距等光学性质，对微流通道内进行探测，实现光流控与微流控的集成。
所述逐点扫描的激光直写加工系统，包括激光器、光路调节元件、转镜、样品台、软件控制系统、照明系统和实时检测系统。
所述激光器为飞秒脉冲激光器，波长范围是200～2600nm，脉冲宽度范围是10fs～900fs，重复频率范围是IHz～1GHz。
所述光学性质可调谐的微光学元件为微光源、微透镜、波导、菲涅尔波带片等。所述微光学元件材料为刺激响应聚合物，如聚乙二醇二丙烯酸酯、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸羟乙酯等水凝胶材料，牛血清白蛋白等蛋白质材料，聚甲基丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷等其他溶剂响应聚合物。
附图说明
图1为本发明提供的光流微流孪生通道芯片的截面结构示意图，其中1为光流通道，2为微流通道，3为光流微流孪生通道层，4为衬底，5为封装用PDMS薄膜。
图2为本发明提供的光流微流孪生通道芯片的制备过程示意图。
图3为聚合物材料旋涂成膜后置于玻璃支架上进行前烘示意图(各部件名称：衬底4、光刻胶6、玻璃支架7)。
图4为实施例1制备的光流微流孪生通道芯片截面的SEM照片。
图5为实施例2制备的不同通道深度的光流微流孪生通道芯片截面的SEM照片。
图6为实施例3制备的不同通道宽度的光流微流孪生通道芯片的SEM照片。
图7为为实施例4所述“T”字形光流微流孪生通道芯片流体测试光学显微镜照片。
图8为为实施例4所述孪生通道芯片流体测试的截面光学显微镜照片和荧光显微镜照片。
图9为为实施例5所述在光流通道内集成水凝胶微透镜的SEM照片及微透镜光学性质测试照片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：制备光流微流孪生通道芯片，制备流程如图2所示。
(1)衬底预处理及聚合物材料的稀释和旋涂
衬底预处理：衬底选用厚度约为170μm的玻璃衬底，双侧表面都用丙酮棉球顺向擦拭，擦拭后置于丙酮中超声30min，随后使用乙醇棉球顺向擦拭并在乙醇中超声30min，最后用去离子水反复冲洗，置于烘箱中95℃烘干5h备用。
光刻胶稀释：选用MicroChem公司生产的SU-82050环氧型紫外负性光刻胶，与环戊酮溶液按照质量比2：1进行混合，加入磁力搅拌子，避光磁力搅拌24h使其充分混合稀释。
光刻胶旋涂：将混合稀释好的SU-8负性光刻胶放入离心管中，用离心机以5000r/min速度离心5min，去除光刻胶内存在的气泡。用匀胶机以前转300r/min，前转时间10s，后转650r/min，后转时间60s在玻璃衬底上旋涂SU-8负性光刻胶，所得膜厚约为15μm。将旋涂有光刻胶的衬底放于悬空的玻璃支架上(如图3所示)，置于95℃热台前烘15min使溶剂充分挥发，并自然冷却至20℃后取下。将衬底翻转，重复上述光刻胶旋涂及前烘过程。由于前烘过程溶剂充分挥发，所以在第二次光刻胶旋涂过程不会破坏已经旋涂好的光刻胶膜。
(2)使用图案化的掩模板进行掩模紫外光刻。曝光过程使用的掩模板为通道宽100μm的菲林板，得到的光流控通道和微流控通道为直条形通道。SU-8光刻胶为负性光刻胶，掩模板的图案与显影后的图案相同，设计掩模板过程中微通道区域为不透光区域，其他区域透光。使用接触式曝光紫外光刻机，将菲林掩模板与光刻胶膜压紧后，通过调平使光垂直投射，光功率密度为15mW·cm-2，曝光时间10min，紫外光穿过玻璃衬底，使衬底两侧光刻胶膜同时曝光，被照射区域光刻胶中的单体发生光交联反应固化。
(3)后烘显影获得光流微流孪生通道芯片
SU-8光刻胶紫外曝光后，置于95℃热台上后烘15min进一步交联，冷却至20℃后，使用SU-8显影液进行显影，掩模区域未曝光溶除形成微通道。显影过程中将SU-8显影液分成三份置于称量瓶中，分别记为1、2、3号，将后烘之后的样品按顺序置于1、2、3号显影液中5min、5min、2min，显影过程用镊子夹住样品不停晃动保证显影充分，显影结束后将样品放入异丙醇去除显影液。显影后得到的光流微流孪生通道芯片截面的SEM图片如图4所示，孪生通道芯片形貌良好，边界清晰，通道内无光刻胶残留，通道壁垂直于衬底。衬底两侧的光流通道和微流通道为同一次紫外光刻过程制备，经测量，上侧光流通道和下侧微流通道宽分别为99.3μm和97.9μm，上下通道不匹配宽度为1.4μm，尺寸基本完全一致，在垂直方向上上下对齐，且与设计通道尺寸误差均小于3％，图形尺寸准确。
实施例2：不同通道深度光流微流孪生通道芯片的制备
(1)衬底预处理及聚合物材料的稀释和旋涂过程同实施例1。
光刻胶稀释：将SU-82050光刻胶与环戊酮溶液按照质量比为5:1和10:1进行混合，加入磁力搅拌子，避光磁力搅拌24h使其充分混合稀释。
光刻胶旋涂具体步骤同实施例1，但在用匀胶机旋涂过程中，对于按照质量比5:1稀释的光刻胶，选择转速为前转500r/min，前转时间15s，后转650r/min，后转时间1min，所得光刻胶膜厚约为33μm。将涂好光刻胶的样品置于95℃烘箱中前烘80min使溶剂充分挥发；按照质量比10:1稀释的光刻胶，选择转速为前转500r/min，前转时间15s，后转1000r/min，后转时间1min，所得光刻胶膜厚约为45μm，95℃烘箱中前烘120min使溶剂充分挥发。
(2)使用图案化的掩模板进行掩模紫外光刻，同实施例1。
(3)后烘显影获得光流微流孪生通道芯片，同实施例1。
制备得到的通道深度为33μm和45μm的光流微流孪生通道芯片截面的SEM图片如图5(a)和图5(b)所示，可以看到制备的不同深度的光流微流孪生通道芯片的通道尺寸准确，与设计尺寸误差小于3％，光流微流通道通道壁垂直且干净，上下通道垂直方向对齐，通道宽度一致。
实施例3：不同通道宽度光流微流孪生通道芯片的制备
(1)衬底预处理及光刻胶的稀释和旋涂同实施例1。
(2)使用图案化的掩模板进行掩模紫外光刻
具体步骤同实施例1。通过Auto CAD软件设计宽度为200μm的十字交叉形通道，宽度为100μm的圆弧形通道，宽度为50μm的直角形通道后制备菲林掩模板，用于掩模光刻。
(3)后烘显影获得光流微流孪生通道芯片
同实施例1。制备的光流微流孪生通道芯片SEM照片如图6所示。图6中(a)、(b)、(c)分别为宽度200μm的十字交叉通道、100μm的圆弧形通道和50μm的直角通道，通道的宽度与设计尺寸基本一致，不同宽度下的通道边界清晰，形状完整，通道内干净，无光刻胶残留，同设计图案相符合。使用此方法制备的孪生通道芯片衬底两侧通道形貌一致。
实施例4：光流微流孪生通道芯片的流体测试
所述位于衬底两侧垂直方向对齐的光流通道和微流通道可以独立控制，不同的化学或生物学反应可以在两个通道中同时独立进行，互不干扰。
(1)光流微流孪生通道芯片的制备过程同实施例1。
(2)光流微流孪生通道芯片的流体测试。
使用宽度为100μm，深度为40μm的“T”字形光流微流孪生通道芯片进行流体测试，光学显微镜照片如图7所示。图7(a)为空的孪生通道芯片俯视照片。通过毛细力将2mg/mL罗丹明B的乙二醇溶液注入衬底上侧的光流通道中，可以看到通道部分呈现罗丹明B本身的粉红色，如(b)图所示。当通过毛细力将10mg/mL亚甲基蓝的乙二醇溶液注入衬底下侧的微流通道中，可以看到通道部分充满亚甲基蓝溶液而呈现蓝色，如(c)图所示。当同时将罗丹明B溶液和亚甲基蓝溶液分别注入到衬底两侧的光流通道和微流通道中时，上下两侧通道形貌一致，俯视图中上下两层通道重叠，粉色和蓝色同时存在，观察到通道部分呈现紫色，如(d)图所示。
为了使光流微流孪生通道芯片的流体测试结果更加直观清楚，孪生通道芯片流体测试的截面光学显微镜照片和荧光显微镜照片如图8所示。图8(a)和(e)为空的孪生通道芯片截面，可以看到光流通道和微流通道等宽且垂直方向对齐，通道内无溶液。通过毛细力将2mg/mL罗丹明B的乙二醇溶液分布注入上侧光流通道、下侧微流通道、同时注入衬底两侧的光流微流孪生通道时，光学显微镜照片可以观察到相应的通道位置为黑色，表示通道内充满了溶液，如图8(b)、(c)、(d)所示。使用405nm紫外光激发时，以上三种情况的荧光显微镜照片如图8(f)、(g)、(h)所示，光流微流通道壁呈现蓝色，通道内罗丹明B溶液被激发，可以观察到明亮的红色荧光。
实施例5：光流微流孪生通道芯片内水凝胶微透镜的集成
(1)光流微流孪生通道芯片的制备同实施例1。
(2)水凝胶微透镜制备
为了实现光流通道内微光学元件的调谐，选取对外界环境刺激有响应会发生体积变化的水凝胶材料，采用逐点扫描的飞秒激光直写加工方法，在光流通道内加工制备了水凝胶微透镜结构。
飞秒激光直写加工系统，重复频率80MHz，脉冲宽度120fs，中心波长780nm，使用对周围环境Cl-有响应的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶(PEG-DA)作为单体材料，每100μL的PEG-DA加入30μL亚甲基蓝的水溶液(3mg/mL)作为光敏剂，采用飞秒激光逐点扫描的方式，激光平均功率密度为4.5mW·μm-2，扫描点线面间距均为100nm，加工结束后将样品用去离子水冲洗3次，制备的半径为10μm，高5μm的双曲线型水凝胶微透镜的SEM照片如图9(a)所示，制备的水凝胶微透镜表面粗糙度小，可以用于光学应用。
(3)光流通道内水凝胶微透镜的成像测试。
为了进一步测试制备的水凝胶微透镜的成像性质及孪生通道芯片的应用，我们在光流通道内制备了水凝胶微透镜，具体条件同步骤(2)。集成入光流通道内的水凝胶微透镜的SEM照片如图9(b)所示。在微流通道内通入分散有半径5μm的聚苯乙烯微球的水溶液和半径为15～20μm的人脐静脉内皮细胞悬浮液，图9(c)、(d)分别为通过光流通道内的水凝胶微透镜观察微流通道内的粒子所成的像的显微镜照片，可以看到粒子成像清晰。图9(e)为集成入孪生通道芯片内的微透镜聚焦成像的示意图。光照射微流通道内的粒子，通过光流通道内的水凝胶微透镜聚焦，可以得到粒子的像。
(4)光流通道内水凝胶微透镜的调谐测试。
由于水凝胶材料的刺激响应特性，水凝胶微透镜在外界刺激下有光学可调谐性。PEG-DA材料对周围环境中的Cl-浓度有一定响应，配制CaCl2饱和水溶液和2mg/mL的三甲基十六烷基溴化铵的乙醇溶液，将两种溶液按体积比混合用于水凝胶微透镜的调谐。当将PEG-DA微透镜置于配制的溶液中时，水凝胶微透镜发生膨胀，微透镜焦距变化。我们测试了PEG-DA微透镜在空气及体积比为0～40％的CaCl2饱和水溶液的混合溶液中的焦距变化，得到的焦距变化曲线如图9(f)所示。半径为20μm、高8μm的水凝胶微透镜，在空气中的焦距为80μm，光流通道内通入的混合溶液中CaCl2饱和水溶液体积比从0上升到40％，水凝胶微透镜焦距从278μm增大到436μm，说明水凝胶微透镜具有很好的动态调谐特性。通过向光流通道内通入不同体积比的CaCl2饱和水溶液的混合溶液，可以调节水凝胶微透镜的焦距，对距离微透镜不同距离的物体成像。
Claims (9)
1.一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：孪生通道芯片由光流通道层、微流通道层和玻璃衬底组成，光流通道层和微流通道层位于玻璃衬底的两侧，光流控通道和微流控通道的宽度一致，形状相同且垂直方向的边缘对齐。
2.如权利要求1所述的一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：构成光流通道层和微流通道层的材料为光刻胶。
3.如权利要求2所述的一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：光刻胶为紫外负性光刻胶或紫外正性光刻胶。
4.如权利要求1所述的一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：在光流通道内制备光学性质可调谐的微光学元件，通过改变光流通道内流体的种类或浓度调节微光学元件的光学性质，对微流通道内进行探测，从而实现光流控与微流控的集成。
5.如权利要求4所述的一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：微光学元件为微光源、微透镜、波导或菲涅尔波带片；微光学元件的材料为聚乙二醇二丙烯酸酯、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸羟乙酯、牛血清白蛋白、聚甲基丙烯酸丁酯或聚二甲基硅氧烷。
6.如权利要求1所述的一种光流微流孪生通道芯片，其特征在于：光流控通道和微流控通道为直条形通道、T字形通道、十字交叉形通道、圆弧形通道或直角形通道。
7.权利要求1所述的一种光流微流孪生通道芯片的制备方法，其步骤如下：
(1)衬底预处理：将衬底的双侧表面用丙酮棉球顺向擦拭，擦拭后置于丙酮中超声10～60min，随后使用乙醇棉球顺向擦拭并在乙醇中超声10～60min，最后用去离子水反复冲洗，置于烘箱中80～100℃烘干3～5h；
(2)光刻胶稀释：将光刻胶与稀释溶剂按照质量比2～10：1的比例混合，避光下磁力搅拌10～24h使其充分混合稀释；
(3)光刻胶旋涂：将混合稀释后的光刻胶在5000～10000r/min速度下离心5～10min，去除光刻胶内存在的气泡；以前转300～800r/min，前转时间10～15s，后转650～2000r/min，后转时间30～60s的条件，在衬底的一侧表面上旋涂光刻胶，所得光刻胶膜厚为10～100μm；然后将旋涂有光刻胶的衬底放于悬空的玻璃支架上，在65～95℃条件下前烘，前烘时间为10～120min，冷却至20～30℃后取下；将衬底翻转，在衬底的另一侧表面重复上述光刻胶旋涂及前烘过程；
(4)使用图案化的掩模板进行掩模紫外光刻：采用接触式曝光，将图案化的掩模板与衬底的一侧表面压紧，并使光垂直投射于衬底，波长200～400nm，光功率密度为10～20mW·cm-2，曝光时间8～15min，使衬底双侧的光刻胶膜同时曝光，被照射区域光刻胶中的单体光固化或光降解；
(5)后烘显影获得光流微流孪生通道芯片：光刻胶膜紫外曝光后，在65～95℃条件下后烘5～20min，然后冷却至20～30℃，使用显影溶剂进行多次显影；多次显影是将显影溶剂分置于3～5个容器中，将后烘后的样品依次放入第一瓶显影溶剂中显影5～8min，取出后放入第二瓶显影溶剂中显影3～5min，再取出后依次放入后续的显影溶剂中，显影结束后去除样品表面的显影溶剂，即得到光流微流孪生通道芯片。
8.如权利要求7所述的一种光流微流孪生通道芯片的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的显影溶剂为丙酮、四氢吠喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇或与光刻胶配套的显影剂。
9.如权利要求7所述的一种光流微流孪生通道芯片的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的去除样品表面的显影溶剂是将样品浸入水、乙醇或异丙醇中，从而将样品表面残留的显影溶剂去除。
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