CN104998702A - 一种基于液体模塑法的pdms微流控芯片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法。包括以下步骤：采用液滴微喷射法制备PDMS微流控芯片液体阳模；采用模塑法制备PDMS微流控芯片负模；将PDMS微流控芯片负模与玻璃基底采用键合工艺键合在一起，即制得PDMS微流控芯片。本发明的PDMS微流控芯片液体阳模的制备过程只需一步，成本低廉，无需特定模板，且可制备任意图形的PDMS微流控芯片液体阳模。

Description

一种基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片的制备方法，特别是一种基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，属于微流控芯片领域。

背景技术

微流控芯片又称为芯片实验室，是微全分析系统的重要分支，通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能器件像集成电路一样集成在一块几平方厘米的芯片材料(基片)上，进而制作各种微流控功能器件，如微泵、微阀、微反应器、微过滤器等，用于控制流体运动，以实现一定的生物化学分析功能。

目前用于微流控芯片加工的材料主要包括单晶硅片、玻璃、石英和各种有机聚合物等，硅具有良好的化学惰性和热稳定性，但却存在着易碎、价格偏高、不透光等缺点，因此在微流控芯片的应用中受到限制；玻璃和石英材料虽然具有很好的电渗性质和光学性质，可采用标准的蚀刻工艺加工，但加工成本较高，封接难度较大。近年来，PDMS等聚合物材料因其具有成本低，化学性质稳定，加入固化剂后易制得具有模具结构的微流道，同时便于加工和封装，正逐渐成为应用最广泛的聚合物材料。

20世纪90年代末产生了一种新的微图形复制技术，该技术用弹性模代替了光刻中使用的硬模产生微形状和微结构，被称为软光刻技术，后来，软光刻泛指非传统光刻工艺制作阳模的工艺。软光刻工艺是一类将为图形转印到一个基底表面上的工艺集合，软光刻的关键是制备弹性模印章，但这种工艺十分依赖光刻类微加工，要获得所需的微通道，需要首先利用光刻工艺构建出相应图形的阳模或模板，通过浇铸可固化的聚合物，或者通过热压膜或压纹工艺，使该聚合物的表面图形化。软光刻技术制备PDMS微流控芯片阳模的方法主要包括：精密机械加工法、掩模光刻法、激光直接成型法、光刻掩模液膜法、打印掩模液模法、固体印刷法、石墨打印法、打印收缩法、刻蚀铜板模具法、石蜡打印法。但是这些方法仍有许多局限性，存在着制备过程繁琐、设备成本高等问题。例如精密机械加工法需要昂贵的精密加工设备，同时转印过程中高聚物与铝材结合面容易变形；激光直接成型法需要昂贵的飞秒激光器，并且难以实现大面积的PDMS微结构制作；以石墨打印法制备PDMS阳模的方法中存在着微流道边缘与表面较粗糙的缺点。

发明内容

鉴于现有微流控芯片制备方法具有制备过程复杂，设备要求高、成本高，流道表面不光滑等等缺点，本发明的目的是提供一种简单、流道表面光滑和具有低深宽比的PDMS微流控芯片制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，采用液滴微喷射技术制备PDMS微流控芯片所需液体阳模，采用液滴微喷射法将甘油水溶液按所需阳模形状微喷射到盖玻片基底表面的亲水涂层上，形成PDMS微流控芯片所需的液体阳模，然后将PDMS液体沉积到微流控芯片阳模上，固化处理后，将固化的PDMS弹性体与盖玻片分离，得到PDMS微流控芯片负模，经过打孔、清洗工艺后将PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

具体包括以下步骤：

第1步、盖玻片基底亲水涂层的制备

1.1对盖玻片基底进行洁净处理；

1.2在洁净处理的盖玻片基底表面制备亲水涂层；

第2步、PDMS微流控芯片液体阳模的制备

2.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

2.2驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将甘油水溶液按所需阳模形状微喷射到盖玻片基底表面的亲水涂层上，从而制得PDMS微流控芯片液体阳模；

第3步、PDMS微流控芯片的制备

3.1向制得的PDMS微流控芯片液体阳模上均匀、缓慢沉积PDMS液体，待PDMS液体没过PDMS微流控芯片液体阳模后进行固化处理，得到PDMS微流控芯片负模，将其从盖玻片基底表面揭下，并清除负模内残余的甘油水溶液，然后对PDMS微流控芯片负模进行打孔，从而得到PDMS微流控芯片的进出液口；

3.2将打孔后的PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

其中，1.1步中，所述的盖玻片基底分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

1.2步中，所述的亲水涂层采用二氧化钛溶液进行制备，二氧化钛的浓度为0.2w％～0.02w％。

2.1步中，所述的内构双锥形玻璃微喷嘴毛细管外径为1mm，内径为600μm，微喷嘴出口内径为60～120μm。

2.2步中，所述的甘油水溶液的质量浓度为30v％。

2.2步中，微喷射工艺通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现，其中，液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为2Hz，驱动电压幅值变化范围为20～80V；三维工作台运动参数包括液滴的重叠率、工作台运动图形，液滴的重叠率变化范围为30％～70％。

3.1步中，所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按5:1质量比均匀混合得到，固化处理的温度为60℃，时间为10h。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明采用提拉法在二氧化钛水溶液中制备盖玻片基底亲水涂层，制备的亲水涂层分布均匀，亲水性能优良。亲水涂层制备过程简单、快速，制备成本低廉。

(2)本发明的PDMS微流控芯片液体阳模制备过程只需一步，成本低廉，无需特定的模版，且可制备任意图形的PDMS微流控芯片液体阳模。

(2)本发明采用甘油水溶液作为PDMS微流控芯片阳模制备材料，将甘油水溶液按需微喷射到洁净的盖玻片基底上，甘油水溶液在液体表面张力的影响下形成PDMS微流控芯片阳模。采用甘油水溶液可制作具有低深宽比且微流道形貌光滑的PDMS微流控芯片。

附图说明

图1是本发明第一步中PDMS微流控芯片液体阳模的液滴微喷射制备系统示意图。

图2是本发明第二步中PDMS微流控芯片制备过程示意图。

1微喷嘴调节架；2第一连接件；3压电致动器；4内构双锥形玻璃微喷嘴夹持器；5第二连接件；6内构双锥形玻璃微喷嘴；7甘油水溶液；8数码显微镜；9二维工作台；10盖玻片基底；11亲水涂层；12PDMS微流控芯片液体阳模；13PDMS弹性体；14PDMS微流控芯片负模；15PDMS微流控芯片进出液口；16PDMS微流控芯片玻璃基底

具体实施方式

本发明中，液滴微喷射是通过以脉冲惯性力为主动力，克服内构双锥形玻璃微喷嘴(参见博士论文《数字化液滴微喷射技术及其在印制电子中的应用研究》)内液体的粘性力实现的。所述的脉冲惯性力可用多种方式产生，由于压电器件具有电压-位移动态响应好、响应频率高等特点，可作为整体驱动器置于微喷嘴外部产生脉冲惯性力，故本发明脉冲惯性力由压电致动器提供。图1所示为液滴微喷射制备系统示意图，首先将压电致动器3和所需内构双锥形玻璃微喷嘴6由第一连接件2、第二连接件5连接到微喷嘴调节架1上，通过调节架1改变内构双锥形玻璃微喷嘴6与盖玻片基底10的距离。调节数码显微镜8的放大倍数和焦距，使得内构双锥形玻璃微喷嘴6和盖玻片基底10可以清晰的在计算机屏幕上显示出来。图2所示为PDMS微流控芯片制备过程示意图，首先采用提拉法在洁净的盖玻片基底10上制备亲水涂层11。然后采用液滴微喷射技术在亲水涂层11上制备出PDMS微流控芯片液体阳模12。随后在PDMS液体阳模12上缓慢、均匀沉积PDMS弹性体13，待PDMS弹性体13固化处理后，将其从盖玻片上揭下，得到PDMS微流控芯片负模14，并采用微打孔工艺打出PDMS微流控芯片进出液口15。最后将得到的PDMS微流控芯片负模14与玻璃基底16进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

所述的内构双锥形玻璃微喷嘴6采用玻璃冷热加工工艺制得，首先采用激光微针/微电极拉制仪(Sutter P-97/P-2000，美国Sutter)将毛坯外径为1.0mm、内径为0.6mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉断成微针，然后采用锻针仪(MF-900，日本Narishige)将微针在合适的尺寸位置截断并将出口锻制成内构双锥形，最后制备的出口内径可变范围为60～120μm；内构双锥形玻璃微喷嘴具有较好的液滴微喷射能力，较平口等微喷嘴能够微喷射出更大粘度的溶液。

实施例1

PDMS微流控芯片的制备

步骤1盖玻片基底10的洁净处理：将PET薄膜放入烧杯中，倒入适量的浓硫酸，放在加热炉上加热10分钟，然后取出冷却10分钟，再用去离子水冲洗PET薄膜表面残余的浓硫酸。用棉球擦干后放入含有丙酮的烧杯中，再将烧杯放入超声波清洗仪中震荡10分钟，取出后用去离子水冲洗干净，并用氮气将其表面水分吹干，如图2a所示。

步骤2盖玻片基底表面亲水涂层11的制备：首先配置浓度为0.02w％的二氧化钛亲水溶液，然后将洁净处理好的盖玻片基底放入亲水溶液中，采用提拉法将盖玻片基底从亲水溶液中取出，放入小烧杯中。接着将小烧杯放入恒温干燥箱中，以120℃加热20分钟。最后取出，即可得到制备有亲水涂层的盖玻片基底，如图2b所示。

步骤3内构双锥形玻璃微喷嘴6的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为60μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

步骤4配制甘油体积分数为30％的甘油水溶液，利用毛细现象原理将甘油水溶液装入内构双锥形玻璃微喷嘴6。

步骤5设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为2Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为30％，工作台9的运动图形选择微流控芯片的双T型图案。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴6，将甘油水溶液微喷射到亲水涂层11上，即可制得PDMS微流控芯片液体阳模12，如图1,2c所示。

步骤6取DC184SYLGARD PDMS弹性体与固化剂(PDMS弹性体专用固化剂)按质量比5:1比例混合，在磁力搅拌器上搅拌20分钟，将混合均匀的PDMS液体至于恒温真空干燥箱内抽真空，去除液体中的气泡。

步骤7将抽真空后的PDMS液体缓慢、均匀地沉积到PDMS微流控芯片液体阳模12上，如图2d所示。接着将其置于恒温真空干燥箱内以60℃下加热10小时进行固化处理，然后将固化后的PDMS从盖玻片表面揭下，得到PDMS微流控芯片负模14。

步骤8对玻璃基底16进行洁净处理，处理方法与实施例1中步骤2相同。

步骤9对微流控芯片负模进行打孔，得到用于和管道接头的PDMS微流控芯片进出液口15，如图2e所示。采用永久键合法对PDMS微流控芯片负模14与玻璃基底16进行键合，如图2f所示。采用液体模塑法制备的PDMS微流控芯片具有光滑的流道表面，微流控芯片微流道深度为9μm，宽为100μm，深宽比为0.09，微流道表面粗糙度为179nm。

实施例2

PDMS微流控芯片的制备，具体步骤如下：

步骤1与实施例1所述步骤1相同

步骤2盖玻片基底表面亲水涂层11的制备：首先配置浓度为0.2w％的二氧化钛亲水溶液，然后将洁净处理好的盖玻片基底放入亲水溶液中，采用提拉法将盖玻片基底从亲水溶液中取出，放入小烧杯中。接着将小烧杯放入恒温干燥箱中，以120℃加热20分钟。最后取出，即可得到制备有亲水涂层的盖玻片基底，如图2b所示。

步骤3、4、5、6、7、8、9与实施例1所述步骤3、4、5、6、7、8、9相同。制备的PDMS微流控芯片具有光滑的流道表面，微流控芯片微流道深度为8μm，宽为160μm，深宽比为0.05，微流道表面粗糙度为195nm。

实施例3

PDMS微流控芯片的制备，具体步骤如下：

步骤1、2与实施例1所述步骤1、2相同。

步骤3内构双锥形玻璃微喷嘴6的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为120μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

步骤4、5、6、7、8、9与实施例1所述步骤4、5、6、7、8、9相同。制备的PDMS微流控芯片具有光滑的流道表面，微流控芯片微流道深度为20μm，宽为220μm，深宽比为0.09，微流道表面粗糙度为203nm。

实施例4

PDMS微流控芯片的制备，具体步骤如下：

步骤1、2、3、4与实施例3所述步骤1、2、3、4相同。

步骤5设置压电致动器3的驱动电压幅值为60V，驱动频率为2Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为50％，工作台9的运动图形选择微流控芯片的双T型图案。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴6，将甘油水溶液微喷射到亲水涂层11上，即可制得PDMS微流控芯片液体阳模12，如图1,2c所示。

步骤6、7、8、9与实施例3所述步骤6、7、8、9相同。制备的PDMS微流控芯片具有光滑的流道表面，微流控芯片微流道深度为26μm，宽为300μm，深宽比为0.09，微流道表面粗糙度为161nm。

具体实施过程中，PDMS微流控芯片的宽度和深度以及微流控芯片微流道结构图形可由PDMS微流控芯片液体阳模决定。

Claims (7)

1.一种基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步、盖玻片基底亲水涂层的制备

1.1对盖玻片基底进行洁净处理；

1.2在洁净处理的盖玻片基底表面制备亲水涂层；

第2步、PDMS微流控芯片液体阳模的制备

2.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

2.2驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将甘油水溶液按所需阳模形状微喷射到盖玻片基底表面的亲水涂层上，从而制得PDMS微流控芯片液体阳模；

第3步、PDMS微流控芯片的制备

3.1向制得的PDMS微流控芯片液体阳模上均匀、缓慢沉积PDMS液体，待PDMS液体没过PDMS微流控芯片液体阳模后进行固化处理，得到PDMS微流控芯片负模，将其从盖玻片基底表面揭下，并清除负模内残余的甘油水溶液，然后对PDMS微流控芯片负模进行打孔，从而得到PDMS微流控芯片的进出液口；

3.2将打孔后的PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

2.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，1.1步中，所述的盖玻片基底分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

3.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，1.2步中，所述的亲水涂层采用二氧化钛溶液进行制备，二氧化钛的浓度为0.2w％～0.02w％。

4.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，2.1步中，所述的内构双锥形玻璃微喷嘴毛细管外径为1mm，内径为600μm，微喷嘴出口内径为60～120μm。

5.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，2.2步中，所述的甘油水溶液的质量浓度为30v％。

6.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，2.2步中，微喷射工艺通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现，其中，液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为2Hz，驱动电压幅值变化范围为20～80V；三维工作台运动参数包括液滴的重叠率、工作台运动图形，液滴的重叠率变化范围为30％～70％。

7.如权利要求1所述的基于液体模塑法的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，3.1步中，所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按5:1质量比均匀混合得到，固化处理的温度为60℃，时间为10h。