CN105363377B

CN105363377B - 一种微流体混合工艺及混合装置

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Publication number: CN105363377B
Application number: CN201510924997.4A
Authority: CN
Inventors: 刘凤丽; 郝永平
Original assignee: Shenyang Ligong University
Current assignee: Shenyang Ligong University
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: CN105363377A

Abstract

一种微流体混合工艺及混合装置，属于微流体技术领域。采用磁性复合UVPDMS材料快速加工出垂直于载玻片上的混合器，然后利用键合工艺将混合器倒置于微流控芯片的反应腔内，形成整体混合微流控芯片，采用电磁铁驱动整体混合微流控芯片实现微流体混合。本发明采用单独加工混合器的方法，利用键合技术将其倒置于微流控芯片反应腔之上，实现从上至下的液体混合。单独加工微混合器不受反应腔内尺寸的限制，简化了工艺流程，键合技术也较为成熟和简单，成本得到降低。

Description

一种微流体混合工艺及混合装置

技术领域

本发明属于微流体技术领域，特别是涉及一种微流体混合工艺及混合装置。

背景技术

现有的微流控芯片反应腔内的主动式混合器都是立于腔底，从下至上混合液体。现有的工艺方法有的是采用在反应腔底扎孔填充材料，但该方法容易产生液体的泄露；或采用光刻技术，在加工微流控芯片的同时,在反应腔底部直接加工出微米级混合器，但由于尺寸的限制该方法较难实现。常规的PDMS材料在常温下需要48小时才能固化，UVPDMS材料可以实现短时间内固化。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种微流体混合工艺及混合装置，它在单独加工微混合器时，不受反应腔内尺寸的限制，简化了工艺流程，利用UVPDMS在紫外光照射下能够迅速固化的特点，在较短时间内能够加工出长度为3-5mm，直径为φ520μm-φ820μm的纤毛混合器,缩短了加工的时间，降低了制作成本；在微流控芯片的反应腔内能够实现从上至下的液体混合。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种微流体混合工艺，采用磁性UVPDMS材料加工垂直于载玻片上的纤毛混合器，然后利用键合工艺将混合器倒置于微流控芯片的反应腔内，形成整体混合微流控芯片，采用电磁铁驱动整体混合微流控芯片实现微流体混合；所述混合器的制作工艺，包括如下步骤：

(1)在载玻片上固定牺牲层沉积腔，将蜡加热融化后沉积在沉积腔内构成牺牲层；

(2)在蜡尚未完全硬化前，采用螺口塑钢针头在牺牲层扎1个直径为φ520μm-φ820μm的通孔；

(3)将UVPDMS材料和微米级铁粉充分混合后装入医用注射器针管内，并在注射器末端安装比通孔直径小的外径为φ420μm-φ720μm的螺口塑钢针头；

(4)检测材料是否顺畅挤出：若不能流畅挤出，检测材料是否混合均匀或者针头是否有堵塞的现象，再次重新调匀材料或调整针头直至材料能从针头顺畅挤出；

(5)在挤出测试结束后，牺牲层固定在载玻片上，将针管固定在具有升降功能的升降台上；通过遮光板遮挡针管和针头部位，露出针头末端到牺牲层之间部分，反应腔斜上方放置紫外光源，采用微泵将注射器内的复合材料注入通孔，每次挤出0.5mm的高度后提升针管停顿5-10分钟，使挤出的材料在紫外光的照射下产生固化；

(6)材料固化结束后，降低针管重新将针头探入通孔重复挤出、曝光、停顿的过程，直至填充满整个通孔，去除牺牲层后即得到垂直立于载玻片上的混合器。

进一步地，所述牺牲层沉积腔面积为6x6mm，厚度为3-5mm，所述牺牲层的厚度为3-5mm。

进一步地，所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉采用直径小于5μm的微米级铁粉，铁粉掺杂量占总的混合物比重为35％w/w-45％w/w。

进一步地，所述键合工艺是采用键合机将载有混合器的载玻片倒置并键合于微流控芯片的顶部，混合器置于微流控芯片的反应腔内。

本发明用于微流体混合工艺的混合装置，包括微流控芯片、电磁铁、载玻片及混合器，所述混合器为磁性复合UVPDMS材料制成的固定在载玻片上的1个柱形结构，带有混合器的载玻片倒置于微流控芯片上方，键合于微流控芯片顶部，载玻片上的混合器置于微流控芯片的反应腔内，形成整体混合微流控芯片，整体混合微流控芯片置于电磁铁顶部边缘。

进一步地，所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂量占总的混合物比重为35％w/w-45％w/w。

本发明的有益效果为：

本发明采用单独加工混合器的方法，利用UVPDMS材料固化时间短的特点，在短时间内能够快速加工出长度为3-5mm，直径为φ520μm-φ820μm的纤毛混合器，利用键合技术将其倒置于微流控芯片反应腔之内，实现从上至下的液体混合。单独加工微混合器不受反应腔内尺寸的限制，简化了工艺流程，键合技术也较为成熟和简单，整个工艺得到简化。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；其中(a1)为沉积牺牲层，(a2)为(a1)的俯视图；(b1)为穿完通孔的牺牲层；(b2)为(b1)的俯视图；(c)为UVPDMS材料沉积填充通孔并在紫外光照射下固化；(d)为UVPDMS材料充满通孔并固定在载玻片上；(e)为去除牺牲层后形成的混合器。

图2为本发明中整体混合微流控芯片键合过程示意图。

图3为本发明中驱动电磁铁连接示意图。

图4为本发明中混合器在驱动电磁铁上的放置位置示意图。

图5为本发明采用矩形波、正弦波、三角波在2Hz驱动频率下产生磁场强度曲线图。

图中：1.载玻片，2.牺牲层沉积腔，3.牺牲层，4.注射器，5.螺口塑钢针头，6.通孔，7.微泵，8.支架，9.磁性UVPDMS材料，10.遮光板，11.紫外固化灯，12.混合器，13.微流控芯片,14.反应腔,15.通道入口，16.混合微流控芯片，17.电磁铁。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例：如图1-图3所示，本发明采用磁性复合UVPDMS材料9加工出垂直于载玻片1上的混合器12，然后利用键合工艺将混合器12倒置于微流控芯片13的反应腔14内，形成整体混合微流控芯片16，采用电磁铁17驱动整体混合微流控芯片13实现微流体的混合；可达到在2分钟内60uL液体的80％以上混合。

如图1所示，所述混合器12的制作工艺，包括如下步骤：

(1)如图1(a1)、(a2)所示，在载玻片1上固定牺牲层沉积腔2，在沉积腔2内沉积融化的蜡构成牺牲层3，牺牲层沉积腔面积为6x6mm，厚度为3-5mm；

(2)如图1(b1)、(b2)所示，在蜡固化后2.5分钟后，尚未完全硬化前，采用直径为φ520μm-φ820μm螺口塑钢针头5穿透牺牲层3得到直径为φ520μm-φ820μm的1个通孔6，将牺牲层从载玻片上取下来，清除通孔内和牺牲层底部的碎屑再次将牺牲层固定在干净的载玻片上；本例采用φ520μm通孔直径；

(3)将UVPDMS和固化剂按照1：1的比例配好，并在UVPDMS中掺杂35％w/w-45％w/w的微米级铁粉形成磁性复合材料，充分混合后将复合材料装入医用注射器针管内，并在注射器末端装比通孔直径小的外径为φ420μm-φ720μm的螺口塑钢针头，本例采用直径φ420μm的螺口塑钢针头；

(4)采用手动的方式，或将注射器固定在微泵驱动装置上测试复合材料是否能从针头流畅挤出。若不能流畅挤出考虑材料是否混合均匀是否有堵塞针头的现象，再次调整针头或重新调匀材料直至材料能从针头顺畅挤出。

(5)如图1(c)所示，此时操作人员需戴好防护紫外线眼镜，牺牲层固定在载玻片上，将针管固定在一个具有升降功能的升降台上，将针头与通孔对准；针管和针头部位用遮光板遮挡，只露出针头末端到牺牲层之间部分，在针头附近放置紫外光源，采用微泵以10μL/s的速度将复合材料注入通孔，每次挤出0.5mm的高度后提升针管停顿5-10分钟时间，由于挤出的材料一直暴露在紫外光中，尺寸又较小，所以在紫外光的照射下迅速产生固化；

(6)如图1(d)所示，该层材料固化结束后，降低针管重新将针头探入通孔重复挤出、曝光、停顿的过程，直至磁性复合UVPDMS材料9填充满整个通孔6，穿过通孔6的磁性复合UVPDMS材料9与载玻片1接触并粘附于载玻片1上；如图1(e)所示，由于UVPDMS材料9与载玻片1之间粘附性很强，加热去除牺牲层3并清洗后，即得到垂直立于载玻片1上的混合器12。

如图2所示，所述键合工艺是采用键合机将载有混合器12的载玻片1倒置键合于微流控芯片13的顶部，混合器12置于微流控芯片13的反应腔14内。

如图1-图3所示，本发明所述微流体混合工艺的混合装置，包括微流控芯片13、电磁铁17、载玻片1及混合器12，所述混合器12为磁性复合UVPDMS材料9制成的固定在载玻片1上的1个柱形结构，带有混合器12的载玻片1倒置于微流控芯片13上方，键合于微流控芯片13的顶部，载玻片1上的混合器12置于微流控芯片13的反应腔14内，形成整体混合微流控芯片16，如图3、图4所示，整体混合微流控芯片16置于电磁铁17顶部边缘，混合器12穿过磁力线，且与磁力线间的夹角接近90°，电磁铁17连接功率放大器的输出信号端，功率放大器的输入信号端连接信号发生器的输出信号端，采用信号发生器和功率放大器串联输出电压信号。

本发明中所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂的比重为35％w/w-45％w/w，本例选择35％w/w。该复合材料既能满足混合器的柔韧性的要求又能够输出较大的推动力。所述UVPDMS材料为能在紫外光照射下迅速固化的聚二甲基硅氧烷。

如图5所示，通过实验标定，将矩形波、正弦波、三角波相比较，信号发生器在频率为2Hz，信号发生器峰-峰值的电压从6V以1V为步长增长到12V得到的实验结果如图4所示。矩形波在相同的驱动电压下会产生最大的磁场强度，故本发明采用矩形波驱动。

如图4所示，本发明在工作时，将整体混合微流控芯片16置于电磁铁17的顶部，为取得最快的混合速度，整体混合微流控芯片16放置于电磁铁17边缘，使混合器8与磁力线间的夹角接近90°，此处混合器12所受的磁力矩最大，故混合器的摆动幅度为最大，混合效果最好，所用混合时间最短。由于混合器12的摆动频率与矩形波频率保持一致，可通过调整矩形波的频率改变混合器12的混合时间和效率。

混合过程：将信号发生器和功率放大器联好，并将混合芯片12放置在电磁铁17边缘位置后，利用微泵将两种或多种液体通过通道注入反应腔内，根据对混合时间的要求设定信号发生器的输出矩形波的频率和峰-峰值电压，再调整功率放大器的放大倍数(5-15倍)，混合器12产生与输入信号相同频率的摆动，促进多种液体的快速混合。

实施例2：本例与实施例1不同的是：本例所述牺牲层的厚度为3mm。所述牺牲层上通孔直径为520μm。

所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂的比重为40％w/w。

实施例3：本例与实施例1不同的是：本例所述牺牲层的厚度为5mm。所述牺牲层上通孔直径为720μm。

所述磁性复合UVPDMS材料由PUVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂的比重为38％w/w。

实施例4：本例与实施例1不同的是：本例所述牺牲层的厚度为4mm。所述牺牲层上通孔直径为820μm。

所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂的比重为45％w/w。

Claims

1.一种微流体混合工艺，其特征在于：采用磁性UVPDMS材料加工垂直于载玻片上的混合器，然后利用键合工艺将混合器倒置于微流控芯片的反应腔内，形成整体混合微流控芯片，采用电磁铁驱动整体混合微流控芯片实现微流体混合；所述混合器的制作工艺，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述微流体混合工艺，其特征在于：所述牺牲层沉积腔面积为6x6mm，厚度为3-5mm，所述牺牲层的厚度为3-5mm。

3.根据权利要求1所述微流体混合工艺，其特征在于：所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉采用直径小于5μm的微米级铁粉，铁粉掺杂量占总的混合物比重为35％w/w-45％w/w。

4.根据权利要求1所述微流体混合工艺，其特征在于：所述键合工艺是采用键合机将载有混合器的载玻片倒置并键合于微流控芯片的顶部，混合器置于微流控芯片的反应腔内。

5.一种用于权利要求1所述微流体混合工艺的混合装置，其特征在于：包括微流控芯片、电磁铁、载玻片及混合器，所述混合器为磁性复合UVPDMS材料制成的固定在载玻片上的1个柱形结构，带有混合器的载玻片倒置于微流控芯片上方，键合于微流控芯片顶部，载玻片上的混合器置于微流控芯片的反应腔内，形成整体混合微流控芯片，整体混合微流控芯片置于电磁铁顶部边缘。

6.根据权利要求5所述微流体混合工艺的混合装置，其特征在于：所述磁性复合UVPDMS材料由UVPDMS材料掺杂微米级铁粉构成，UVPDMS材料和固化剂的配比为1:1，铁粉掺杂量占总的混合物比重为35％w/w-45％w/w。