CN105486571A - 一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物分析技术领域，具体涉及一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片及其制备方法。该芯片采用模塑法以光学透明的聚二甲基硅氧烷为材料，芯片通道由双螺旋型通道结合鱼骨形结构构成，利用螺旋型通道产生离心力增大与管道内壁接触的可能性，同时利用鱼骨形结构使空气由原本的层流变成无序混流的状态，以实现对空气中微生物的富集。该芯片可与PCR或免疫检测芯片结合，实现微流控芯片上的连续的样品采集、半定量或定量分析。本发明具有快速、高效、便携、低成本和易自动化的特点，可应用于微生物气溶胶的富集与现场快速检测。

Description

一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物芯片领域，具体地说，特别涉及到一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微生物气溶胶对人类的生命健康有极大影响，全球因微生物气溶胶引起的呼吸道感染率高达20％，世界上约有五百多种致病菌，经气溶胶传播的至少有一百多种。我国疾病感染亦以呼吸道感染率最高。曾肆虐全球的非典型肺炎(又名SARS病毒)就是最典型的微生物气溶胶传播，以后相继出现的禽流感、甲型流感以及目前还在局部地区肆虐的手足口病等流行病、传染病，都是微生物气溶胶在作祟。

我国急需建立一个便捷、快速、准确的微生物气溶胶悬浮颗粒监测方法，并制定科学的工作环境评估体系，配套设置危险阈值。该体系的建立可及时发现各种工作、生活场所中可能存在的微生物气溶胶污染物，采取有效控制措施，避免相关从业人员健康受到威胁，从而保证充足的劳动力维持行业可持续发展。同时，可以通过分析不同来源不同粒径的微生物气溶胶的组成，提出污染的产生和积累机理，为探讨应对控制方案提供科学依据。

微流控技术是一种针对极微量的流体进行操控的技术。微流控芯片上微米级的通道具有相对较大的比表面积和较短的扩散距离，因而能显著加快样品捕获采集、分析速度，提高检测效率，比传统方法大大节省样品和试剂。1998年,美国哈佛大学Whitesides研究组提出了软蚀刻的概念，并应用于微流控芯片制造，完善了基于聚二甲基硅氧烷的微流控芯片制作技术。2000年，Quake研究组在此基础上发明了多层软蚀刻技术，成功的在PDMS芯片上整合了可快速、准确控制流体流动的微型气动阀，实现了芯片上高密度流体运动的控制。对于微量生物样品的操控、处理及检测，微流控技术是非常有效的手段。

现有的气体样品收集装置存在体积大，后续样品处理过程复杂等缺点。因此，亟需开发一种新型的微生物气溶胶样品采集微流控芯片，这类芯片制备简单、流程较少、成本低且富集效率高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片及其制备方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，包括用作于基材的光学透明材料，以及位于所述光学透明材料内的双螺旋型通道结构；所述双螺旋型通道包括双螺旋通道进口、双螺旋通道出口、双螺旋通道主体和鱼骨形结构；所述双螺旋通道主体呈双螺旋型分布于基材内部，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通，在所述双螺旋通道主体设有鱼骨形结构，所述鱼骨形结构沿双螺旋通道主体的内壁均匀分布于螺旋型通道上方。

进一步的，所述双螺旋型通道的宽度为10-1000μm，螺旋内半径为100-5000m，外半径为500-25000μm，高度为10-300μm，螺旋圈数为1-5圈，进出口直径为1000-4000μm。

进一步的，所述鱼骨形结构由两个平行四边形拼接而成，角度为30-150°，宽度为50-300μm，高度为10-300μm，鱼骨形结构沿双螺旋通道均匀分布，分布距离为100-2000μm。

进一步的，所述双螺旋通道进口为顺时针方向，双螺旋通道出口为逆时针方向。

进一步的，所述双螺旋型通道结构的中间连接处采用圆弧形结构连接过度。

进一步的，所述双螺旋通道进口、双螺旋通道出口和中间连接处不分布鱼骨形结构。

一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)基片准备：将硅片清洗干净后放入体积比为3:1的浓硫酸和30％双氧水的混合液中，待硅片氧化后用氮气吹开；将光刻胶经甩胶机甩胶，在烘胶台上前烘；

2)曝光和后烘：将设计好的双螺旋通道掩模放置在甩涂好光刻胶的基片上，应用紫外曝光机曝光，之后在烘胶台上后烘；

3)套刻：将后烘冷却后的基片再次甩涂光刻胶并软烘，将设计好的鱼骨形结构掩模放置在基片上，并应用显微镜将鱼骨形结构掩模与基片上的双螺旋通道对准，用紫外曝光机曝光，在烘胶台上后烘；

4)显影：将基片放入显影液中显影，用氮气吹干；

5)坚模：将基片用烘胶台加热，形成硅片模具；

6)浇注：将聚二甲基硅氧烷单体及固化剂按质量配比10:1混合均匀，倒在硅片模具上，在真空干燥箱中抽真空除气泡并加热固化，剥离聚二甲基硅氧烷；

7)键合：将含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片与无通道的空白聚二甲基硅氧烷芯片键合，形成具有微通道的微流控芯片。

一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

1)将所述微流控芯片的入口与大气相通，微流控芯片的出口连接生物惰性导管，导管另一端与微型真空泵相连，通过微型真空泵使空气样品进入所述微流控芯片；

2)所述空气样品中的微生物样品在芯片内富集后，使用缓冲液冲刷通道，洗脱富集的微生物，进行检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的微流控芯片可用于富集微生物气溶胶，其方法是利用收集气体的动力装置(如微泵)使空气样品进入双螺旋芯片，进入双螺旋通道的空气样品的层流状态被鱼骨形结构打破，变为无序混流的状态，空气中的微生物在管道内壁物理作用的条件下，粘附到管道内壁上。然后用缓冲液将富集在通道内的样品洗脱，洗脱后的样品可直接检测也可直连通检测微流控芯片，完成现场快速分析检测。该芯片可外接微型泵，并与控制部分，操作系统整合，对空气样品的体积、流速，洗脱液的体积、流速进行控制。本发明设计的微流控芯片能高效、快速富集空气中的各种微生物物质。体积小，能有效与其他微型快速检测装置兼容。

附图说明

图1为本发明实施例微流控芯片结构示意图。

图2为本发明实施例鱼骨形结构分布示意图。

图3为本发明实施例鱼骨形结构组成图。

图4为本发明的实验装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1、图2、图3，本发明所述的一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，包括用作于基材的光学透明材料，以及位于所述光学透明材料内的双螺旋型通道结构；所述双螺旋型通道包括双螺旋通道进口1、双螺旋通道出口4、双螺旋通道主体和鱼骨形结构2；所述双螺旋通道主体呈双螺旋型分布于基材内部，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通，在所述双螺旋通道主体设有鱼骨形结构，所述鱼骨形结构沿双螺旋通道主体的内壁均匀分布于螺旋型通道上方。

所述双螺旋型通道的宽度为10-1000μm，螺旋内半径为100-5000μm，外半径为500-25000μm，高度为10-300μm，螺旋圈数为1-5圈，进出口直径为1000-4000μm。

所述鱼骨形结构由两个平行四边形拼接而成，角度为30-150°，宽度为50-300μm，高度为10-300μm，鱼骨形结构沿双螺旋通道均匀分布，分布距离为100-2000μm。

所述双螺旋型通道结构的中间连接处3采用圆弧形结构连接过度。所述双螺旋通道进口、双螺旋通道出口和中间连接处不分布鱼骨形结构。

本发明所述的用于富集生物气溶胶的微流控芯片的制备方法，其过程和步骤如下：

1.芯片设计：使用AutoCAD软件设计芯片的形状及尺寸，芯片为双螺旋型结构，进出口方向相反，芯片通道宽度为600μm，螺旋底面半径4000μm，顶面半径25000μm，螺旋圈数为3圈，进出口直径为4000μm。

2.基片清洗：将硅片放入Piranha溶液(浓硫酸：30％双氧水＝3:1，体积比)，加热煮沸15min。用去离子水冲洗干净后用氮气吹开，并在烘胶台上120℃加热15min。

3.匀胶：将SU8-2050光刻胶倒在硅片中央，倾斜硅片，使光刻胶覆盖住硅片大部分区域。静置1min，用甩胶机(KW-4A)进行两次递进式甩涂：500转/min旋涂15s，1000转/min旋涂20s。旋涂完毕后，静置1min。

4.前烘：65℃7min，95℃40min，65℃5min，冷却至室温。

5.曝光：将设计好的双螺旋通道掩模放置在甩涂好光刻胶的基片上，应用紫外曝光机接触式曝光，曝光能量为300mJ/cm²。

6.后烘：65℃5min，95℃14min，65℃1min，冷却至室温。

7.二次甩胶：将SU8-2050涂覆在硅片表面，500转/min旋涂15s，1000转/min旋涂20s。

8.前烘：65℃7min，95℃40min，65℃5min，冷却至室温。

9.套刻：将设计好的鱼骨形结构掩模放置在基片上，并应用显微镜将鱼骨形结构掩模与双螺旋通道对准，用紫外曝光机进行接触式曝光。

10.显影：将基片放入显影液中显影，用氮气吹干。

11.坚模：将基片放置在烘胶台上加热，形成模具。

12.浇注：聚二甲基硅氧烷单体及固化剂按质量配比10:1混合均匀，倒在经三甲基氯硅烷处理5min的硅片模具上，在真空干燥箱中抽真空除气泡并80℃加热20min固化，剥离聚二甲基硅氧烷。

13.键合：将含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片打孔后与无通道的空白聚二甲基硅氧烷芯片经等离子处理后贴合在一起，80℃过夜键合，形成微通道腔，即制成微流控芯片。

14.将芯片放置在要取样的空间，如图4所示搭好实验装置，在微型真空泵与微流控芯片间连接1.5mL离心管，离心管内放置一定体积的培养基，用于验证微流控芯片的富集效率。通过微型真空泵，使待采集气体(含副溶血性弧菌)以1mL/min的流速通过芯片。待样品采集结束后，用100μL胰蛋白胨大豆肉汤灌注双螺旋通道并冲刷通道，收集洗脱液用于涂布平板实验。

对上述实施例中所得样品的检测结果如下：

样品富集3min后检测到的菌落数为10³CFU，离心管中无细菌截留，说明该芯片富集效果良好。

本实施例中，双螺旋通道结合鱼骨形结构的微流控芯片对微生物气溶胶进行快速有效的富集，大大缩短了微生物气溶胶样品采集的时间并减少了样品采集过程中的阻力，减少样品损失。该装置简单便携，对于微生物气溶胶有很好的富集效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：包括用作于基材的光学透明材料，以及位于所述光学透明材料内的双螺旋型通道结构；所述双螺旋型通道包括双螺旋通道进口、双螺旋通道出口、双螺旋通道主体和鱼骨形结构；所述双螺旋通道主体呈双螺旋型分布于基材内部，双螺旋通道主体的两端分别通过双螺旋通道进口或双螺旋通道出口与外部连通，在所述双螺旋通道主体设有鱼骨形结构，所述鱼骨形结构沿双螺旋通道主体的内壁均匀分布于螺旋型通道上方。

2.根据权利要求1所述的用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：所述双螺旋型通道的宽度为10-1000μm，螺旋内半径为100-5000μm，外半径为500-25000μm，高度为10-300μm，螺旋圈数为1-5圈，进出口直径为1000-4000μm。

3.根据权利要求1所述的用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：所述鱼骨形结构由两个平行四边形拼接而成，角度为30-150°，宽度为50-300μm，高度为10-300μm，鱼骨形结构沿双螺旋通道均匀分布，分布距离为100-2000μm。

4.根据权利要求1所述的用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：所述双螺旋通道进口为顺时针方向，双螺旋通道出口为逆时针方向。

5.根据权利要求1所述的用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：所述双螺旋型通道结构的中间连接处采用圆弧形结构连接过度。

6.根据权利要求5所述的用于富集微生物气溶胶的微流控芯片，其特征在于：所述双螺旋通道进口、双螺旋通道出口和中间连接处不分布鱼骨形结构。

7.一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

1)基片准备：将硅片清洗干净后放入体积比为3:1的浓硫酸和30％双氧水的混合液中，待硅片氧化后用氮气吹开；将光刻胶经甩胶机甩胶，在烘胶台上前烘；

2)曝光和后烘：将设计好的双螺旋通道掩模放置在甩涂好光刻胶的基片上，应用紫外曝光机曝光，之后在烘胶台上后烘；

3)套刻：将后烘冷却后的基片再次甩涂光刻胶并软烘，将设计好的鱼骨形结构掩模放置在基片上，并应用显微镜将鱼骨形结构掩模与基片上的双螺旋通道对准，用紫外曝光机曝光，在烘胶台上后烘；

4)显影：将基片放入显影液中显影，用氮气吹干；

5)坚模：将基片用烘胶台加热，形成硅片模具；

6)浇注：将聚二甲基硅氧烷单体及固化剂按质量配比10:1混合均匀，倒在硅片模具上，在真空干燥箱中抽真空除气泡并加热固化，剥离聚二甲基硅氧烷；

7)键合：将含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片与无通道的空白聚二甲基硅氧烷芯片键合，形成具有微通道的微流控芯片。

8.一种用于富集微生物气溶胶的微流控芯片的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括如下步骤：

1)将所述微流控芯片的入口与大气相通，微流控芯片的出口连接生物惰性导管，导管另一端与微型真空泵相连，通过微型真空泵使空气样品进入所述微流控芯片；

2)所述空气样品中的微生物样品在芯片内富集后，使用缓冲液冲刷通道，洗脱富集的微生物，进行检测。