CN105665044A - 一种微流控芯片组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流控芯片组件，包括微流控芯片以及罩盖在微流控芯片上的盖片，所述微流控芯片上设有中心加样口、围绕中心加样口的若干周侧加样口以及将若干周侧加样口分别与中心加样口导通的流道；所述盖片上设有与所述中心加样口和周侧加样口对应的通孔；所述微流控芯片与罩盖转动配合，所述盖片具有保证微流控芯片上所有加样口与所述通孔对应导通的加样工作位，以及封堵所有周侧加样口的封装工作位；所述微流控芯片与盖片之间设有拨片，该拨片用于在盖片处于封装工作位时遮盖所述中心加样口。本发明的微流控芯片组件整体结构简单，使用方便，仅通过简单的旋转即可实现微流控芯片工作状态的切换，封装和打开非常方便，实用性较强。

Description

一种微流控芯片组件
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其是涉及一种一种微流控芯片组件。
背景技术
微流控芯片又被称为芯片实验室，是一种在微米尺度上对流体进行操控的技术。该技术将化学和生物实验室的基本功能微缩到了一个只有几平方厘米大小的芯片之上。通过分析化学、微机电加工、计算机、电子学、材料系及生物学、医学等学科的交叉，实现从样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化。微流控芯片具有多种单元技术灵活组合和大规模集成的特点，这样便能以少量样品获得极大的信息量，更有可能超越单一的分析功能，成为一个整体微型多元操作平台。目前，微流控芯片因其在微型化、自动化、集成化和便携花方面的巨大潜力，已经被逐步应用于环境监测及污染物分析技术的研发中，并取得一系列重要进展。
申请号为CN201310341700.2的专利文献公开了一种用于微流控芯片的简便快速的热压方法，其将需要进行热压键合或热压成型的热塑性微流控芯片对准后，放置在一个表面抛光的不锈钢板上；使用一个或多个特定形状的磁性材料将微流控芯片固定在不锈钢材质的热压底板上；将固定有微流控芯片的不锈钢底板装到热压设备的两个热压板中间，施加特定温度和压力后，完成热压。
申请号为CN201310341536.5的专利文献公开了一种微流控芯片的激光加工方法，其将代加工的高分子聚合物芯片清洗干净、吹干；将一张1～30微米厚度的高分子薄膜涂覆于待加工表面；使用二氧化碳激光设备，在聚合物芯片上雕刻加工出通孔、通道、混合器微等结构；将高分子薄膜从芯片表面剥离，获得加工有微结构的微流控芯片。
现有的微流控芯片的制造方法主要是通过光刻、热压等方法制作出一面带有微纳米尺寸通道的芯片，然后将其和盖片键合得到。传统的微流控芯片通常采用玻璃、有机玻璃、有机硅等材料，制作成本相对高昂而且需要精密的泵驱动试剂在流道里流动进行反应。
发明内容
本发明提供了一种基于FDM三维打印技术的无泵驱动的可重复利用的微流控芯片的制作方法，可方便快速的制造微流控芯片。
本发明同时提供一种由上述方法制作得到的微流控芯片和微流控芯片组件，该微流控芯片和微流控芯片组件封装和打开方便，实用性强。
一种基于三维打印的无泵驱动微流控芯片制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)：设计带有流道凹槽的微流控芯片基底三维模型；
步骤(2)：将三维模型生成STL格式，导入FDM三维打印机打印软件，设置好打印参数。利用聚乳酸(PLA)等材料打印出具有流道凹槽的微流控芯片基底；
步骤(3)：将打印好的PLA基底有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷料(PDMS)，然后将涂抹过PDMS的基底放入50～70摄氏度烘干箱烘干40～120分钟。
步骤(4)：在微流控芯片基底的流道凹槽内表面铺设一层对待测样品具有毛细作用力的驱动层，得到基于三维打印的无泵驱动微流控芯片。
驱动层材料可根据实际使用需要选择，需要保证驱动层对待检测样品具有毛细作用力，比如对于极性较强的样品，可选择亲水性的驱动层材料；对于极性较弱的样品，可以选择亲油性较强的驱动层材料。
步骤(4)铺设驱动层的方法有两种：
第一种是铺浆法：将纤维素粉和水以一定的比例进行混合搅拌成浆料，然后将纤维素粉浆料倒入流道凹槽内，然后放入50～70摄氏度烘干箱40～120分钟。所述纤维素粉也可替换为纸浆或者淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种，或者替换为纤维素与淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种的混合物；所述纸浆可选择常见的木浆、草浆、麻浆、苇浆、蔗浆、竹浆、破布浆等。
第二种是直接铺垫法：在流道凹槽内铺垫柔性纸张，得到基于三维打印的无泵驱动微流控芯片。
步骤(1)中，按照设计需求，构建微流控芯片基底模型可采用现有成熟技术，可通过计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDesign)软件得到三维模型图，可使用商业CAD软件，诸如CorelDraw，Solidworks等设计。
为提高打印精度，可适当提高FDM打印的填充率，作为优选，打印过程中填充率为50～80；进一步优选的填充率为60，由于芯片基底大小为厘米级别的，打印时间也相对较短。流道凹槽的深度可根据需求设置成0.2mm-1mm。
步骤(3)中，PDMS为聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物。所述的固化剂为与现有技术中与聚二甲基硅氧烷配套的固化剂，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比一般为8-15:1。通过在流道凹槽一面均匀涂一层PDMS可以有效得在流道表面形成一层防护膜，阻止了试剂渗透进PLA芯片基底。同时本发明利用按特定比例配置好的PDMS对流道凹槽表面进行改性，令流道具有较好的疏水性和表面质量，从而来达到可重复利用的目的。
步骤(4)中，纤维素粉和去离子水以质量比1:3-8的配比进行混合，倒入流道时应利用液体表面张力的原理使流道里的浆料达到饱和状态。在这种状态下才能得到烘干后平整的流道效果。当纤维素粉替换为其他粉体时，可根据需要调整粉体与水的质量比，以满足实际需要。
完成以上四个步骤之后就完成了整个微流控芯片的制作，本方法制得的微流控芯片在使用过之后，可以用水清洗掉流道内的纤维素粉(或者其他粉体)，重复步骤(4)就可以实现微流控芯片的重复利用了。
本发明还提供了一种微流控芯片，其由上述任一技术方案所述的基于三维打印的无泵驱动微流控芯片制作方法制作得到。
利用本发明的制备方法可以制作各种结构的微流控芯片。
作为优选，所述微流控芯片包括基底，所述基底一侧设有：
位于基底的中心处的中心加样口；
沿基底的中心周向设置的若干周侧加样口；
分别将周侧加样口与中心加样口连通的流道。
本发明还提供了一种微流控芯片组件，包括微流控芯片以及罩盖在微流控芯片上的盖片；
所述微流控芯片上设有中心加样口、围绕中心加样口的若干周侧加样口以及将若干周侧加样口分别与中心加样口导通的流道；
所述盖片上设有与所述中心加样口和周侧加样口对应的通孔；
所述微流控芯片与罩盖转动配合，所述盖片具有保证微流控芯片上所有加样口(包括中心加样口和周侧加样口)与所述通孔对应导通的加样工作位，以及封堵所有周侧加样口的封装工作位；
所述微流控芯片与盖片之间设有拨片，该拨片用于在盖片处于封装工作位时遮盖所述中心加样口。
使用上述微流控芯片组件时，只需要旋转盖片即可方便实现盖片在两个工作为的切换，分别实现对微流控芯片的封装和加样；当盖片处于加样工作位时，微流控芯片上的中心加样口和周侧加样口同时与对应的通孔对正导通，此时，可实现对微流控芯片的加样；加样完成后，或者不使用时，可将盖片旋转至封装工作位，此时盖片将周侧加样口封堵，同时拨片将中心加样口封堵，完成对微流控芯片的封装，避免外界对微流控芯片的影响。
作为优选，所述拨片一端与盖片轴接，该拨片另一端设有导向孔，导向孔与轴接端之间设有遮盖中心加样口的遮挡部；所述微流控芯片上设有穿过所述导向孔的连杆，当盖片相对微流控芯片转动时，带动拨片转动最终实现对中心加样口的遮盖和打开。
作为优选，所述中心加样口位于微流控芯片的中心，所述周侧加样口沿微流控芯片周向均匀分布。
作为优选，所述微流控芯片和盖片之间设有对准位。方便了盖片和微流控芯片之间的对准。
作为优选，所述流道的深度为0.2mm-1mm。
作为优选，所述微流控芯片设有中心加样口和周侧加样口的一侧表面覆设有聚二甲基硅氧烷固化膜；聚二甲基硅氧烷固化膜表面覆设有纤维素粉。
本发明利用FDM三维打印技术制作基底，采用铺粉的方式，来制得微流控芯片。作为优选，所使用的粉为纤维素粉，为白色无臭无味粉末，不溶于水、丙酮、乙醇或甲苯，性质稳定，非常适合作为检测实验载体。纤维素粉的直径大小为74-125μm，微米级别大小的颗粒聚集体具有毛细作用，通过毛细作用可以让检测试剂在流道里自动流到反应池，无需其他外力驱动，大大简化了检测所需的条件，让本发明可以应用在各种临床检测。本方法具有可重复利用、无泵驱动、流动速度可调、流道分辨率高、成本低等优点。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明基于3D打印的微流控芯片的制作方法，加工过程简便快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产。通过本发明方法制得的微流控芯片基底理论上可以实现无限次循环重复利用，大大降低了成本。由于本方法采用的是纤维素粉作为流道介质，通过毛细作用来实现试剂的流动，无需精密的气泵驱动装置，方便检测。其次，白色的纤维素粉作为介质，在比色实验中，方便于试剂观察颜色的变化。此外，本发明在细胞培养和流场控制方面有不俗的表现且便于封装。
本发明的微流控芯片组件整体结构简单，使用方便，仅通过简单的旋转即可实现微流控芯片工作状态的切换，封装和打开非常方便，实用性较强。
附图说明
图1为本发明中微流控芯片基底的示意图；
图2为本发明中微流控芯片基底流道凹槽中填充了纤维素粉浆料的示意图。
图3为本发明中最终制得的微流控芯片示意图。
图4为利用本发明方法制得微流控芯片进行亚硝酸盐检测的灰度图。
图5为亚硝酸盐检测的灰度-浓度拟合图。
图6为本发明方法制作的Y形T-SENSOR实验图。
图7为本发明方法微流控芯片的亲疏水流道分辨率分析实验。
图8为本发明方法微流控芯片细胞培养实验图。
图9(a)为本发明的微流控芯片组件的一侧结构示意图。图9(b)为本发明的微流控芯片组件的另一侧结构示意图。
图10为本发明方法微流控芯片封装示意图和实物图。
图中，1-微流控芯片基底，2-纤维素粉浆料，3-干燥后纤维素粉流道，4-检测区，5-检测试剂注入区，6-二号液体染料通道，7-一号液体染料通道，8-亲水流道分辨率实验，9-最细亲水通道，10-疏水坝分辨率实验，11-最细疏水坝。
具体实施方式
实施例：以一个梅花形的微流控芯片制作和亚硝酸盐的检测为例，对本发明所提及的制作工艺进一步说明。
图1示出了所设计的梅花形微流控芯片基底1的三维模型，将该三维模型文件生成STL格式文件，将得到的STL格式文件导入到三维打印软件中，设置打印参数填充率为60。连接到计算机，并启动FDM三维打印机，通过计算机控制动FDM三维打印机工作，开始微流控芯片基底1的打印过程。可选用现有的打印材料，比如可选用聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等，本实施例中选用聚乳酸。打印完成后从打印机上取下PLA微流控芯片基底1。
以聚二甲基硅氧烷和固化剂8-15:1的质量比例配制PDMS，静置20min后待PDMS中的气泡完全消失之后(本实施例中聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为10:1)，将之均匀得涂在微流控芯片基底1带有流道的一面，形成一层薄薄的保护层。将涂好PDMS的微流控芯片基底放入60摄氏度的干燥箱进行干燥固化处理，1小时后取出带有PDMS保护层的微流控芯片基底。
以纤维素粉和去离子水1:5的质量比例配置纤维素粉浆料，搅拌均匀后。将纤维素粉浆料均匀得倒入带有PDMS保护层的微流控芯片基底的流道凹槽内，图2示出了微流控芯片基底倒入纤维素粉浆料2的状态图，利用液体表面张力的作用，令流道凹槽内的纤维素粉浆料达到充盈状态。将带有纤维素粉浆料的微流控芯片基底，平稳得放入60摄氏度干燥箱进行烘干处理，1小时后取出。图3为烘干后最后制得微流控芯片的示意图，图中干燥后纤维素粉流道3由于纤维素粉的作用，具有较好的毛细作用力。
图4中，在检测试剂注入区5中滴入亚硝酸盐检测剂，待亚硝酸盐检测剂完全扩散到8个检测区4，在检测区4各滴入一滴亚硝酸盐(浓度为10mg/L、8mg/L、6mg/L、4mg/L、3mg/L、2mg/L、1mg/L)的标准浓度试剂和一滴待检测试剂。得到图4所示的一个显色阶梯图，通过PHOTOSHOP图片处理软件，提取出每一个检测区颜色的灰度值，将标准浓度试剂的浓度和灰度值作为标准，采用最小二乘法拟合出线性趋势线。
图5为标准浓度试剂的浓度-灰度线性趋势线图，根据线性方程和待检测区的灰度值，计算得到待检测的试剂浓度为7.4mg/L，与预设的7mg/L相比误差可以接受，而且根据图5显示的R2可以看出趋势线的可靠性(R2为回归平方和与总离差平方和的比值，表示总离差平方和中可以由回归平方和解释的比例，这一比例越大越好，模型越精确，回归效果越显著。R2介于0～1之间，越接近1，回归拟合效果越好，一般认为超过0.8的模型拟合优度比较高)。
图6为利用本发明所述的方法制作的微流控芯片来实现T-SENSOR制作的实验。实验分为两组；分别如图6中(a)、和图6中(b)所示，微流控芯片中Y型流道的入口设置两个，分别为一号液体染料通道6，二号液体染料通道7。
其中图6中(a)采用的微流控芯片中Y型流道两个入口的长度分别为15.5mm、4.5mm，宽度为2mm，深度为0.5mm。图6中(b)采用的微流控芯片中Y型流道两个入口的长度相等，分别为15.5mm、15.5mm，宽度为2mm，深度为0.5mm；图6中Y型流道的主流道宽度均为4mm。
两组微流控芯片分别间隔第一定时间，记录液体分别情况：其中图6中(a)的时间点分别为30s、60s、120s；图6中(b)的时间点分别为30s、90s、120s。记录结果如图6中(a)和(b)所示。
由图6可知，本实验中，一号液体染料通道7和二号液体染料通道6界限分明，120min后，根据进液端的长度成反比例均匀分布于整个流道：图6中(a)不同颜色的宽度是0.9mm(一号液体)、3.1mm(二号液体)；图6中(b)不同颜色的宽度是2mm(一号液体)和2mm(二号液体)。充分证明了本发明所述方法所制作的微流控芯片优异的流场控制能力。
图7为对本实验所述方法所制作的微流控芯片在分辨率上进行的最小分辨率实验，分别制作了一系列梯度的亲疏水流道，来检测所能获得的最细亲水流道9(如图7中(a)所示)和最细疏水坝11(如图7中(b)所示)，其中：图7中(a)为亲水流道分辨率实验8，图7中(b)为疏水坝分辨率实验10，图7中(c)为图7中(a)中A部分的局部放大图，图7中(d)为图7中(b)中B部分的局部放大图。由图中可以看出，所能达到的最细亲水流道9和最细疏水坝11分别是118和493微米。可以满足大部分微流控检测应用的要求。
图8为利用本实验所述方法所制作的微流控芯片进行细胞培养的实验。通过微流控芯片对细胞进行实时供给培养液，并与传统细胞培养方法进行对比：其中(a)为细胞培养芯片示意图(左)和细胞培养芯片实物图(右)，(b)为放置1天、4天、7天后的细胞染色后微观图；(c)为细胞成活率对比图。通过对比数据可以看出，本方法所制作的微流控芯片在细胞培养方面与传统的细胞培养方法基本上可以达到同等水平的成活率。此外，本发明制作的微流控芯片为开放的通道结构，易于在芯片上可控沉积细胞，易于与细胞打印工艺融合。充分说明了本方法所制作微流控芯片在细胞培养方面有巨大的应用前景。
图9(a)和图9(b)所示为本发明的微流控芯片组件的结构示意图：一种微流控芯片组件，包括微流控芯片101以及罩盖在微流控芯片上的盖片102，微流控芯片上设有中心加样口103、围绕中心加样口的若干周侧加样口104以及将若干周侧加样口分别与中心加样口导通的流道105。中心加样口位于微流控芯片的中心，所述周侧加样口沿微流控芯片周向均匀分布。
盖片102上设有与中心加样口103和周侧加样口104对应的通孔106；这些通孔106分布在盖片中心处和四周，分别与中心加样口103和周侧加样口104对应。盖片102为半包围的桶体结构，围成容纳微流控芯片101的空间。盖片102开口部位向内翻折，形成阻挡微流控芯片101滑落的遮挡边107。微流控芯片101两侧设有两个挂耳108，盖片102的挡边107上设有与挂耳108配合的置入孔109，用于微流控芯片101的置入。
微流控芯片101与罩盖102转动配合，盖片具有保证微流控芯片上所有加样口与所述通孔对应导通的加样工作位，以及封堵所有周侧加样口的封装工作位。
微流控芯片101与盖片102之间设有拨片110，该拨片用于在盖片处于封装工作位时遮盖所述中心加样口。拨片110一端通过轴111与盖片轴接，该拨片另一端设有导向孔112，导向孔为条形孔，导向孔与轴接端之间设有遮盖中心加样口的遮挡部113；微流控芯片上设有穿过所述导向孔的连杆114，当盖片相对微流控芯片转动时，带动拨片转动最终实现对中心加样口的遮盖和打开。
图10为对本方法所述方法所制作的微流控芯片进行封装的范例。图中(a)、(b)分别为封装闭合和打开两个状态示意图，(c)、(d)、(e)为微流控芯片进行封装的实物图，(c)、(d)为芯片打开时，进行加样的实物图，(e)为加样完成后，封闭芯片的实物图。该装置通过转动圆形梅花检测台来达到闭合与打开两种状态之间的切换。通过设计一定的结构可以轻易得对微流控芯片进行封装，并且能够随意切换状态，在需要检测时，将装置调整到打开状态，进行检测实验，当无需检测时，将装置调整到关闭状态，保护检测装置。在微流控检测过程中有非常重大的意义。

Claims (10)

1.一种微流控芯片组件，包括微流控芯片以及罩盖在微流控芯片上的盖片，其特征在于：
所述微流控芯片上设有中心加样口、围绕中心加样口的若干周侧加样口以及将若干周侧加样口分别与中心加样口导通的流道；
所述盖片上设有与所述中心加样口和周侧加样口对应的通孔；
所述微流控芯片与罩盖转动配合，所述盖片具有保证微流控芯片上所有加样口与所述通孔对应导通的加样工作位，以及封堵所有周侧加样口的封装工作位；
所述微流控芯片与盖片之间设有拨片，该拨片用于在盖片处于封装工作位时遮盖所述中心加样口。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述拨片一端与盖片轴接，该拨片另一端设有导向孔，导向孔与轴接端之间设有遮盖中心加样口的遮挡部；所述微流控芯片上设有穿过所述导向孔的连杆，当盖片相对微流控芯片转动时，带动拨片转动最终实现对中心加样口的遮盖和打开。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述中心加样口位于微流控芯片的中心，所述周侧加样口沿微流控芯片周向均匀分布。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述盖片为半包围的桶体结构，盖片的开口部位向内翻折，形成阻挡微流控芯片滑落的遮挡边。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述微流控芯片两侧设有两个挂耳，所述挡边上设有与挂耳配合的置入孔，用于微流控芯片的置入。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述流道的深度为0.2mm-1mm。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述微流控芯片设有中心加样口和周侧加样口的一侧表面覆设有聚二甲基硅氧烷固化膜；聚二甲基硅氧烷固化膜表面覆设有驱动层。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片组件，其特征在于：所述微流控芯片由下述方法制备得到：
(1)设计带有流道凹槽的微流控芯片基底的三维模型；
(2)将三维模型生成STL格式，导入FDM三维打印机打印软件，打印出具有流道凹槽的微流控芯片基底；
(3)将打印好的微流控芯片基底具有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物，烘干；(4)在微流控芯片基底的流道凹槽内表面铺设一层对待测样品具有毛细作用力的驱动层，得到基于三维打印的无泵驱动微流控芯片。
9.根据权利要求8所述的微流控芯片组件，其特征在于：步骤(2)中，打印采用的材料为聚乳酸或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物。
10.根据权利要求8所述的微流控芯片组件，其特征在于：铺设驱动层的方法包括：
方法一：将具有毛细作用力的粉体的浆料倒入流道凹槽内，烘干；所述浆料为纸浆或者由淀粉、纤维素、几丁质、半纤维素中的一种或多种粉体与水混合形成；
方法二：在流道凹槽内铺垫具有毛细作用力的柔性纸张，得到基于三维打印的无泵驱动微流控芯片。
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