CN105665045B - 一种微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微流控芯片，包括表面开设有微流道的微流控芯片基板和复合于所述微流控芯片基板的封膜；在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口，所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。本发明通过在所述微流控芯片外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起，可以完成常规流体通道与微流控芯片的连接，实现待测流体在微流控芯片中的引入和导出，完成通道清洗、流体进样和表面处理等功能，直接将外接管道嵌插于所述外接管道接口，可以反复多次使用，并且能够承受一定的流体压力，具有良好的密封性。

Description

一种微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控芯片及其制备方法。
背景技术
微流控芯片是微型全分析系统的主要组成部分，它的目标是把整个实验室功能集成在一个微小芯片上，包括采样、反应、分离、分析检测等等，而且可以重复使用，方便快捷。由于它在生物、化学方面的巨大潜力，近年来已经发展成为一个集生物、化学、机械、流体、材料等学科交叉的新型研究领域。由于其精确的流体控制、快速的采样分析以及较少的试剂消耗，微流控芯片已经受到越来越多的研究人员的青睐。
微流控芯片要想实现其功能还需要与外接设备有良好的连接，其与外接设备的接口是微流控芯片中非常重要的组成部分，方便可靠的接口是实现其优良检测性能的重要保障。其中，流体接口的主要功能是实现待测流体在微流控芯片中的引入和导出。由于微流控芯片的微型化，而外接设备为常规的流体通道，要实现其与外接设备的连接，就要求有从常规的流体通道导入到微流体通道的特定的接口方案。为了保证常规流体通道和微流体通道的有效连接，流体接口的可靠性和便于重复使用非常重要，也是实际应用中需要解决的难题之一。目前，常用的接口方案有两种，一是采用标准的PEEK接头，其可靠性高，缺点是体积太大，不适合芯片的微型化，而且加工工艺复杂，成本高(Sen,A.K.,et al.,MicrosystemTechnologies,16,2010,p617-623)；另一种是粘合，它适用性好，缺点是操作复杂，可靠性不好，黏合剂容易造成溶剂污染，且只能使用一次(Mu,C.J.,et al.,MicrosystemTechnologies,21,2015,p147-154)。所以，发展一种简易便捷，可靠性好、无污染的流体接口方案迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微流控芯片及其制备方法，本发明提供的微流控芯片制备简单，可靠性好且无污染。
本发明提供了一种微流控芯片，包括：
表面开设有微流道的微流控芯片基板和复合于所述微流控芯片基板的封膜；在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口，所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。
优选的，所述密封弹性突起为内螺纹结构。
优选的，所述内螺纹结构的小径＜与所述外接管道的外径＜所述内螺纹结构的大径。
优选的，所述内螺纹结构的大径与所述内螺纹结构的小径的差值为0.01～2mm。
优选的，所述密封弹性突起的材质为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
本发明还提供了一种微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：
A)提供制备微流控芯片基板的模具基片；
B)在所述模具基片的外接管道接口位置的上方放置外接管道接口模具，得到模具组合体，所述外接管道接口模具的外侧表面为螺纹结构；
C)将弹性材料浇铸与所述模具组合体之上，固化后，去除模具组合体，得到微流控芯片基板；
D)将所述微流控芯片基板与封膜结合，得到微流控芯片。
优选的，所述模具基片的制备方法为：
a)利用旋涂工艺在基材上旋涂光刻胶；
b)然后利用光刻工艺在基材上获得所需要的微流控芯片的光刻胶结构，或者利用刻蚀工艺将光刻胶结构转移到基材上，或通过电铸工艺将光刻胶结构转移成金属结构，得到模具基片。
优选的，所述外接管道接口模具粘结于所述模具基片的外接管道接口位置的上方。
优选的，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
优选的，所述去除模具组合体的方法为：
旋转所述外接管道接口模具，将所述外接管道接口模具从所述微流控芯片基板取下；
将所述微流控芯片基板从所述模具基片上剥离。
与现有技术相比，本发明提供了一种微流控芯片，包括：表面开设有微流道的微流控芯片基板和复合于所述微流控芯片基板的封膜；在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口，所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。本发明通过在所述微流控芯片外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起，可以完成常规流体通道与微流控芯片的连接，实现待测流体在微流控芯片中的引入和导出，完成通道清洗、流体进样和表面处理等功能，直接将外接管道嵌插于所述外接管道接口，方便快捷，可以反复多次使用，并且能够承受一定的流体压力，具有良好的密封性。
结果表明，本发明提供的微流控芯片的接口可以承受≥330Kpa的流体压力，100次的插拔测试中流体接口性能不发生明显改变。
附图说明
图1为本发明提供的微流控芯片的结构示意图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明提供的微流控芯片的制备流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种微流控芯片，包括：
表面开设有微流道的微流控芯片基板；复合于所述微流控芯片基板的封膜，在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口，所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。
本发明提供的微流控芯片包括微流控芯片基板，在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口。所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，其中，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。
本发明对所述微流控芯片的外接管道接口的形状并没有特殊限制，只要和与所述微流控芯片相连的仪器的外接管道的形状相匹配即可。在本发明中，所述外接管道接口的形状优选为圆柱形。
在本发明的一些具体实施例中，所述外接管道接口的内表面设置的密封弹性突起优选为内螺纹结构。更优选的，所述内螺纹结构与规格为M1.4～M20的圆柱形头螺钉的螺纹相匹配。
在本发明的一些具体实施方式中，所述内螺纹结构的大径与所述内螺纹结构的小径的差值为0.01～2mm，优选为0.02～0.5mm。
为了实现外接管道与所述外接管道接口的良好匹配，并有很好的密封性能，优选的，所述内螺纹结构的小径＜与所述外接管道的外径＜所述内螺纹结构的大径。
参见图1，图1为本发明提供的微流控芯片的结构示意图。图1中，1为微流控芯片基板，2为外接管道接口，3为封膜。
同时，结合图2对本发明实现的原理进行说明，图2为本发明的原理图，图2中a为外接管道向所述微流控芯片的外接管道接口嵌插的过程，b为外接管道嵌插于所述微流控芯片的外接管道接口，b中，2为外接管道接口，4为外接管道。
其中，将外接管道直接插入接口时，由于接口的螺纹结构具有弹性，其形变后产生一个收紧应力使得接口与外接流体管道紧密接触，起到密封的效果。同时，由于弹性螺纹结构可以随着外接管道运动而形变使得外接管道可以直接拔出，实现外接流体管道的反复快速插拔。螺纹接口中包含很多螺纹，可以大幅度地增加接口与外接管道的密封接触面，增大接触形变，所以其能够承受较大的流体压力，具有很强密封性。
在本发明的一些具体实施方式中，所述密封弹性突起的材质为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
本发明还提供了一种微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：
A)提供制备微流控芯片基板的模具基片；
B)在所述模具基片的外接管道接口位置的上方放置外接管道接口模具，得到模具组合体，所述外接管道接口模具的外侧表面为螺纹结构；
C)将弹性材料浇铸与所述模具组合体之上，固化后，去除模具组合体，得到微流控芯片基板；
D)将所述微流控芯片基板与封膜结合，得到微流控芯片。
在制备微流控芯片时，需要提供制备微流控芯片基板的模具基片。在本发明中，对所述模具基片的制备方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的模具基片的制备方法即可。
在本发明中，所述模具基片优选按照如下方法进行制备：
a)利用旋涂工艺在基材上旋涂光刻胶；
b)然后利用光刻工艺在基材上获得所需要的微流控芯片的光刻胶结构，或者利用刻蚀工艺将光刻胶结构转移到基材上，或通过电铸工艺将光刻胶结构转移成金属结构，得到模具基片。
得到模具基片后，在所述模具基片的外接管道接口位置的上方放置外接管道接口模具，得到模具组合体，所述外接管道接口模具的外侧表面为螺纹结构。
在本发明中，所述外接管道接口模具优选采用标准的螺纹螺钉，更优选采用规格为M1.4～M20的圆柱形螺钉。采用上述外接管道接口模具可以提高流体接口的通用性，有利于其成为一种通用的流体接口方案。
在本发明的一些具体实施方式中，所述外接管道接口模具粘结于所述模具基片的外接管道接口位置的上方。从而可以保证模具与微流控芯片结构的粘附性，防止在倒模的过程中模具与接口位置发生位移。
得到模具组合体后，将弹性材料浇铸与所述模具组合体之上，固化后，去除模具组合体，得到微流控芯片基板。
在本发明的一些具体实施方式中，所述弹性材料优选为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
在本发明中，所述去除模具组合体的方法为：
旋转所述外接管道接口模具，将所述外接管道接口模具从所述微流控芯片基板取下；
将所述微流控芯片基板从所述模具基片上剥离。
得到微流控芯片基板后，将所述微流控芯片基板与封膜结合，得到微流控芯片。在本发明中，对所述封膜的类型并没有特殊限制，本领域技术人员公知的用于微流控芯片的封膜即可。在本发明中，所述封膜优选采用玻璃封膜。
图3为本发明提供的微流控芯片的制备流程图，图3中，a为微流控芯片模具基片，b为基板，c为外接管道接口模具，d为弹性材料，1为微流控芯片基板，2为外接管道接口，3为封膜。
具体的，在基板上制备微流控芯片模具基片，在所述模具基片的外接管道接口位置的上方放置外接管道接口模具，得到模具组合体，将弹性材料浇铸与所述模具组合体之上，固化后，去除模具组合体，得到微流控芯片基板，最后，将微流控芯片基板与封膜结合，得到微流控芯片。
本发明对所述微流控芯片的制作通常是先加工出包含微流体通道的模具基片，然后通过浇铸弹性材料来实现微流控芯片的批量复制。为了实现流体接口与微流控芯片结构和加工工艺相适应，带有内螺纹结构弹性接口的制作与微流控芯片的制作同时进行。本发明在微流控芯片模具的流体接口位置放置一个与外接流体管道尺寸相配合的包含螺纹结构的模具，浇铸弹性材料复制出微流控芯片时，微流控芯片中就自然集成了一个包含螺纹结构的弹性接口。由这个弹性接口是螺纹结构，浇铸后通过旋转包含螺纹的模具就能实现模具与弹性接口的分离，方便快捷地实现螺纹结构弹性接口的制作。
本发明通过在所述微流控芯片外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起，可以完成常规流体通道与微流控芯片的连接，实现待测流体在微流控芯片中的引入和导出，完成通道清洗、流体进样和表面处理等功能，直接将外接管道嵌插于所述外接管道接口，方便快捷，可以反复多次使用，并且能够承受一定的流体压力，具有良好的密封性。
结果表明，本发明提供的微流控芯片的接口可以承受≥330Kpa的流体压力，100次的插拔测试中流体接口性能不发生明显改变。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的微流控芯片及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
基于规格为M2的螺钉制作聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)微流控芯片的流体接口
(1)制作出包含微流体通道的微流控芯片模具
取一片8cm×8cm玻璃基片，经过表面清洁之后在热台上180℃烘30分钟，冷却后将基片放入甩胶机，滴上光刻胶SU8-2100，1600转/分钟旋涂30秒，在热台上65℃烘5分钟，95℃烘20分钟，得到厚度为130微米的光刻胶层。然后在紫外曝光机下进行曝光，曝光剂量为250mJ/cm2，显影后得到包含微流体通道的微流控芯片光刻胶结构。以此光刻胶结构作为下一步制作微流控芯片的模具基片。
(2)制作包含流体接口的微流控芯片模具组合体
由于外接流体管道的直径为1.8mm，通过对比标准螺钉尺寸，选择直径为2mm的M2螺钉来制备流体接口。将直径为2mm螺钉放置在微流控芯片光刻胶结构的接口位置，用快干胶将螺钉的尾端固定在微流控芯片光刻胶结构的接口位置，制成模具组合体。
(3)制作包含弹性流体接口的微流控芯片基板
按预聚体A：固化剂B＝10:1比例配制PDMS溶液，静置除气泡后倒入上述模具组合体之上，在烘箱中70℃烘2小时，自然冷却。将固化后的PDMS微流控芯片结构从模具上剥离，逆时针旋转螺钉将其从PDMS微流控芯片结构上取下，保持PDMS微流控芯片接口的完整性，得到包含弹性流体接口的PDMS微流控芯片基板。
(4)制备微流控芯片
将上述微流控芯片基板与玻璃基片热压键合，得到完整的PDMS的微流控芯片。
性能检测：
将PDMS微流控芯片与外接设备通过流体接口连接起来，检测流体接口的最大可承受压力。
实验结果表明：
1、包含螺纹结构的弹性接口密封性好，可承受较大的流体压力。高度3mm螺纹结构PDMS接口可以承受330Kpa的流体压力，能够满足大多数微流体芯片的压力要求。
2、可以实现外接流体管道地快卸插拔，使用方便快捷。100次的插拔测试中流体接口性能不发生明显改变。
实施例2
基于规格为M3的螺钉制作聚烯烃弹性体(Polyolefin elastomer，POE)微流控芯片的流体接口
(1)制作出包含微流体通道的微流控芯片模具
取厚度500微米的4寸硅片，经过表面清洁之后放入甩胶机，滴上光刻胶AZ9260，2000转/分钟旋涂30秒，在热台上100℃烘10分钟，得到厚度为8微米的光刻胶层。然后在紫外曝光机下进行曝光，曝光剂量为400mJ/cm2，在热台上110℃烘10分钟，显影后得到包含微流体通道的微流控芯片光刻胶结构。通过深硅刻蚀工艺刻蚀硅片深度125微米，用丙酮出去剩余的光刻胶，得到微流控芯片的硅阳模结构。以此硅结构作为下一步制作微流控芯片的模具基片。
(2)制作包含流体接口的微流控芯片模具组合体
由于外接流体管道的直径为2.8mm，通过对比标准螺钉规格，选择直径为3mm的M3螺钉来制备流体接口。将直径为3mm螺钉放置在微流控芯片光刻胶结构的接口位置，用快干胶将螺钉的尾端固定在微流控芯片硅结构的接口位置，制成模具组合体。
(3)制作包含弹性流体接口的微流控芯片
将加热熔融的POE注入上一步得到的模具中，冷却固化后，将POE微流控芯片结构从模具上剥离，逆时针旋转螺钉将其从POE微流控芯片结构上取下，保持POE微流控芯片接口的完整性，得到包含弹性流体接口的POE微流控芯片基板。
(4)制备微流控芯片
将上述微流控芯片基板与玻璃基片热压键合，得到完整的POE的微流控芯片。
性能检测：
将POE微流控芯片与外接设备通过流体接口连接起来，检测流体接口的最大可承受压力。
实验结果表明：
1、包含螺纹结构的弹性接口密封性好，可承受较大的流体压力。高度4mm螺纹结构POE接口可以承受380Kpa的流体压力，能够满足大多数微流体芯片的压力要求。
2、可以实现外接流体管道地快卸插拔，使用方便快捷。100次的插拔测试中流体接口性能不发生明显改变。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：
表面开设有微流道的微流控芯片基板和复合于所述微流控芯片基板的封膜；在所述微流控芯片基板表面开设有贯通所述微流控芯片基板并与所述微流道相连通的外接管道接口，所述外接管道接口将所述微流控芯片和与所述微流控芯片相连的检测仪器的外接管道相连通，所述外接管道接口的内表面设置有密封弹性突起。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述密封弹性突起为内螺纹结构。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述内螺纹结构的小径＜与所述外接管道的外径＜所述内螺纹结构的大径。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述内螺纹结构的大径与所述内螺纹结构的小径的差值为0.01～2mm。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述密封弹性突起的材质为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
6.一种微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)提供制备微流控芯片基板的模具基片；
B)在所述模具基片的外接管道接口位置的上方放置外接管道接口模具，得到模具组合体，所述外接管道接口模具的外侧表面为螺纹结构；
C)将弹性材料浇铸与所述模具组合体之上，固化后，去除模具组合体，得到微流控芯片基板；
D)将所述微流控芯片基板与封膜结合，得到微流控芯片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述模具基片的制备方法为：
a)利用旋涂工艺在基材上旋涂光刻胶；
b)然后利用光刻工艺在基材上获得所需要的微流控芯片的光刻胶结构，或者利用刻蚀工艺将光刻胶结构转移到基材上，或通过电铸工艺将光刻胶结构转移成金属结构，得到模具基片。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述外接管道接口模具粘结于所述模具基片的外接管道接口位置的上方。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷或聚烯烃弹性体。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述去除模具组合体的方法为：
旋转所述外接管道接口模具，将所述外接管道接口模具从所述微流控芯片基板取下；
将所述微流控芯片基板从所述模具基片上剥离。
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