CN106540758B - 微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新颖的微流控芯片。所述微流控芯片由基片与盖板封接而成，具有基层和位于基层的微流道，基层表面或微流道表面具有至少两层镀膜。所述的至少两层镀膜的最外层膜为聚酰亚胺膜，具有多孔结构。由于基层表面或微流道表面的镀膜结构，特别是存在覆盖多孔结构聚酰亚胺膜的微流道具有立体三维的多孔结构，能够容纳较多的待测试样品和/或试剂，例如蛋白质测试中，实现了富集检测样品量，增加了待测样品检测浓度，提高检测效率，提升检测灵敏度。

Description

微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片，属于生物科学技术领域。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。它在生物、化学、医学等领域具有巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
微流控芯片，例如图1所示，是具有广阔应用前景的微型生化分析系统，可以显著降低生化检测成本和提高检测效率。微流控芯片的通道尺寸为微米量级，在显著降低生化检测成本的同时，限制了可检测样品量，使得样品量接近或低于检测阈值时，难以有效或高灵敏度地检出有效成分。
为此，各种样品富集技术得以开发。这些技术可以将痕量的待检测样品成分浓缩到局部区域，提高待检测样品的浓度，从而实现样品检测。例如，微纳流控芯片，利用纳米通道中流体双电层排阻效应产生的微纳界面处痕量物质浓缩，能够实现高达百万倍的蛋白富集。
在微通道网络内预设区域集成纳通道阵列或纳米塞，从而得到多尺度微纳复合结构，是制造微纳流控芯片的关键点，同时，微纳复合结构的制造技术意味着设备成本高，且效率很低。
中国专利文献CN 101349704 A描述了一种微纳流控高效富集与纯化芯片及其快速制作方法。所述的微纳流控富集与纯化芯片，由透明高分子材料的基片和盖片组成，在基片和盖片上分别打印/复印有成对映关系的图案，使留有两条不交叉的、空白的L型或V型微通道，两微通道的两端有空白的蓄液池，盖片上蓄液池位置有微孔，基片和盖片的图案完全重叠地热压成一体，两微通道的拐点附近有纳米级通道。聚合物芯片的表面大多是负电荷属性，因此负电荷物质在电场的驱动下会在纳米通道的一端高效富集，而正电荷物质通过该纳米通道，从而实现高效富集样品的同时，对不同电荷物质种进行分离。
中国专利文献CN 101000290 A公开了一种基于微纳米结构的样品富集芯片、制作方法及富集方法。所述的富集芯片是以石英玻璃为基底材料，由富集纳米沟道和微米级样品传输管道组成，富集纳米沟道架在两微米级管道间。首先应用MEMS工艺在石英玻璃表面加工出纳米沟道及样品运输通道，严格控制纳米沟深度，使其符合离子陷落要求；利用低温键合方法，将打好样品孔的基片与盖片低温键合。然后在芯片管道中灌入需要富集的样品，在样品池间加直流电压，在纳米沟中形成电场；由于纳米沟道内德拜层的叠加，而在纳米沟旁形成离子陷落带；在电场作用下运动的样品由于无法通过离子陷落带而在纳米沟旁富集，形成样品富集带，从而实现样品富集。
以上两专利文献所公开的样品富集微流控芯片方案，其技术要求高，实现成本高，且应用范围受限。因此，在微流控芯片现有技术中，如何富集检测样品量，增加待测样品检测浓度，提高检测效率，提升检测灵敏度，并且成本合理可控，是一个有现实意义的课题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种新颖的微流控芯片。
所述微流控芯片由基片与盖板封接而成，具有基层和位于基层的微流道，基层表面或微流道表面具有至少两层镀膜。
上述微流控芯片基片材料可以是硅(Si)、玻璃(SiO2)或有机聚合物。其中，有机聚合物成本低、品种多，能够通过可见光与紫外光，可用化学方法进行表面改性，得到惰性表面，易加工，易得到宽深比大的微流道，适于廉价大量生产。
常见的用于微流控芯片的有机聚合物基层材料有热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚苯乙烯(PS)。
固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂和聚氨酯，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片；
溶剂挥发型聚合物有聚丙烯酸、橡胶和氟塑料，将它们溶于适当的溶剂后，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。
本发明申请优选使用热塑性聚合物作为基片材料。
为了实现良好的加工性能，所述的微流控芯片基片材料优选聚苯乙烯或聚碳酸酯。
使用热塑性聚合物作为基片材料的微流控芯片基片，通常采用热压法或注塑法制造。
热压法将聚合物原料调至与模具相对应的位置后，移入加热装置中，温度升高时聚合物发生玻璃化，随之在两者之间施压，降温，撤压，脱模操作，微流道结构便呈现在基片上。
与热压成型相比，注塑成型效率更高，更适合大批量生产。
本发明申请所述微流控芯片的基片基层表面或微流道表面所述的至少两层镀膜的最外层膜为聚酰亚胺膜。
上述微流控芯片，其基层表面或微流道表面与最外层聚酰亚胺膜镀膜之间镀膜优选为二氧化硅膜、硅膜或铝膜。
聚酰亚胺(PI)是一族聚合物的总称。理论上，聚酰亚胺可以由任何一种二酐和二胺，在适宜的溶剂里合成；反应过程为：
聚酰亚胺是分子特征为主链上含有酰亚胺环的一类聚合物。其中，以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。
聚酰亚胺材料具有独特的化学、物理、力学和电学性能，包括：优异的耐热性能，可在300～400℃的高温下使用；优良的力学性能，薄膜的拉伸强度和弯曲强度超过100MPa，伸长率超过10％；耐辐射性能优良，在100rad的射线或快速中子的作用下，电性能和力学性能的变化都很小；耐低温性能好，在液氮甚至液氦温度下材料的主要性能都无明显的劣化；化学稳定性好，抗有机溶剂和潮气的侵蚀；优良的电绝缘性；优良的介电性能，介电常数2.8～3.5；介质损耗因数0.01～0.002；纯度高，钠离子含量可低于2～3ppm，氯离子含量低于3ppm；对常用无机材料、金属和介电材料的粘接性优良；可形成薄膜，也可形成厚膜；成型工艺简单、易行。聚酰亚胺薄膜具有优良的电性能、较好的耐湿性、耐高温性、较好的尺寸稳定性以及优良的耐化学性。
进一步优选的微流控芯片中，其基层表面或微流道表面所述的最外层聚酰亚胺膜具有多孔结构。
更进一步优选方案中，所述的具有多孔结构的最外层聚酰亚胺膜中，，所述的多孔结构具有1‐5微米的平均孔径。
所述的最外层聚酰亚胺膜涂敷方法可采用水滴模板法成膜。
所述的水滴模板法成膜对于本发明中的基片而言，通常分为三个步骤。
首先，将制备好的含有有机溶剂的铸膜液涂敷于微流控芯片的基片表面，在环境温度下，铸膜液中的有机溶剂开始挥发，铸膜液表面温度急剧下降至0℃时，由于环境湿度高，环境高湿度氛围中的水蒸气会大量冷凝到均匀的膜液表面上，形成直径为微米级的小液滴。这一过程本质上是一个快速成核的过程。
由于成膜溶剂与水不相溶，此时溶液中的聚合物在亲水/疏水的平衡作用下凝结在水滴表面，形成一个聚合物层，这不但稳定了水滴而且减缓了水滴的生长速度，随着这种“挥发‐冷凝”过程的继续，水滴的密度与尺寸不断增加，而这样的快速成核、缓慢生长的机制保证了水滴尺寸的均一性，这些稳定化的液滴就像一个个弹性小球，在溶液表面由于“挥发‐冷凝”产生的回流作用下向“溶液‐基底‐空气”的三相线(溶液的边缘)运动，最终在毛细管力(capillary force)的作用下最紧密堆积，形成了二维阵列，并对正在凝固的高分子溶液起到了模板的作用。
当大部分的溶剂挥发殆尽，溶液的温度恢复到接近环境的温度。最后水滴蒸发干净，在固体基板上留下了由聚合物形成的蜂窝状多孔结构。
上述微流控芯片基片优选使用注塑成型的热塑性聚合物，例如聚苯乙烯(PS)微流控芯片基片。
在涂敷最外层聚酰亚胺膜之前，优选将微流控芯片基片溅射镀膜，在基片上形成一层镀膜。
在将微流控芯片基片溅射镀膜前，微流控芯片基片已预制好微流道。
本发明所述的铸膜液优选使用氯仿(CHCl3)制备，将聚酰亚胺(PI)溶解于CHCl3中，配置成溶液。所述铸膜液中聚酰亚胺(PI)浓度优选为2‐5％；进一步优选为2％。
制备时，使用微量进样器将上述铸膜液涂敷在微流控芯片基片的溅射镀膜层上，含有PI的铸膜液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随CHCl3的挥发，透明液膜逐渐固化，当CHCl3全部挥发后，微流控芯片基层上即形成溅射镀膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜。
上述制备过程的操作环境温度优选25℃。
上述制备过程的操作环境相对湿度优选大于60％；进一步优选大于65％。
所述微流控芯片的微流道末端具有一小孔。该小控用于向微流道内注入试剂。
所述微流道末端具有的小孔位于基片或盖板上。
本发明所述微流控芯片由于基层表面或微流道表面的镀膜结构，特别是存在覆盖多孔结构聚酰亚胺膜的微流道具有立体三维的多孔结构，能够容纳较多的待测试样品和/或试剂，例如蛋白质测试中，实现了富集检测样品量，增加了待测样品检测浓度，提高检测效率，提升检测灵敏度。
附图说明
图1是现有技术中微流控芯片一实例，用以说明基片中微流道的形状示意图。
图2是本发明实施例1的微流控芯片中PS基层/二氧化硅膜/聚酰亚胺膜复合层结构示意图。
图3是本发明实施例1的微流控芯片中聚酰亚胺膜多孔结构电子显微镜图片。
图4是本发明实施例2的微流控芯片中聚酰亚胺膜多孔结构电子显微镜图片。
具体实施方式：
实施例1
操作环境温度25℃，相对湿度66％。
将预制好微流道的聚苯乙烯(PS)微流控芯片基片溅射镀膜，在基片上形成一层二氧化硅膜，备用。
将聚酰亚胺(PI)溶解于CHCl3中，配置成2％浓度的PI溶液。
使用微量进样器将上述PI溶液涂敷在聚苯乙烯(PS)微流控芯片基片的二氧化硅膜层上，PI溶液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随CHCl3的挥发，透明液膜逐渐固化，当CHCl3全部挥发后，聚苯乙烯(PS)微流控芯片基层上即形成二氧化硅膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜。见图2。
基片和盖板封接后形成微流控芯片。
最外层的聚酰亚胺膜通过检测，成型孔径约为3微米，电子显微镜图片见图3。
实施例2
操作环境温度25℃，相对湿度42％。
将预制好微流道的聚碳酸酯(PC)微流控芯片基片溅射镀膜，在基层上形成一层硅膜，备用。
将聚酰亚胺(PI)溶解于CHCl3中，配置成2％浓度的PI溶液。
使用微量进样器将上述PI溶液涂敷在聚碳酸酯(PC)微流控芯片基片的硅膜层上，PI溶液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随CHCl3的挥发，透明液膜逐渐固化，当CHCl3全部挥发后，聚碳酸酯(PC)微流控芯片基层上即形成硅膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜。
基片和盖板封接后形成微流控芯片。
最外层的聚酰亚胺膜通过检测，成型孔径约为2微米，电子显微镜图片见图4。
实施例3
试验条件及操作同实施例1，不同在于：
将预制好微流道的聚苯乙烯(PS)微流控芯片基片溅射镀膜，在基层上形成一层铝膜，备用。
使用微量进样器将PI溶液涂敷在聚苯乙烯(PS)微流控芯片基片的铝膜层上，PI溶液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随CHCl3的挥发，透明液膜逐渐固化，当CHCl3全部挥发后，聚苯乙烯(PS)微流控芯片基层上即形成铝膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜。
基片和盖板封接后形成微流控芯片。
最外层的聚酰亚胺膜通过检测，成型孔径约为5微米。
实施例4
试验条件及操作同实施例2，不同在于：
将预制好微流道的聚碳酸酯(PC)微流控芯片基片溅射镀膜，在基层上形成一层铝膜，备用。
使用微量进样器将PI溶液涂敷在聚碳酸酯(PC)微流控芯片基片的铝膜层上，PI溶液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随CHCl3的挥发，透明液膜逐渐固化，当CHCl3全部挥发后，聚碳酸酯(PC)微流控芯片基层上即形成铝膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜。
基片和盖板封接后形成微流控芯片。
最外层的聚酰亚胺膜通过检测，成型孔径约为1微米。

Claims (2)

1.一种微流控芯片，由基片与盖板封接而成，所述基片包括基层和位于基层表面的微流道，其特征在于，所述微流道表面具有至少两层镀膜；所述至少两层镀膜的最外层为聚酰亚胺膜；所述聚酰亚胺膜具有多孔结构；所述聚酰亚胺膜的多孔结构具有1-2微米的平均孔径；所述微流道表面镀膜为溅射形成的二氧化硅膜、硅膜或铝膜；所述基片材料为聚苯乙烯或聚碳酸酯；
所述芯片最外层聚酰亚胺膜的制备方法为：使用微量进样器将铸膜液涂敷在微流控芯片基片的溅射镀膜层上，含有聚酰亚胺的铸膜液自然铺展开并开始形成透明的液膜，伴随氯仿的挥发，透明液膜逐渐固化，当氯仿全部挥发后，微流控芯片的微流道表面上即形成溅射镀膜/聚酰亚胺复合薄膜层，最外层为聚酰亚胺膜；所述的铸膜液为聚酰亚胺溶解于氯仿中配置成的溶液；所述铸膜液中聚酰亚胺浓度为2%；
上述制备过程的操作环境温度为25℃；操作环境相对湿度为42%。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流道末端具有小孔，所述微流道末端具有的小孔位于基片或盖板上。
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