CN107126987A - 三维聚焦流合成液滴微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

三维聚焦流合成液滴微流控芯片及其制作方法 Download PDF

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钱翔
吴艳
王晓浩
张旻
董瑛
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Abstract

一种三维聚焦流合成液滴微流控芯片及制作方法，该芯片包含连续相层和离散相层；连续相层包含连续相流道、连续相储液池、防堵塞阵列结构、流体输出流道和流体输出口，离散相层包含离散相流道、离散相储液池和收缩口；连续相流道从连续相储液池开始，经过防堵塞阵列结构后在中途分成两条连续相流道，对称分布于离散相流道两侧，并且最终在离散相流道出口处相交相通，经收缩口后进入流体输出流道；收缩口的宽度小于离散相流道的宽度；连续相流道的深度大于离散相流道和收缩口的深度，且离散相流道出口在横向和深度方向上位于连续相流道的中间位置。该微流控芯片容易产生聚焦流，可以稳定生成亚微米液滴。

Description

三维聚焦流合成液滴微流控芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种三维聚焦流合成液滴微流控芯片及其制作方法，该微流控芯片可以与质谱联用、在气液两相流中用于产生微小液滴。
背景技术
微流体芯片特别是具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点的集成微流体芯片，已经在化学和生物学等领域发挥着重要的作用。与宏观尺度的实验装置相比，这一技术显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率。同时也降低了实验产生废物对环境的污染；集成微流体芯片操作的并行优势可以实现实验的高通量、自动化控制；并且可以通过微阀微泵等微细结构进行精确控制。这使得微流体芯片在分析领域中具有不可替代的优势。
亚微米液滴的直径尺寸范围在1nm到100μm。尺寸越小使比表面积比越高，相应的吸附能力、溶解能力、化学反应速率会有所提高，因此相对于大尺寸的材料，微纳米材料的电性能、光性能、机械性能和化学性能具备特殊的优势。其中，亚微米液滴因合成方式多样、产量高、应用广泛等特点被多个方向的研究学者青睐。将液滴固化可形成颗粒，在过去数十年时间的发展中，亚微米颗粒材料先被应用于工业产品的生成，后又被应用于化工业产品的合成。近几年来又在生物医学、微生物行业、分析行业和半导体行业得到广泛的应用，例如药物运输、细胞封装、生物降解、微生物传感器等。这些研究都基于液滴合成系统。
研究中报道的具有较好亚微米液滴合成效果的微流体芯片多采用石英、玻璃材料。毛细管根据大小不同组装成套管，形成自然的三维聚焦结构，可用于液滴生成。但是毛细管套管芯片不易形成聚焦流，生成几微米的液滴难度较大，同时玻璃材料呈亲水性，做油包水实验需要预先对毛细管表面进行改性实验。另一种常用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，采用它制作一般的二维结构微流体新芯片，要得到好的聚焦流则比较困难，需要构造具有三维结构流道的微流体芯片。它相对前一种材料成本低很多，制作工艺简单，制作时间短，可批量制作，所以对这种材料进行工艺上的创新研究具有很大的意义和价值。一种好的微流体芯片的结构、材料和制作方法，都能在成本和结构稳定性上给分析系统带来很大的帮助。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维聚焦流合成液滴微流控芯片及其制作方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维聚焦流合成液滴微流控芯片，包含连续相层和离散相层；所述连续相层包含连续相流道(502)、连续相储液池(503)、防堵塞阵列结构(507)、流体输出流道(505)和流体输出口(506)，所述离散相层包含离散相流道(501)、离散相储液池(504)和收缩口(508)；所述连续相流道(502)从连续相储液池(503)开始，经过所述防堵塞阵列结构(507)后形成一条流道，在中途分成两条连续相流道(502)，对称分布于所述离散相流道(501)两侧，并且最终在所述离散相流道(501)出口处相交相通，连续相流体360°对称挤压离散相流体使离散相流体形成聚焦流，流经所述收缩口(508)后进入所述流体输出流道(505)；所述收缩口(508)的宽度小于所述离散相流道(501)的宽度以形成聚焦流动；所述连续相流道(502)的深度大于所述离散相流道(501)和所述收缩口(508)的深度，且所述离散相流道(501)出口在横向和深度方向上位于所述连续相流道(502)的中间位置，形成三维立体结构。
所述结构适用于合成油包水型的液滴，即将水性流体作为离散相，油性流体作为连续相，整体三维微流道的壁面呈天然疏水性，有效阻碍离散相流体接触壁面。同时可以通过表面改性实验将整体流道壁面改性为亲水性，则利于实现水包油型的液滴生成。
所述微流控芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即PDMS，所述微流控芯片由上下两片PDMS键合形成，且两片PDMS都包含有相同镜像的流道结构。
所述离散相流道(501)与所述连续相流道(502)相交处的夹角为90°。
所述连续相层和所述离散相层直接从光刻胶形成的模具中脱模成型。
所述收缩口(508)的深度和所述离散相流道(501)的深度相同。
一种制作所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：
使用离散相层掩膜版和连续相层掩膜版进行模具制作；
其中，所述连续相层掩膜版的透光区域定义连续相流道(502)、连续相储液池(503)、防堵塞阵列结构(507)、流体输出流道(505)和流体输出口(506)的图形；所述离散相层掩膜版的透光区域定义离散相流道(501)、离散相储液池(504)和收缩口(508)的图形；
模具制作过程中，在硅基片上甩最底层光刻胶后，通过所述离散相层掩膜版对最底层光刻胶曝光；再在硅基片上甩上层光刻胶后，通过所述连续相层掩膜版对上层光刻胶曝光，显影后形成离散相层和连续相层，由此得到以硅基片为衬底的模具；
然后，使用模具分别成型出两片镜像对称的PDMS；
再后，将两片镜像对称的PDMS键合形成一块完整的三维聚焦流合成液滴微流控芯片。
所述芯片可通过改变均价速率，获得不同的离散相流道(501)和连续相流道(502)的深度比，可影响不同驱动压力比下压力比与生成液滴大小的关系。
所述离散相层掩膜版和所述连续相层掩膜版均含有对齐结构，用于曝光时将光刻胶形成的已有结构与在后使用的掩膜版对齐。
用于成型两片PDMS的PDMS聚合物的基液与固化剂的比例不同。
基液与固化剂以1:10和1:15两种比例混合，两种混合比例分别用于成型上下两片PDMS。
所述光刻胶采用SU-8胶。
本发明的有益效果：
受到毛细管套管的两相流流体聚焦微芯片的启发，发明人设计了能够产生亚微米液滴的三维流体聚焦微芯片。目前用于两相流中流体聚焦功能的微流体芯片大多属于二维结构，要形成聚焦流生成亚微米液滴需要很高精度驱动压力控制，同时伴随高电压施加于离散相流体；而发明人设计的三维流体聚焦微流体芯片实现了在没有高电压的情况下，具备油包水的流体聚焦功能，并且能够稳定生成亚微米液滴。与传统油水两相流相比，该结构更容易产生聚焦流，可以直接收集微小液滴。连续相流道和连续相储液池之间增加防堵塞的阵列结构，防堵塞阵列结构过滤掉连续相流体从储液池中带来的PDMS残渣，解决PDMS微流体芯片中普遍存在的堵塞问题，避免液滴合成过程中PDMS残渣容易在收缩口处形成堵塞，避免影响液滴合成的稳定性。离散相流道出口设置收缩口结构，流道的尺寸突减能够增大流体输出的流速，有助于连续相流体对称挤压离散相流体形成聚焦流，同时可以防止流体倒流。
所述三维聚焦流合成液滴微流体芯片可以应用在生物制药、药物运输、生物封装等需要产生亚微米液滴的领域。
附图说明
图1示出了本发明微流体芯片制作方法的主要流程图。
图2示出了本发明涉及的两块掩膜版的示意图。
图3示出了两层软光刻套刻制作硅片模板的具体过程示意图。
图4示出了单片PDMS成型俯视示意图。
图5示出了键合后的整体PDMS芯片俯视示意图、侧向切面图以及实物图。
图6示出了三维聚焦流合成液滴微流体芯片生成液滴的实验图。
图7示出了三维聚焦流合成液滴微流体芯片合成液滴大小和压力大小关系测试图。
附图标记：硅基片100，离散相流道模板101，连续相流道模板102，PDMS上片103，PDMS下片104，离散相层掩膜板200，连续相层掩膜板201，离散相掩膜版对齐标记202，连续相掩膜版对齐标记203，离散相流道出口204，防堵塞结构205，连续相流道相交处结构206，光刻胶300、301，切割后PDMS结构层400，聚焦流形成结构401，光学显微镜图402，PDMS切割线403，完整三维聚焦流合成液滴微流控芯片500，离散相流道501，连续相流道502，连续相储液池503，输出流道505，输出口506，防堵塞阵列结构507，收缩口508，完整三维聚焦流合成液滴微流控芯片A-A截面509，完整三维聚焦流合成液滴微流控芯片实物510，聚焦流600，大液滴601，小液滴602。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
在一种实施例中，一种三维聚焦流合成液滴微流控芯片，包括连续相层和离散相层，所述连续相层包含连续相流道502、连续相储液池503、防堵塞阵列结构507、流体输出流道505和流体输出口506，所述离散相层包含离散相流道501、离散相储液池504和收缩口结构508；连续相流道502从连续相储液池503开始，经过防堵塞阵列结构507过滤掉流体中的残渣后形成一条流道，在中途分成两条连续相流道502，对称分布于离散相流道501两侧，并且最终在与离散相流道501出口处相交相通，连续相流体360°对称挤压离散相流体使离散相流体形成聚焦流，流经收缩口508；收缩口508宽度尺寸小于离散相流道501，厚度和离散相流道501相同，流道的尺寸突减使流体流速增大，以形成聚焦流动；连续相流道502深度大于离散相流道501和收缩口508的深度，且离散相流道501出口在横向上和深度方向上均位于连续相流道502相交处的中间位置，形成三维立体结构；所述三维聚焦微流体生成液体芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷Polydimethylsiloxane，PDMS，三维聚焦微流体生成液体芯片由上下两片PDMS键合形成，且两片PDMS都包含有相同镜像的流道结构；
所述离散相流道501与连续相流道502夹角为90°，所有流道直接从光刻胶形成的模具中脱模成型，而非切割修整所得；
输出流道505的起始处增加深度与离散相流道501相同的收缩口508，增大流体输出的流速，有助于连续相流体对称挤压离散相流体形成聚焦流，同时可以防止流体倒流；
连续相流道502和连续相储液池503之间增加防堵塞的阵列结构507，过滤掉连续相流体从储液池503中带来的PDMS残渣。如果不增加防堵塞阵列结构507，液滴合成过程中PDMS残渣容易在收缩口508处形成堵塞，影响合成的稳定性。
如图1所示，根据本发明的制作方法，主线工艺流程采用软光刻工艺，基本流程如下：制作掩膜版200——甩光刻胶301——曝光——制作掩膜版201——甩光刻胶303——曝光——显影——成模——混合PDMS103倾倒入模——固化剥离——切块——键合。
根据本发明实施例的制作方法，设计两块并制作菲林材料掩膜版，掩膜版上分为透光区和不透光区。两块掩膜版均含有标记结构202和203，它们用于确保在两次曝光过程中，不同的两块掩膜版都能与硅基片100按相同的相对位置对齐。
根据图2示出的本发明实施例涉及的两块掩膜版的示意图，离散相层掩膜版200定义离散相储液池、离散相流道和收缩口图形，其用于最底层光刻胶的曝光，用来定义形成离散相层；连续相层掩膜版201主要定义连续相储液池、连续相流道、防堵塞阵列结构、输出流道和输出口图形，用于上层光刻胶的曝光，定义成连续相层。离散相层掩膜版200中离散相储液池直径2200μm，离散相流道宽80μm，收缩口宽度50μm，以防止流体回流；连续相层掩膜版201中连续相储液池直径2200μm，连续相流道与连续相储液池连接的地方宽200μm，与离散相流道相交的地方宽100μm；防堵塞阵列结构205采用长250μm宽80μm的矩形，以30μm为间隔阵列；当两块掩膜版按标记结构202和203对齐定位后，离散相流道出口204恰好位于连续相流道相交处中间位置，连续相流道对称分布于离散相流道两侧，保证了芯片核心结构的实现。
根据本发明实施例的制作方法，光刻胶采用SU-8胶，它是一种负性、近紫外线光刻胶，即紫外线照射部分会产生交联反应，显影过程会保留下来，形成空间上与芯片沟道恰好互补的结构，它适于制超厚、高深宽比的微结构。
根据本发明实施例的制作方法，主要包括以下制作步骤：
匀胶机以较快旋转速度在硅基片100上将稀薄状液体SU-8光刻胶甩到一个比较薄的厚度后，在光刻机上以离散相层掩膜版200对硅基片100上的光刻胶300进行曝光。
曝光后烘完成后，继续重复甩胶过程，略微降低匀胶机旋转速度，以增加光刻胶301的厚度。以连续相层掩膜版201重复曝光过程，曝光后进入显影环节。
PDMS聚合物的基液与固化剂分别以1:10和1:15两种比例混合，两种混合比例分别用于成型上下两片PDMS103、104，以提高两片PDMS的键合力度。混合完成的PDMS聚合物倾倒入培养皿中，培养皿底部已预先放入覆有曝光过的光刻胶的硅基片100，固化之后从硅基片100上剥离PDMS103。
沿着距离流道外结构至少5mm处的PDMS切割线403进行切割之后，在以1:10配比的一片PDMS聚合物103储液池上面打孔。
将含有流道结构的上下两片PDMS聚合物103、104键合形成最终的三维聚焦流合成液滴微流控芯片。
以下进一步具体说明制作的过程。
软光刻套刻过程包括三个步骤：等离子处理、甩胶第一层、前烘、第一层曝光、后烘、甩胶第二层、前烘、对准曝光第二层、后烘、显影。首先将3寸硅片晶圆100放于氧等离子机中，打上等离子；随后将硅片晶圆100固定在匀胶机的真空吸盘上，用滴管将适量稀薄状SU-8 2025胶滴在晶圆中心，以转速3000转/分钟甩胶30秒；转至热板上以95℃烘6分钟完成前烘，空冷至室温；将前烘空冷后的硅片晶圆100放入紫外线光刻机的硅片台上，将离散相层掩膜版200轻轻贴放于光刻胶上，保持硅片晶圆100与离散相层掩膜版200大致对中，卡紧后设置曝光时间为18秒，开始曝光；完成后小心将硅片晶圆100转至热板上，以95℃烘6分钟，完成后烘过程。对于连续相层掩膜版200的甩胶、曝光过程，大体与上述的过程一致。然而为了得到较厚的光刻胶层，甩胶速度降为1500转/分钟；曝光过程中则是将连续相层掩膜版201放置于光刻胶上，利用其上的标记结构204与硅片晶圆100上已经交联固化的光刻胶标记结构203对准，即可保证产生的连续相流道502对称分布于离散相流道501两侧，离散相流道501出口恰好位于连续相流道502相交处，从而保证了离散相从离散相流道501中流出后，恰好被连续相流道502中的连续相对称挤压形成聚焦流。将冷却的硅片晶圆100转移到盛有显影液的大培养皿中，保证显影液能完全浸没硅片，显影10分钟后取出，用乙醇冲洗干净。
至此，以硅片为衬底的光刻胶微流道模板制作完成。
如图3，离散相层掩膜版200对应的制作只完成一次甩胶、曝光过程，连续相层掩膜版201对应的制作过程完成一次次甩胶、曝光、显影过程。这样使得连续相流道502的厚度(厚约150μm)远大于离散相流道501厚度厚约25μm，从而有利于离散相从离散相流道501流出后悬浮于连续相中，而不与流道壁面接触。在此硅片晶圆100上成型的PDMS结构作为PDMS结构层400，PDMS结构层交叉口401以及流道示意图清晰展示了离散相流道501和连续相流道502的相对位置和深度关系。
根据本发明的制作方法，分别用不同比例混合好的PDMS聚合物制作两片PDMS，成型后的PDMS结构如图4所示。将其放置在显微镜下，用刀片沿着微流体芯片外轮廓线403进行切割，得到切割后PDMS上片103和切割后PDMS下片104。然后将两片PDMS在显微镜下对齐，键合形成一块完整的三维聚焦流合成液滴微流控芯片，如图5所示。
根据本发明的制作方法，将最终制得的三维聚焦流合成液滴微流控芯片放置在烘箱中，120℃烘烤24小时，或者更长时间。
本实施例中的PDMS芯片的整个制作过程如上所述，制作方法也在本实施例进行了体现。本实施例中的三维聚焦流合成液滴微流控芯片主要用来产生亚微米液滴，聚焦流与形成大小液滴如图6所示。所述离散相在本实施例中为水性液体样品，所述连续相在本实施例中为油性液体样品。水性液体样品从三维聚焦流合成液滴微流控芯片聚焦流出后，离散成亚微米液滴。通过调节两相压力的值改变形成的液滴的大小，图7展示了三维聚焦流合成液滴微流体芯片合成液滴大小和压力大小关系测试图。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.三维聚焦流合成液滴微流控芯片，其特征在于,包含连续相层和离散相层；所述连续相层包含连续相流道(502)、连续相储液池(503)、防堵塞阵列结构(507)、流体输出流道(505)和流体输出口(506)，所述离散相层包含离散相流道(501)、离散相储液池(504)和收缩口(508)；所述连续相流道(502)从连续相储液池(503)开始，经过所述防堵塞阵列结构(507)后形成一条流道，在中途分成两条连续相流道(502)，对称分布于所述离散相流道(501)两侧，并且最终在所述离散相流道(501)出口处相交相通，连续相流体以360°对称挤压离散相流体使离散相流体形成聚焦流，流经所述收缩口(508)后进入所述流体输出流道(505)；所述收缩口(508)的宽度小于所述离散相流道(501)的宽度以形成聚焦流动；所述连续相流道(502)的深度大于所述离散相流道(501)和所述收缩口(508)的深度，且所述离散相流道(501)出口在横向和深度方向上位于所述连续相流道(502)的中间位置，形成三维立体结构。
2.如权利要求1所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片，其特征在于,所述微流控芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即PDMS，所述微流控芯片由上下两片PDMS键合形成，且两片PDMS都包含有相同镜像对称的流道结构。
3.如权利要求1所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片，其特征在于,所述离散相流道(501)与所述连续相流道(502)相交处的夹角为90°。
4.如权利要求1所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片，其特征在于,所述连续相层和所述离散相层直接从光刻胶形成的模具中脱模成型。
5.如权利要求1所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片，其特征在于,所述收缩口(508)的深度和所述离散相流道(501)的深度相同。
6.一种制作权利要求1至5任一项所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，其特征在于,包括以下步骤：
使用离散相层掩膜版和连续相层掩膜版进行模具制作；
其中，所述连续相层掩膜版的透光区域定义连续相流道(502)、连续相储液池(503)、防堵塞阵列结构(507)、流体输出流道(505)和流体输出口(506)的图形；所述离散相层掩膜版的透光区域定义离散相流道(501)、离散相储液池(504)和收缩口(508)的图形；
模具制作过程中，在硅基片上甩最底层光刻胶后，通过所述离散相层掩膜版对最底层光刻胶曝光；再在硅基片上甩上层光刻胶后，通过所述连续相层掩膜版对上层光刻胶曝光，显影后形成离散相层和连续相层，由此得到以硅基片为衬底的模具；
然后，使用模具分别成型出两片镜像对称的PDMS；
再后，将两片镜像对称的PDMS键合形成一块完整的三维聚焦流合成液滴微流控芯片。
7.如权利要求6所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，其特征在于,所述离散相层掩膜版和所述连续相层掩膜版均含有对齐结构，用于曝光时将光刻胶形成的已有结构与在后使用的掩膜版对齐。
8.如权利要求6或7所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，其特征在于,用于成型两片PDMS的PDMS聚合物的基液与固化剂的比例不同。
9.如权利要求8所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，其特征在于,基液与固化剂以1:10和1:15两种比例混合，两种混合比例分别用于成型上下两片PDMS。
10.如权利要求6至9任一项所述的三维聚焦流合成液滴微流控芯片的制作方法，其特征在于,所述光刻胶采用SU-8胶。
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