CN107192475B - 基于微流控芯片的温度传感器系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片的温度传感器系统及其制备方法，该制备方法包括：通过3D打印成型微流控芯片基底、微流道、温度传感器电极、温度传感器和密封层，所述微流道、温度传感器电极、温度传感器成型在所述微流控芯片基底上，所述微流道和所述温度传感器电极连接所述温度传感器，所述密封层密封所述微流道、所述温度传感器和所述温度传感器电极。本发明基于微流控芯片的温度传感器系统操作简单、适用范围广、精确度高、可对温度进行实时、准确和灵活的测量。传感器系统基于3D打印技术实现，简单易行、成本低。

Description

基于微流控芯片的温度传感器系统及制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于微流控芯片的温度传感器系统及制备方法。

背景技术

微流控技术在生命科学和医学诊断领域的应用越来越广泛，显示出了其在检测速度、精度以及实际损耗等方面相比传统方法的显著优势。经过二十多年的发展，微流控技术从最初的单一功能和流体控制器件发展到了现在的多功能继承、应用非常广泛的微流控芯片技术，在分析化学、医学诊断、细胞筛选、基因分析和药物运输等领域得到了广泛应用。相比于传统的方法，微流控技术具有体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能继承和高通量等特点。目前，用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业，其加工过程工序复杂，依赖于价格高昂的先进设备。在微流控芯片的制作中常用的加工方法包括：硅-聚合物表面未加工、软印、压印、注射成型、激光烧蚀等，这些加工过程都需要在超净间内完成，工序繁多复杂，需占用大量空间，且需要经验丰富的设计和加工人员。总之，使用从半导体加工技术继承而来的未加工技术制作微流控芯片具有比较高的资金和技术门槛，在一定程度上阻碍了微流控技术的推广和应用。

随着3D打印技术的兴起，越来越多的研究者尝试采用3D打印技术加工微流控芯片。相比于传统的微加工技术，3D打印微流控芯片技术显示出了设计加工快速、材料使用性广、成本低廉等优势。另外，3D打印过程只需要在设计完成后直接打印即可，相比于其他微加工技术，极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本。目前发展较快且较为常见的3D打印微流控芯片技术包括微立体光刻技术、熔融沉积成型技术以及3D喷墨打印技术。微立体光刻技术是通过控制曝光光源，对光敏树脂进行逐层曝光固化，层层叠加而形成的三维立体结构；熔融沉积成型3D打印技术是将加热软化的聚合物材料熔丝逐层打印叠加形成的立体结构，但是，其打印精度有待提高；喷墨3D打印技术与普通的喷墨打印机原理相似，都是通过打印机的喷头阵列将墨水小液滴喷出附着在地板上，只是应用材料不同。总体来说，随着3D打印技术的不断成熟和各类新材料的涌现，3D打印微流控芯片技术必将呈现集成化程度更高、整合多种生物-化学传感器、精度更高、成本更低的的特点，从而在生命科学、分析化学和医疗检测等领域得到更为广泛的应用。

微流控生物传感器系统具有体积小、功耗低、相应快、灵敏度高、试剂耗量小等有点，在生物医学分析、疾病检测等领域具有广泛的应用前景。现阶段，生物传感器如葡萄糖传感器、葡萄糖氧化酶传感器、乳酸传感器、蛋白质传感器、免疫传感器、温度传感器、湿度传感器、应力传感器、气体传感器、尿素传感器、离子传感器、重金属传感器等等已经在市场广泛应用，但是微流控芯片上的传感器还停留在实验室研究阶段，将生物微型传感器继承在微流控芯片上实现对反应物的实时、准确灵活的检测仍是研究者未来的探索方向。

生物传感器的常规制作方式主要是微纳米加工技术，包括等离子溅射技术、自组装技术、纳米压印技术等，微纳米加工技术制备传感器与3D打印技术相比依赖于昂贵的设备和丰富的经验。随着3D打印技术的发展，其打印的精度越来越高，打印的器件也越来越微小，因此利用3D打印技术来制作传感器是未来人们研究的热点。

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。在微流控芯片中温度是影响微反应的重要因素，因为温度直接影响着微反应流道内细胞培养、病毒繁殖、抗原灭活等生物试验的质量。因此，控制、监测芯片上的温度至关重要。

专利文献CN102445472A(一种基于微流控芯片的传感器及制备)中传感器系统是由上下两片芯片组成，在微反应通道表面镀金修饰后，将工作电极、参比电极插入芯片的电极微通道后密封而制成的微流控芯片上的传感器系统。该专利的微流控芯片是基于微纳米加工技术制作，传感器也是基于传统的磁控溅射技术。虽然它实现了微流控芯片和传感器的集成，但是这种集成依然依赖于昂贵的设备和丰富的实验经验。

专利文献CN103895226B，基于3D打印的三维微流控芯片的加工方法及打印装置。该专利公开了一种基于3D打印的三维微流控芯片的加工方法，制作步骤如下：1)绘制三维微流道图；2)将三维微流道图中的三维流道分层沿平行于芯片的底面方向进行逐层切片；3)在前一层微流道实体结构上浇筑液态芯片材料，按照流道分层切片顺序，每层一次打印流道实体结构和浇筑芯片材料，依次完成流道形状打印，得到三维流道实体结构；4)将三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片。该发明过程简单快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产，可以制作复杂结构的三维微流道、微流道形状及精度可控。但是此方法后续处理中需要将微流道支撑物(麦芽糖或麦芽糖醇)加热到110℃-152℃熔融，并用清水反复冲洗微流道，并不能在该芯片上集成传感器，否则会影响集成到微流控芯片上的传感器的作用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微流控芯片的温度传感器系统及制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微流控芯片的温度传感器系统的制备方法，包括：通过3D打印成型微流控芯片基底、微流道、温度传感器电极、温度传感器和密封层，所述微流道、温度传感器电极、温度传感器成型在所述微流控芯片基底上，所述微流道和所述温度传感器电极连接所述温度传感器，所述密封层密封所述微流道、所述温度传感器和所述温度传感器电极。

进一步地：

所述微流控芯片基底、所述微流道、所述温度传感器电极、所述温度传感器和所述密封层分别由硬PDMS、硬PDMS、微米银-助剂混合物、石墨-PDMS混合物和软PDMS打印而成。

所述硬PDMS采用Sylgard184(Dow Corning)主剂和固化剂按1:10重量配比混合，SE1700(Dow Corning)主剂和固化剂按1:10重量配比混合，然后将上述两种混合材料以5:1至6:1的范围的重量配比混合，用离心搅拌机搅拌，抽真空制备而成。

所述软PDMS采用SE1700(Dow Corning)主剂和固化剂以1:25到1:10优选1:25的比例混合，用离心搅拌机搅拌，抽真空制备而成。

所述微米银-助剂混合物采用微米银、浓度为30％Versamid973溶液(BASF)和正戊醇混合而成，其中银的直径约为5μm-8μm，三种材料的质量配比为20:2:1。

所述石墨-PDMS材料是由PDMS、固化剂、纳米石墨粉和分散剂以10:1:2.5:0.5的比重混合，在超声搅拌器下搅拌，常温真空干燥箱干燥制备而成。

所述分散剂是有机分散剂，所述有机分散剂包括三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、环己烷中的一种或多种。

所述软PDMS相比较于硬PDMS具有较大的流动性，以保证微流控芯片与载玻片的键合。

一种基于微流控芯片的温度传感器系统，是采用所述的制备方法制备而成的温度传感器系统。

进一步地,所述微流道包括微流体输入口、微流体通道、微反应腔室和微流体输出口，所述微流体输入口、所述微流体通道和所述微反应腔室依次连接，所述微反应腔室连接所述温度传感器的一端,所述温度传感器的另一端连接所述微流体输出口。

本发明的有益效果：

本发明充分利用了3D打印技术操作简单、成本低、灵活的特点，将温度传感器直接打印到微流控芯片上，使用本发明的基于微流控芯片的温度传感器系统，当微流道内反应物流过温度传感器时，连接温度传感器的测量温度工作站可以测量并存储测量数据。将温度传感器与商业小型温度单片机连接，操作简单易行，实现了温度传感器在芯片上的实时、准确的检测，为微流控芯片上的试验提供了更科学的依据。

根据本发明实施例，本发明的基于微流控芯片的温度传感器整个系统是可利用常温3D打印技术打印多种材料，通过3D打印技术一次性制备而成，整个系统连接外界的温度测量工作站可以实时、准确、灵活地测量微流控芯片反应后微流体的温度。

本发明基于3D打印技术实现，简单易行、成本低，具有很大的研究优势和商业前景。

本发明基于微流控芯片的温度传感器系统具有操作简单、适用范围广、精确度高、可对温度进行实时、准确和灵活的测量，该系统为实现微流控芯片上的生物/化学传感器的集成提供了重要基础和前提。

附图说明

图1为本发明实施例的基于微流控芯片的温度传感器系统的示意图。

附图标记：1-微流体输入口；2-微流体通道；3-微反应腔室；4-温度传感器腔室；5-温度传感器电极；6-温度传感器；7-微流体输出口；8-微流控芯片。

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。

参阅图1，在一种实施例中，一种基于微流控芯片8的温度传感器系统的制备方法，包括：通过3D打印技术成型微流控芯片基底、微流道、温度传感器电极5、温度传感器6和密封层，所述微流道、温度传感器电极、温度传感器成型在所述微流控芯片基底上，所述微流道和所述温度传感器电极连接所述温度传感器，所述密封层密封所述微流道、所述温度传感器和所述温度传感器电极。所述微流道包括微流体输入口1、微流体通道2、微反应腔室3和微流体输出口7，所述微流体输入口1、所述微流体通道2和所述微反应腔室3依次连接，所述微反应腔室3连接所述温度传感器6的一端,所述温度传感器6的另一端连接所述微流体输出口7。

在实施例中，一种基于3D打印技术一次成型微流控芯片的温度传感器系统，该系统整体利用3D打印技术一次加工成型，该系统具有微流体通道、微反应腔室、电极微通道、温度传感器、温度传感器电极、密封层隔膜区域，并可连接小型带显示屏的温度单片机。其中温度传感器电极和温度传感器的温敏材料均由3D打印的方式直接打印在微流控芯片内，实现对微流体的实时、准确、灵敏的测量，操作简单易行。温敏材料是由PDMS、纳米级石墨粉和分散剂混合而成的石墨-PDMS材料。微流控芯片的基底材料、微流道是由硬PDMS制备，温度传感器覆盖材料使用软PDMS打印。小型带显示屏的温度单片机在市场可购买。

在具体实施例中，温度传感器系统的制备包括如下过程：

(1)用计算机辅助设计软件(CAD)设计和绘制微流控芯片的流道图形、温度传感器电极和主体的图形；

(2)制备打印微流控芯片基底材料、微流控芯片覆盖材料、电极材料和温敏材料；

(3)利用制备好的材料依次打印微流控芯片基底、微流道、温度传感器电极、温度传感器和密封层；

(4)将测量温度工作站和温度传感器电极连接，组装成常温3D打印的微流控芯片的温度传感器。

(5)当需要检测微流控芯片微流体的温度时，只需将温度传感器的电极与单片机连接即可进行测量。

温度传感器的温敏材料石墨-PDMS材料是由PDMS、固化剂、纳米石墨粉和分散剂以10:1:2.5:0.5的比重混合，在超声搅拌器下搅拌40分钟，常温真空干燥箱干燥30分钟制备而成。

微流控芯片的基底材料和微流道是由硬PDMS制作。硬PDMS的材料成分是：Sylgard184(Dow Corning)主剂和固化剂的比重1:10配比，SE1700(Dow Corning)主剂和固化剂1:10混合，然后将上述两种材料以5:1至6:1的范围的重量混合，用离心机搅拌5分钟，抽真空制备而成。

微流控芯片和温度传感器的覆盖材料软PDMS成分是：SE1700(Dow Corning)主剂和固化剂以1:25的比例混合，用离心搅拌机离心3分钟，抽真空制备而成。

温度传感器的电极材料由微米银、浓度为30％Versamid973溶液(BASF)和正戊醇混合而成，其中银的直径约为5μm-8μm，三种材料的质量配比约为20:2:1。

该温度传感器和小型带显示屏的单片机连接，可以将被检测物质的信号采集、检测和分析等功能单元集成为一体，形成一个微全能传感器的温度分析系统，即微量物质分析检测的微流控芯片传感器实验室。

分散剂是有机分散剂，有机分散剂包括但不仅限于三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、环己烷等。

如上所述，由3D打印技术一次成型基于微流控芯片的温度传感器，可利用常温3D打印技术加工微流体通道、微反应腔室、电极微通道和温度传感器等，一次制备出温度传感器，并且通过外接的小型温度单片机经过显示屏直接读取温度数据。本发明微流控芯片中的微流体经过该温度传感器后，能够实时、准确、灵敏地测量微流体的温度，为实验数据的分析提供科学依据。

以下进一步描述实施例的具体制备步骤：

1、用计算机辅助设计软件(CAD)设计和绘制微流控芯片的流道图形、温度传感器电极和主体的图形，微流控芯片和温度传感器的尺寸和形状按照实验要求设计。

2、制备打印微流控芯片基底材料、微流控芯片覆盖材料、电极材料和温敏材料。

3、利用制备好的材料依次打印微流控芯片基底(硬PDMS)、微流道(硬PDMS)、温度传感器电极(微米银混合物)、温度传感器(石墨-PDMS)和密封层(软PDMS)。

用制备好的硬PDMS利用常温3D打印技术打印微流控芯片基底、微流体通道、微反应腔室和温度传感器腔室，其中微流控芯片的尺寸和形状按照研究者要求设计。通过本发明提供的配比配置而成的硬PDMS可以很好的实现常规打印成型，克服了常规试验中PDMS成型困难的问题，这是保证常温打印微流控芯片的重要原因。

用制备好的石墨-PDMS利用常温3D打印技术打印温度传感器，其中温度传感器的形状和尺寸按照研究者要求设计。

用制备好的微米银混合物利用常温3D打印技术打印在已经制备好的温度传感器的两端，并接出微流控芯片，以方便温度传感器和测量温度工作站连接。

用制备好的软PDMS在微流控芯片上除温度传感器腔体外的部分打印一层，以便于微流控芯片与载玻片的键合。软PDMS主要作用是密封温度传感器和电极部分，同时起到键合载玻片形成微流控芯片的微流道等作用，软PDMS相比较于硬PDMS有较大的流动性，这保证了微流控芯片与载玻片的键合。

4、将上述制备好的器件有微流道和温度传感器面正放在等离子清洗机里表面处理5分钟，取出。

5、将处理后的器件与尺寸相当的载玻片贴合，放入85℃的培养箱10-15分钟，使微流控芯片与载玻片充分键合，取出。

6、将上述成型器件放入100℃培养箱坚膜20分钟，取出。

7、将小型带显示屏的单片机和温度传感器电极连接，即可实现微流控芯片的温度测量和记录。

软PDMS的主剂和固化剂的比例可以在1:25到1:10之间变化。

微流控芯片的基底可以在2mm-5mm之间变化，微流体通道、微反应腔室和温度传感器腔体的高度可以在十几微米到百微米之间变化，微流体通道、微反应腔室和温度传感器腔体的宽度可以在10微米以上变化。微流道的微尺度决定了其需要的被检测样品用量的多少，可以根据研究者的要求灵活设计。

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 (5)

1.一种基于微流控芯片的温度传感器系统的制备方法，其特征在于,包括：通过3D打印成型微流控芯片基底、微流道、温度传感器电极、温度传感器和密封层，所述微流道、温度传感器电极、温度传感器成型在所述微流控芯片基底上，所述微流道和所述温度传感器电极分别连接所述温度传感器，所述微流道包括微流体输入口、微流体通道、微反应腔室和微流体输出口，所述微流体输入口、所述微流体通道和所述微反应腔室依次连接，所述微反应腔室连接所述温度传感器的一端,所述温度传感器的另一端连接所述微流体输出口,所述密封层密封所述微流道、所述温度传感器和所述温度传感器电极；所述微流控芯片基底、所述微流道、所述温度传感器电极、所述温度传感器和所述密封层分别由硬PDMS、硬PDMS、微米银-助剂混合物、石墨-PDMS混合物和软PDMS打印而成，其中所述软PDMS相比较于硬PDMS具有较大的流动性，以保证微流控芯片与载玻片的键合。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于,所述微米银-助剂混合物采用微米银、浓度为30％的BASF Versamid973溶液和正戊醇混合而成，其中银的直径为5μm-8μm，三种材料的质量配比为20:2:1。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于,所述石墨-PDMS材料是由PDMS、固化剂、纳米石墨粉和分散剂以10:1:2.5:0.5的比重混合，在超声搅拌器下搅拌，常温真空干燥箱干燥制备而成。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于,所述分散剂是有机分散剂，所述有机分散剂包括三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、环己烷中的一种或多种。

5.一种基于微流控芯片的温度传感器系统，其特征在于,是采用权利要求1至4任一项所述的制备方法制备而成的温度传感器系统。