CN108311177A - 用于3d pdms微流控芯片制作的对准结构、对准组装方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D PDMS微流控芯片对准组装结构和方法。通过拉链结构实现对准组装，用与PDMS芯片制作兼容的工艺，在要对准的两层PDMS上分别制作有凸链牙和凹链牙交错排列的半拉链，两两对准组装构成一个完整的拉链结构。对准组装时，在等离子体处理后的PDMS表面滴加润滑剂，再将一层PDMS固定在硬性基底上，另一层与之贴合，在显微镜下用手滑动上层PDMS，实现最初几个链牙的咬合，再用手或镊子轻敲上层PDMS以实现整个拉链结构的咬合，最后加热组装好的两层PDMS以实现永久键和。该方法无需额外的对准设备、操作简单快速，能够获得大面积高精度的对准，拉链结构面积小，能充分保证主要图形结构的芯片利用率。所得PDMS拉链结构应用于三维PDMS微流控芯片的制作。

Description

用于3D PDMS微流控芯片制作的对准结构、对准组装方法及其 用途
技术领域
本发明涉及一种用于多层PDMS芯片对准组装的对准结构、对准组装方法及其用途。PDMS是制作微流控芯片的主要材料，本发明提供的方法能够用于制作具有三维(3D)立体结构的PDMS微流控芯片，广泛应用于生化分析、临床检测和细胞学分析检测等。
背景技术
“芯片实验室”是指把化学、生物学领域的实验如样品富集和分离、化学和生化反应、样品分析和检测、细胞培养和观测等操作在几平方厘米的芯片基底上实现。微流控芯片的研制是“芯片实验室”技术的重要内容。当前，用来制作微流控芯片的材料多为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，这是由于PDMS具有价廉易加工，透明且兼容荧光检测，生物相容性好等优点。一层PDMS芯片的制作通过软刻蚀工艺实现，即把PDMS前聚体和固化剂混合后，铺在具有图案结构的硬性基底上，加热固化成型，硬性基底上的图案被转移到PDMS上。这样一层具有图案结构的PDMS可以和没有图案结构的平面基底(玻璃、PDMS等)键和制作出具有微管道和微腔室的芯片，我们称之为二维(2D)微流控芯片。如果将具有图案结构的多层PDMS依次对准组装起来，制作出的芯片我们称之为三维(3D)微流控芯片。与2D芯片相比，3D芯片能够实现更为复杂的功能，比如阀控制、进行立体交错的液流输送、实现单细胞捕获和三维培养细胞等。因此，为了提高微流控芯片性能，完成多步骤复杂操作，必须制作3D微流控芯片。对准贴合两层PDMS是制作3D微流控芯片的关键步骤。当前，对准贴合多层PDMS的方法大多借助实验室自己搭建的仪器，具体操作是：将要对准的两层PDMS分别固定在上下两个硬性基底上，这两个基底的相对位置可以进行多轴调节，这样可以在显微镜下对准两层PDMS并贴合。这种方法不容易实现大面积芯片的对准贴合，有两个原因：一是浇筑成型的PDMS芯片的厚度难以做到处处一致；二是PDMS固化时会产生一定比例的收缩，要对准的两层PDMS的收缩比的少许差异造成上下图形尺寸不一致。另外，使用自制的对准仪组装多层PDMS需要熟练的操作者，操作者的水平对对准精度影响很大。
发明内容
本发明针对当前PDMS多层对准组装需要额外仪器，操作难度大，精度低，需要制备厚薄均匀、图形尺寸严格一致的PDMS膜等缺点，提出一种基于PDMS拉链结构的对准组装3DPDMS微流控芯片的方法。从而借助实验室普通的光学显微镜即可快速对准组装两层PDMS，获得较高的对准精度，对于有少许图形尺寸错配的两层PDMS也可对准装配。
本发明提供的3D PDMS微流控芯片对准组装结构，包括在要对准的两层PDMS上分别制作有凸链牙和凹链牙交错排列的半拉链，且该两层PDMS上的凸链牙与凹链牙可分别与另一层PDMS上的凹链牙与凸链牙咬合，构成一个完整的拉链结构。
本发明还提供了该3D PDMS微流控芯片对准组装结构的制作方法，包括以下步骤：
S1、清洗硅片；
S2、刻蚀硅片，将S1中清洗好的硅片进行反应离子刻蚀制作微坑阵列；
S3、图形制作，将S2中刻蚀好的硅片用负性光刻胶光刻，制作微柱阵列；
S4、PDMS膜片制作，将前聚体和固化剂溶液浇注在具有微柱阵列图形结构的硅片上并固化；
S5、而后将固化的PDMS膜片从硅片上揭下，形成带有凸凹链牙的PDMS膜层；
S6、重复以上步骤，得到与前述PDMS膜凹凸链牙匹配的另一层PDMS膜；
S7、随后对两层PDMS膜进行对准装配，构成PDMS拉链结构。
在前述制作方法中，所述S7进一步包括以下步骤：
S71、先用等离子体处理PDMS层表面，使之产生亲水基团，然后在表面上滴加少量选自甲醇、水或乙醇的润滑剂；
S72、将一层PDMS膜固定在硬性基底上，另一层覆盖于其上与之贴合；
S73、在显微镜下用手滑动上层PDMS，实现最初几个链牙的咬合，链牙之间的协同作用将局部的咬合推向整体咬合，再用手或镊子轻敲上层PDMS微调凸牙在凹牙中的位置；
S74、最后在90℃热板上烘烤对准的芯片1小时，实现两层PDMS之间的永久键和。
本发明进一步提供3D PDMS微流控芯片对准组装结构的应用，包括所述拉链结构制作在需要精细对准的芯片图形结构的两侧并相互平行，该拉链结构的长度不小于需要精细对准的图形结构所覆盖的区域尺寸。
优选地，所述拉链结构链牙的高度或深度与芯片图形结构的高度或深度一致。
优选地，所述拉链结构用于制作之字形的3D混流芯片。
本发明不需要专门的对准装置或仪器，操作在实验室普通显微镜下即可完成。采用一种半自动化的对准组装方法，操作简单快速，这是由于拉链结构由柔软有弹性的PDMS构成，链牙的形变以及形变恢复有助于它们的咬合，而且多个链牙之间具有协同作用，能够推动拉链的整体咬合，从而可以用来制作大面积的3D PDMS微流控芯片。由于拉链结构面积小，能充分保证主要图形结构的芯片利用率。
附图说明
图1为本发明拉链结构在3D PDMS微流控芯片上的位置设计说明。
图2a-f为按照本发明制作PDMS拉链结构工艺流程图，其中，
图2a示出用反应离子在硅片刻蚀出凹坑阵列，
图2b示出用SU8制作微柱阵列，
图2c示出PDMS浇铸成型，
图2d示出从模具上揭下的PDMS，得到具有一半拉链结构的PDMS膜层，
图2e示出用同样的方法制作另一半拉链结构，得到具有互补拉链结构的两层PDMS；
图2f示出两层具有互补凹凸链牙的拉链结构的PDMS扣合状态图。
图3示出应用本发明制作之字形的3D混流芯片的平面示意图。
图4a示出应用本发明制作的之字形的3D混流芯片立体示意图。
图4b示出与图4a所示3D混流芯片作对比的2D混流芯片立体示意图。
图4c示出应用本发明制作的之字形3D混流芯片混流实验结果示意图。
图4d示出与图4c作对比的2D混流芯片混流实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的思路主要是在要对准的两层PDMS上分别制作凸牙和凹牙交错排列的半拉链，一层PDMS上的凸牙可与另一层PDMS上的凹牙咬合，两层PDMS上两行相对的链牙排列构成一个完整的拉链结构。在制作每层PDMS膜时，利用软刻蚀技术实现拉链结构的制作，其中模具的制作包含硅工艺和负性光刻胶(如SU8、PI等)工艺，先用反应离子刻蚀工艺在硅片上刻出凹坑，再用SU8工艺在刻蚀好的硅片上制作微柱阵列。再将前聚体和固化剂溶液浇注在具有微柱阵列图形结构的硅片上并固化制成PDMS膜片，而后将固化的PDMS膜片从硅片上揭下，形成带有凸凹链牙的PDMS膜层。按此方法重复，可得到与前述PDMS膜凹凸链牙匹配的另一层PDMS膜；两层膜凸凹链牙咬合则形成完整拉链。
拉链结构制作在需要精细对准的芯片图形结构附近，一般在芯片图形的两侧分别制作两行相互平行的拉链结构，拉链结构的长度不小于需要精细对准的图形结构所覆盖的区域尺寸。对准装配过程如下：先用等离子体处理PDMS层表面，使之产生亲水基团，然后在表面上滴加润滑剂如甲醇、水和乙醇；将一层PDMS固定在硬性基底上，另一层与之贴合；在显微镜下用手滑动上层PDMS，实现最初几个链牙的咬合，链牙之间的协同作用将局部的咬合推向整体咬合，再用手微调凸牙在凹牙中的位置；最后加热对准了的芯片以实现两层PDMS之间的永久键和。用前述拉链对准装配方法制作了3D混流芯片，可用于两种溶液的快速混合。
实施例1
含有拉链结构的PDMS芯片设计如图1所示，拉链结构1设计在需要精细对准的芯片图形结构2附近，一般在芯片图形的两侧分别制作两条相互平行的拉链结构，每一条拉链包括分别位于两层PDMS上的两个半拉链。由于PDMS容易形变，为了保证芯片图形区域的平整性以及对准精度，拉链结构的长度不小于需要精细对准的图形结构所覆盖的区域尺寸。
PDMS拉链结构制作和3D PDMS微流控芯片的对准组装如图2所示，PDMS拉链结构制作工艺流程具体如下：
S1、清洗硅片：浓硫酸和30％过氧化氢按体积比7:3混合后，用此溶液清洗硅片3，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，并在180℃热板上烘烤30分钟。
S2、刻蚀硅片：用AZ-4620P正性光刻胶作为刻蚀的阻挡层，经曝光显影后，深反应离子刻蚀50μm制作出如图2a所示微坑阵列4作为凸链牙的模，去胶后氮气吹干。
S3、SU8图形制作：刻蚀好的硅片在180℃热板上烘烤30分钟，再等离子体处理1分钟，然后旋涂SU8 3050(50μm)，进行光刻、显影，制作出如图2b所示微柱阵列5作为凹链牙的模。
S4、PDMS膜片制作：采用道康宁Sylgard 184PDMS，将前聚体和固化剂按照质量比10:1的比例混合均匀，并用真空脱气法除去混合液中的气泡，然后将溶液6浇注在具有图形结构的硅片模具上，如图2c所示，并置于90℃热板上烘烤40分钟。
S5、而后将固化的PDMS膜片从模具上揭下，形成如图2d所示带有凸凹结构的PDMS膜层7。
S6、重复以上步骤，得到与前述PDMS膜凹凸链牙匹配的另一层PDMS膜8，如图2e所示，两层PDMS膜配合构成拉链结构。
S7、随后对PDMS拉链结构进行对准装配，如图2f所示，其过程如下：
S71、先用等离子体处理PDMS膜层表面，使之产生亲水基团，然后在表面上滴加少量润滑剂如甲醇、水或乙醇等。
S72、将一层PDMS膜固定在硬性基底上，另一层覆盖于其上与之贴合。
S73、在显微镜下用手滑动上层PDMS，当最初几个链牙咬合时手会感到明显的震动，且咬合的链牙不易脱离分开；用手或镊子轻敲上层PDMS，链牙之间的协同作用会自动地将局部的咬合推向整体咬合；然后，用手微调凸牙在凹牙中的位置。
S74、最后在90℃热板上烘烤对准的芯片1小时，实现两层PDMS之间的永久键和。
实施例2
液体在微流控芯片中流动时，受表面力影响较大，往往表现为层流，不利于不同溶液在微管道中的混合。为了加快混合，必须制造湍流。本发明用前述拉链对准装配方法制作了如图3所示的3D混流芯片，可在微管道的之字拐角处形成湍流，用于两种溶液的快速混合。制作这样的芯片，需要两层PDMS图形精确对准，否则上下图形错位，无法在之字拐角处上下贯通。然而，借助本发明的对准装配方法可轻易完成这个芯片的制作。具体实施过程如下：
(1)拉链结构加工和3D PDMS微流控芯片对准装配同实施例1。
(2)3D混流芯片结构如图4a所示，两种溶液可以从两个入口进入微管道，沿之字形前行，其中在之字拐角处两层PDMS上的微管道相互连通。在此结构两侧各设计制作一个双拉链，即两层PDMS上凹凸链牙交替排列。此处，凸链牙直径为150μm，凹链牙直径140μm，链牙间距240μm。利用拉链结构实现芯片的对准组装。
(3)为了与按照本发明制作的3D混流芯片的作用效果作对比，制作与3D混流芯片尺寸相同的2D混流芯片，如图4b。与3D混流芯片不同的是，只有一层PDMS上有微管道。
(4)利用精密注射泵分别将蓝色和黄色染料水溶液从两个进样口注入混流芯片，液流速度5μl/min。流动稳定2分钟后用显微镜拍照，得到反映3D混流芯片混流结果的示意图4c和反映2D混流芯片混流结果的示意图4d。由图可知：在2D混流芯片中，两种颜色的溶液经过20个之字形单元后仍然没有混合均匀；但在3D混流芯片中，两种颜色的溶液经过12个之字形单元后就充分混合了。实验结果表明：与2D混流芯片相比，3D混流芯片能够快速实现溶液的混合。
综上所述，本发明涉及一种利用新颖的拉链结构实现PDMS层与层之间两两对准组装的方法，可用来制作3D PDMS微流控芯片。其拉链结构的特征在于在要对准的两层PDMS上制作交错排列的凸起和凹坑作为拉链结构的凸牙和凹牙，一层PDMS上的凸牙与另一层PDMS上的凹牙相配，可互相咬合。对准组装时，两层PDMS隔着润滑剂在手的按压下滑动，最初几个链齿的对准可在实验室普通显微镜下完成，然后借着链牙之间的协同作用通过微调快速完成对准组装。比起当前多层PDMS的对准组装技术，该方法不需要额外的对准设备，操作简单快速，能够获得高精度的对准，能够对准组装图形尺寸有一定错配的两层PDMS。该方法可实现大面积芯片的高精度对准组装，广泛应用于3D PDMS微流控芯片的制作。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种3D PDMS微流控芯片对准组装结构，其特征在于在要对准的两层PDMS上分别制作有凸链牙和凹链牙交错排列的半拉链，且该两层PDMS上的凸链牙与凹链牙可分别与另一层PDMS上的凹链牙与凸链牙咬合，构成一个完整的拉链结构。
2.一种3D PDMS微流控芯片对准组装结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、清洗硅片；
S2、刻蚀硅片，将S1中清洗好的硅片进行反应离子刻蚀制作微坑阵列；
S3、图形制作，将S2中刻蚀好的硅片用负性光刻胶光刻，制作微柱阵列；
S4、PDMS膜片制作，将前聚体和固化剂溶液浇注在具有微柱阵列图形结构的硅片上并固化；
S5、而后将固化的PDMS膜片从硅片上揭下，形成带有凸凹链牙的PDMS膜层；
S6、重复以上步骤，得到与前述PDMS膜凹凸链牙匹配的另一层PDMS膜；
S7、随后对两层PDMS膜进行对准装配，构成PDMS拉链结构。
3.根据权利要求2所述3D PDMS微流控芯片对准组装方法，其特征在于，所述S7进一步包括以下步骤：
S71、先用等离子体处理PDMS层表面，使之产生亲水基团，然后在表面上滴加少量选自甲醇、水或乙醇的润滑剂；
S72、将一层PDMS膜固定在硬性基底上，另一层覆盖于其上与之贴合；
S73、在显微镜下用手滑动上层PDMS，实现最初几个链牙的咬合，链牙之间的协同作用将局部的咬合推向整体咬合，再用手或镊子轻敲微调凸牙在凹牙中的位置；
S74、最后在90℃热板上烘烤对准的芯片1小时，实现两层PDMS之间的永久键和。
4.根据权利要求1所述3D PDMS微流控芯片对准组装结构的应用，其特征在于，所述拉链结构制作在需要精细对准的芯片图形结构的两侧并相互平行，该拉链结构的长度不小于需要精细对准的图形结构所覆盖的区域尺寸。
5.根据权利要求4所述的3D PDMS微流控芯片对准组装结构的应用，其特征在于，所述拉链结构链牙的高度或深度与芯片图形结构的高度或深度一致。
6.根据权利要求4所述的3D PDMS微流控芯片对准组装结构的应用，其特征在于，所述拉链结构用于制作之字形的3D混流芯片。
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