CN108393102B - 一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片及制备方法，本发明对传统PDMS芯片加工工艺进行改进，在其内部添加一个45o反射镜，采用上下两层模板先后浇铸的方式，避免上下两层模型键合粘接形成的键合面对通道侧面观测的影响。通道凸模前处理；安放三棱镜；一次PDMS浇铸；键合盖板；黏贴矩形反射镜片；二次PDMS浇铸；芯片切割；观测；该工艺可加工出既可实现传统正面观测又可实现侧面观测的PDMS微流控芯片，满足同一芯片对微流控通道三维可视化研究的需求。该发明采用液态PDMS溶液先后两次浇铸，可使加工出的芯片模型没有中间键合面，正面和侧面的透明度极高，避免了传统上下两层键合面对侧面观测的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型微流控芯片的加工工艺，可以满足加工可正面和侧面观测的微流控芯片。本发明属于微流控芯片加工制造领域。
背景技术
微流控技术是指微米级机构中操控纳升至皮升体积流体实现流体流动、传热、化学反应的技术与科学，广泛应用于生物、化工医药、能源、航空航天等领域，微流控技术同时具有生成速率快、反应时间短、混合充分、无交叉污染等特点，属于21世纪新兴技术，近年来国内外微流控技术发展较快，并得到应用。微流控核心技术内容包括：微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流器件及系统的集成与封装。目前微通道制造材料以单晶硅、玻璃和高分子聚合物为主，近年来以高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)为材料加工微通道的方式成为微流控芯片制造的主要方式，PDMS作为一种有弹性透明高的高分子聚合物，满足微流控通道加工成型度高、热稳定性好、光学性能好、生物兼容性等要求，在微流控芯片制备过程中被广泛应用。在微流控芯片加工过程中，将液态的PDMS试剂浇注在刻有微通道硅片凸模上，然后待其固化后取下，在其一侧表面形成凹陷下去的微通道，然后将微通道粘在光滑的玻璃板或者PDMS底板上，形成中间密闭的微通道，然后在微通道的进出口位置打孔，插入细小的管子，实现对微通道内流体的通入和流出。目前现有的PDMS类型的微通道都采用各类显微镜从微流控通道的正上方观测通道内流场或者流体内物质的运动状况。但随着微流控技术的不断发展和对微通道领域研究的不断深入，单纯从微通道正上方观测和研究二维通道内流场和物质已经无法满足研究需求，对于三维微通道内的流场或流体内部物质相关特性的研究需求越来越强烈。因此，本发明实现加工一种既可正面观测也可侧面观测的微流控芯片，并对现用PDMS加工工艺进行完善。目前传统的PDMS类型微流控芯片加工工艺主要由通道浇注、芯片键合和芯片切割三部分。由于固化后PDMS材料本身特性，在芯片切割过程中刀片与PDMS模型的切割断面粗糙度较大且透明度差，无法直接实现从芯片侧面观测内部微通道。目前，有一种三维超景深高速显微镜可以实现从微通道正上方观测并通过自动调节景深来构建出微通道内部的三维状况。但是该三维显微镜只能观测静态或不透明的物体，对半透明或者透明的流体细胞或者粒子无法精准观测。该三维显微镜价格昂贵，国内暂无相关产品。因此，本发明主要创新了一种微流控芯片制作方法，满足对微流控通道正面和侧面同时观测。该方案简单可靠，加工成本低，普通生物实验室就可完成芯片加工，具有一定的科研和应用价值。
发明内容
本发明主要针对传统方式加工的PDMS芯片只能从通道的正面观测而无法实现侧面观测的局限性，发明了一种新型的PDMS材质的微流控芯片的加工工艺。该工艺可以应用于微通道技术细胞或者粒子分选或捕获等相关微通道三维流场可视化研究领域。
传统的PDMS微流控芯片的加工过程如下：
首先通过光刻法在光滑的硅片上加工出用于浇注微通道的凸模；液态的将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预置剂A溶液和凝固剂B溶液按照10:1的比例进行混合均匀，将混合后PDMS溶液浇注在刻有微通道的凸模上，然后进行烘烤固化，取下固化后的PDMS上层模型；然后将没有任何通道固化后PDMS下层底板模型和有通道的PDMS上层模型键合在一起，形成密闭的微流控通道芯片，根据需要将芯片整体切割完成加工。该方式加工而成的通道可使用显微镜对通道正面进行观察研究，但无法实现在通道的四周侧面进行观测。
本发明主对传统PDMS芯片加工工艺进行改进，在其内部添加一个45°反射镜，采用上下两层模板先后浇注的方式，避免上下两层模型键合粘接形成的键合面对通道侧面观测的影响。
在上述技术方案的基础上，本发明的制作微流控芯片的加工工艺流程如下：
第一步：通道凸模前处理；
通过光刻法在光滑的硅片(3)上加工出需要的微通道凸模(1)，该过程和传统的工艺一样，如果同一硅片上加工有多个微通道时，取消通道间的分割线，避免通道间的分割线对最终通道侧面观测的影响，同时要求各个通道和通道之间预留有能够放置三棱镜(2)的间距。
第二步：安放三棱镜；
将三棱镜(2)放置在需要进行侧面观测通道的一侧，然后用胶水将三棱镜(2)和硅片(3)粘接在一起，一次浇注制作完成凸模组合。
第三步：一次PDMS浇注；
将液态PDMS试剂的预置剂A和凝固剂B按照10:1比例进行混合均匀，静置30min，待其溶液内混杂的气泡上浮，将无气泡的混合液浇注到第三步制作好的凸模组合上，将整体放入烤箱进行加热固化成型，取下成型后的PDMS上层模型。如果部分气泡无法上浮，用橡胶洗耳球将气泡吹破。
第四步：键合盖板；
取比通道尺寸大2mm、厚度2mm的矩形PDMS盖板(7)，采用紫外线等离子键合机将浇注成型的上层模型和矩形PDMS盖板(7)键合在一起。
第五步：黏贴矩形反射镜片；
将键合盖板后的PDMS上层模型水平放置，用镊子取合适的矩形反射镜片(8)贴在三棱镜凹膜(5)45度的斜面上，微通道和45度的斜面加工完成。
第六步：二次PDMS浇注；
将粘好的矩形反射镜片(8)和矩形PDMS盖板(7)的通道模型放入培养皿容器内，然后将混合充分的液态PDMS溶液二次浇注到培养皿容器中，将整个微通道进行完全包裹，放入烤箱内进行加热使微通道芯片固化成型。
第七步：芯片切割；
根据观测需要，将固化成型后的微通道芯片切割成需要形状。
第八步：观测；
根据观测需要，利用显微镜(11)进行正面观测，或者调整微通道芯片的位置，通过矩形反射镜片(8)进行侧面观测。
三棱镜(2)采用有机玻璃材质激光切割而成，保证其中三棱镜(2)的一棱角为45度，保证45度所在侧面表面粗糙度Ra小于2um。
由于PDMS材料属于软质硅胶类有机物，PDMS材料和反射镜(8)之间的黏贴性能好，所以不用额外添加粘合剂。
一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片，在圆形硅片(3)上通过光刻法加工出实验需要的通道凸模(1)，然后将加工好的三菱镜(2)放在微通道需要侧面观测的一侧，三棱镜(2)和硅片(3)采用胶水粘接固定在一起，防止三棱镜在浇注过程中移动脱落；然后将混合均匀的液态PDMS溶液浇注在凸模上，待其固化后取下凸模，在一次浇注后的PDMS上层模型上形成微通道凹膜(4)和三棱镜凹膜(5)；然后将PDMS材质盖板(7)键合在上层模型(6)上，然后将矩形反射镜片(8)粘在三棱镜凹膜(5)的45斜面上；再将混合均匀的液态PDMS溶液将粘接好PDMS材质盖板(7)和矩形反射镜片(8)的上层模型(6)进行整体二次浇注，待加热固化后，形成最终模型微流控芯片，根据实验需要对加工好的微流控芯片模型进行切割。
该工艺的创新点：
1.该工艺可加工出既可实现传统正面观测又可实现侧面观测的PDMS微流控芯片，满足同一芯片对微流控通道三维可视化研究的需求。
2.该发明采用液态PDMS溶液先后两次浇注，可使加工出的芯片模型没有中间键合面，正面和侧面的透明度极高，避免了传统上下两层键合面对侧面观测的影响。
3.该工艺所采用材料和器具都为普通材料，来源丰富，成本低利于推广。
附图说明
图1为光刻法加工的凸模轴测图。
图2为光刻法加工的凸模左视图。
图3为第一次浇注后形成的PDMS上层模型轴测图。
图4为第一次浇注后形成的PDMS上层模型左视图。
图5为键合盖板和反光镜后的模型轴测图。
图6为键合盖板和反光镜后的模型透视图。
图7为键合盖板和反光镜后的模型左视图。
图8为二次浇注后的PDMS模型轴测图。
图9为二次浇注后的PDMS模型透视图。
图10为加工完成后通道侧面观测示意图。
图11为加工完成后芯片模型俯视图。
图中：1.光刻微通道凸模，2.三棱镜，3.硅片，4.一次浇注后微通道的PDMS凹膜，5.一次浇注后三棱镜的PDMS凹膜，6.一次浇注PDMS上模板，7.PDMS盖板，8.反射镜，9.二次浇注后的PDMS下模板，10.成型PDMS通道模型，11.显微镜镜头。
具体实施方式
1、加工要求
a)由于该发明的关键环节在于保证反射镜与水平方向夹角为45度，为保证将微通道的侧面影像完全反射给上方的显微镜镜头，所以要求三菱镜其中一个菱角度数必须严格为45度；还要保证45度所在的那棱面的粗糙度应小于2um，为了保证浇注出来的斜面更加平整。平整的斜面可以降低光线的散射。所以三棱镜采用有机玻璃材质激光切割加工而成，保证加工精度和粗糙度的要求。
b)为了扩大侧面观测视野，要求二次浇注反射镜片时，镜片应被完全浇注到PDMS模型内，不可有镜片突出，影响观测。
c)为了满足侧面观测和正面观测都满足要求，反光镜片距离微通道应在3-5mm之前，不可过长。
Claims (4)
1.一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：
第一步：通道凸模前处理；
通过光刻法在光滑的硅片(3)上加工出需要的微通道凸模(1)，如果同一硅片上加工有多个微通道时，取消通道间的分割线，避免通道间的分割线对最终通道侧面观测的影响，同时要求各个通道和通道之间预留有能够放置三棱镜(2)的间距；
第二步：安放三棱镜；
将三棱镜(2)放置在需要进行侧面观测通道的一侧，然后用胶水将三棱镜(2)和硅片(3)粘接在一起，一次浇注制作完成凸模组合；
第三步：一次PDMS浇注；
将液态PDMS试剂的预置剂A和凝固剂B按照10:1比例进行混合均匀，静置30min，待其溶液内混杂的气泡上浮，将无气泡的混合液浇注到第二步制作好的凸模组合上，将整体放入烤箱进行加热固化成型，取下成型后的PDMS上层模型；如果部分气泡无法上浮，用橡胶洗耳球将气泡吹破；
第四步：键合盖板；
取比通道尺寸大2mm、厚度2mm的矩形PDMS盖板(7)，采用紫外线等离子键合机将浇注成型的上层模型和矩形PDMS盖板(7)键合在一起；
第五步：黏贴矩形反射镜片；
将键合盖板后的PDMS上层模型水平放置，用镊子取合适的矩形反射镜片(8)贴在三棱镜凹膜(5)45度的斜面上，微通道和45度的斜面加工完成；
第六步：二次PDMS浇注；
将粘好的矩形反射镜片(8)和矩形PDMS盖板(7)的通道模型放入培养皿容器内，然后将混合充分的液态PDMS溶液二次浇注到培养皿容器中，将整个微通道进行完全包裹，放入烤箱内进行加热使微通道芯片固化成型；
第七步：芯片切割；
根据观测需要，将固化成型后的微通道芯片切割成需要形状；
第八步：观测；
根据观测需要，利用显微镜(11)进行正面观测，或者调整微通道芯片的位置，通过矩形反射镜片(8)进行侧面观测。
2.根据权利要求1所述的一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：
三棱镜(2)采用有机玻璃材质激光切割而成，保证其中三棱镜(2)的一棱角为45度，保证45度所在侧面表面粗糙度Ra小于2um。
3.根据权利要求1所述的一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片的制备方法，其特征在于：由于PDMS材料属于软质硅胶类有机物，PDMS材料和反射镜(8)之间的黏贴性能好，所以不用额外添加粘合剂。
4.利用权利要求1所述制备方法加工的一种可实现正面侧面同时观测的微流控芯片，其特征在于：在圆形硅片(3)上通过光刻法加工出实验需要的通道凸模(1)，然后将加工好的三菱镜(2)放在微通道需要侧面观测的一侧，三棱镜(2)和硅片(3)采用胶水粘接固定在一起，防止三棱镜在浇注过程中移动脱落；然后将混合均匀的液态PDMS溶液浇注在凸模上，待其固化后取下凸模，在一次浇注后的PDMS上层模型上形成微通道凹膜(4)和三棱镜凹膜(5)；然后将PDMS材质盖板(7)键合在上层模型(6)上，然后将矩形反射镜片(8)粘在三棱镜凹膜(5)的45度斜面上；再将混合均匀的液态PDMS溶液将粘接好PDMS材质盖板(7)和矩形反射镜片(8)的上层模型(6)进行整体二次浇注，待加热固化后，形成最终模型微流控芯片，根据实验需要对加工好的微流控芯片模型进行切割。
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