CN109012773B - 一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法，利用光诱导亲疏水性的材料修饰芯片表面，通过紫外光曝光在微结构中产生亲疏水区域分界区域，浸润区域能够允许流体通过，而非浸润区域由于受到柱子间的拉普拉斯压力，不能够使得流体进入非浸润区域，实现了微流体通道。利用光掩膜版，在芯片内部实现不同设计的曝光，实现不同微流控流体芯片结构和功能，通过压力驱动的各种流体通道设计，以及电渗流驱动的流体通路设计，最终满足可擦写、在单一芯片上实现多功能的微流控芯片，降低了传统加工芯片需要的设计－制备－测试－再加工的生产周期和成本。能够实现所有微流控芯片能够实现的功能，包括分离，合成，混合、流动控制等等。

Description

一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域和生物化学领域，涉及一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法，特别是涉及一种光诱导浸润的可实现单一芯片结构的多种化学生物分析功能的封闭的微流控芯片及其制备。
背景技术
现有芯片基本制备方法主要是对玻璃、硬质高分子聚合物(如聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯等)和弹性聚合物(如聚二甲基硅氧烷)的微加工技术，其中光刻是制备的核心技术。光刻通常包含图形转移(曝光)、显影和刻蚀三个步骤进而在芯片上获得设计的微结构。有研究者开发了基于光刻，结合电铸的LIGA高分辨刻蚀工艺。对于聚合物芯片通常用光刻法制备模具，再将液态预聚物或熔化的热塑材料倾倒于模具上之后脱模成型。也有学者提出用激光直接烧蚀聚合物基材产生微结构；另有学者将基材加热后与模具压合，通过热压法得到和模具互补的微结构。除光刻外为得到完整芯片，往往还需要将微结构的芯片与另一芯片键合，方法包括真空加热封接和黏合剂封接等。最终制得某一种实体微结构的芯片，
只能实现特定的单一功能。光诱导浸润现象已经有很多相关研究，并且也有针对光驱动的液体流动等工作，但均是基于较为简单的结构，如毛细管等，无法实现多功能化的要求。
现有技术均是利用传统加工技术实现不同结构的微流控芯片制备，单一设计往往对应单一功能，如果能够在同一块芯片上实现可擦写，重复使用，多功能的高度集成，会极大减少微流控芯片的制备成本，并且实现在单一芯片的多功能化，对相关研究和生产均具有重要意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法。
技术方案
一种光诱导浸润的
微流控芯片制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤a：在原材料上加工构成微柱阵列结构，构成微结构芯片；所述微柱阵列结构为多个同一微柱均匀分布构成阵列结构；所述微柱阵列芯片的孔隙率为20％～80％；所述相邻微阵列单元的间隙空间深宽比为：1:5，1:1，5:1；
步骤b：裁剪与原材料相同大小的无结构平整芯片，在芯片上设有入口和出口构成开孔芯片；
步骤c：在微结构芯片的微柱阵列结构的面上修饰光诱导浸润涂层，在开孔芯片的一面上修饰光诱导浸润涂层；所述光诱导浸润涂层采用无机或有机涂层；
步骤d：将两块芯片的光诱导材料一侧相接触并封接为封闭的完整芯片；
步骤e：将掩膜置于完整芯片与紫外光源之间，进行曝光，得到光诱导浸润的微流控芯片；曝光过程中：紫外光源波长为400纳米以下，曝光时间5秒至10分钟。
所述原材料包括但不限于石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、碳酸聚酯、热固性聚酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯。
所述微柱包括但不限于圆柱形，长方形，三角形，翼形，流线型，菱形或I形。
所述无机涂层包括但不限于氧化锌或二氧化钛宽带隙氧化物。
所述有机涂层包括但不限于偶氮苯类或螺吡楠类涂层。
所述掩膜包括但不限于直线型，十字型，T型，Y型，圣诞树型，H型；其长度范围500微米至10厘米，宽度范围1微米至1毫米。
一种所述光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用机械驱动或非机械驱动的方法将需要进行物理、化学或生物实验的流体泵入微流控芯片内；所述机械驱动的方法包括压力差、流体自身重力或离心力；所述非机械驱动方法包括电、磁或热；
步骤2：当采用无机材料修饰表面的芯片时，在120℃至180℃范围内对微流控芯片加热或在黑暗环境中放置3至7天使其整体恢复疏水特性；
当采用有机材料修饰表面的芯片时，用波长为400纳米至700纳米的可见光照射使其整体恢复疏水特性，加热时间为30秒至1小时；可见光照射时间为30秒至30分钟；
步骤3：采用与前一次不同图案的掩膜，将掩膜置于完整芯片与紫外光源之间，进行曝光，得到光诱导浸润的微流控芯片；
步骤4：重复步骤1。
有益效果
本发明提出的一种光诱导浸润的微流控芯片制备方法及功能化方法，利用光诱导亲疏水性的材料修饰芯片表面，通过紫外光曝光在微结构中产生亲疏水区域分界区域，浸润区域能够允许流体通过，而非浸润区域由于受到柱子间的拉普拉斯压力，不能够使得流体进入非浸润区域，实现了微流体通道。而由于光能够改变界面的浸润性，所以能够利用界面的亲疏水实现芯片内部的流体通道的可擦写功能。并且，利用光掩膜版，在芯片内部实现不同设计的曝光，即能够实现不同微流控流体芯片结构和功能，如通过压力驱动的各种流体通道设计，以及电渗流驱动的流体通路设计，最终满足可擦写、在单一芯片上实现多功能的微流控芯片，极大的降低了传统加工芯片需要的设计－制备－测试－再加工的生产周期和成本。通过本发明能够实现所有微流控芯片能够实现的功能，包括分离，合成，混合、流动控制等等。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用光响应材料修饰界面，配合不同形状的掩膜曝光制备多种通道形貌的微流控芯片。该方法仅需单次制备芯片和薄膜，由于通道可擦写，设计更加灵活，制备周期显著减少，一般实验室条件下均可完成；可以快速形成不同形状的通道进而实现多种功能，并将其应用于生物化学中的物质检测或合成，极大的减小了芯片制作的时间和经济成本；光诱导操作方便，非专业人员亦可迅速掌握，芯片在使用中性能稳定，有广泛的应用前景。
附图说明
图1为制备的微柱阵列芯片示意图。
图2为开孔的平整无结构芯片示意图。
图3为修饰沉积光诱导材料的微柱阵列芯片示意图。
图4为沉积修饰光诱导材料的平整芯片示意图。
图5为完整的封闭的芯片示意图。
图6为用掩膜对芯片曝光示意图。
图7为流体驱动方式和结果(如压力、电渗、电泳等驱动方式)示意图。
附图标记：
1为微阵列芯片，11为微阵列单元
2为平整无结构芯片，21,22,23,24作为芯片的入口或出口
3为微阵列芯片表面修饰的光诱导材料，
4为平整芯片表面修饰的光诱导材料
61为光源，62为不同图案的光掩膜版，63为光响应的亲水区域
71为驱动流体运动的外场，72为流入试剂，73为收集试剂
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1芯片微结构的制备：
清洗石英芯片；在2x2cm的石英芯片表面旋涂光刻胶；在90℃下预烘10分钟；使用微圆形阵列的掩膜在紫外光源下曝光；用显影液除去部分光刻胶，获得和掩膜形状相同的图形；在150℃下后烘30分钟坚固胶膜；使用干法刻蚀获得上底直径8微米，下底直径10微米，高度4微米，平均柱间距3微米的微柱阵列石英芯片。如图1。
进一步地，所述微柱阵列芯片1材质包括：玻璃，石英，聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，聚乙烯，聚丙烯等。
进一步地，所述微阵列单元11的形状包括：圆柱形，长方形，三角形，翼形，流线型，菱形，I形等各种不同形状。
进一步地，所述微柱阵列芯片1孔隙率包括：20％，50％，80％等。
进一步地，所述相邻微阵列单元11的间隙空间深宽比包括：1:5，1:1，5:1等。
实施例2光诱导材料的界面修饰
使用原子层沉积系统在微阵列芯片1和平整开孔芯片2表面沉积氧化锌薄膜，如图3和图4。
进一步地，所述界面修饰材料包括有机光诱导材料偶氮苯类，螺吡喃类，和无机光诱导材料氧化锌，二氧化钛等。
实施例3光诱导材料的响应与恢复
将两块芯片有镀膜的一侧接触并封接为完整芯片，如图5。
在封闭的完整芯片与波长为365纳米，光强145毫瓦/平方厘米的紫外光源61之间放置光掩膜板62。将芯片与掩膜对齐，曝光5分钟，如图6。从曝光区域一端的孔注射纯水，润湿曝光区域63，形成流体通道。
通过加热处理、黑箱放置、可见光照射等方法使两块芯片恢复疏水性，从而实现流体通道擦除。
能够通过光掩模版曝光(62)实现各种图案，以及多功能化芯片功能，包括直线形，十字形，H形，Y形，圣诞树形等各种微流控芯片图案。曝光过程中：紫外光源波长为400纳米以下，曝光时间5秒至10分钟；
实施例4流体进样驱动方式
流体或样品泵入可通过机械力(如压力差)或电、磁、热、化学能等物理化学场梯度差驱动。
以电驱动为例，在入口22处滴加样品72，出口24处通入管道，在入口22和出口24处分别放置通有直流电场的电极，依靠电渗作用驱动流体，在出口24处收集样品73，在如图7。其他力场与流体的相互耦合作用，同样能够驱动流体和进样。
实施例5芯片功能
由于通过不同光掩膜版的曝光，能够实现芯片上的亲水图案化，其图案完全能够由光掩膜版决定，同时使用完毕后能够将其疏水化处理，对流体通道进行擦除，即可实现多功能可擦写，无需再次制备可重复使用的微流控芯片。
微流控芯片功能包括：
混合：曝光出以21，22为入口，23为出口的圣诞树形通道，在入口21与入口22处分别进样不同试剂，经过通道分叉处依次形成一系列浓度或成分梯度的试剂或实现研究流体流动模式的功能。
分离：曝光出以21,22为入口，23，24为出口的十字形通道，在入口21处进含生物分子的样品液，在出口23处滴加纯水，21与23之间通有直流电场完成上样过程；随后在入口22处进样缓冲液，出口24处滴加纯水，将直流电场改接于22与24之间，实现生物分子，包括核酸，蛋白质等的电泳分析；核酸分析包括:基因的点突变检测，基因重排检测或基因甲基化检测等等；蛋白质分析包括；尿蛋白的分离等检测疾病功能；特异性活性酶等的分离纯化功能；
曝光出以21,22为入口，23,24为出口的H型通道，在入口21和22处分别进样含磁性物质和不含磁性物质的试剂，在通道一侧放置永磁体，驱动流体，在磁体一侧的出口23或24处收集到磁性颗粒，实现磁性物质的分离与富集；
曝光出以21为入口，23为出口矩形通道，在入口21处进样血液或含有不同硬度、大小物质的试剂，包括：血液、生物分子等等，实现血液内物质的分离或其它生物分子运动研究；进一步地，在通道外侧施加电磁等外场，生物分子或简单颗粒受外场不同程度的作用，运动路径不同实现分离。
反应：曝光出以21，22为入口，23为出口的T型或Y型通道，在入口21和入口22分别进样两种反应物，驱动流体并完成一系列化学反应，包括维蒂希反应、氧化还原反应、偶联反应、氟化反应、硝化反应、聚合反应、酶促反应等。
扩散：曝光出以21，22,24为入口，23为出口的十字形通道，在入口21处进样品液，在入口22和24处进样缓冲液，调控22与24处进样的流量、流速进而精确控制样品液中生物分子位置；进一步地，曝光多个相连的十字形通道，分别调控不同缓冲液通道的流量通过流体聚焦模式实现单细胞操控、微粒制备等生物医药功能。
曝光出以21,23为入口，22为出口的Y型或T型通道，芯片中央定位胚胎等细胞，在入口21处与入口23处分别进样温度、成分或浓度不同试剂，比较细胞两侧变化实现细胞研究功能。
合成：曝光出以21,23为入口，22为出口的Y或T型通道，在入口21和23处分别进样不同的反应物，在出口22收集到合成的一系列物质，包括氟化物、氰化物、生物柴油、杂环分子等等，实现精细化学的药物合成等功能。
当采用无机材料修饰表面的芯片时，在120℃至180℃范围内对微流控芯片加热或在黑暗环境中放置3至7天使其整体恢复疏水特性；
当采用有机材料修饰表面的芯片时，用波长为400纳米至700纳米的可见光照射使其整体恢复疏水特性，加热时间为30秒至1小时；可见光照射时间为30秒至30分钟。

Claims (6)

1.一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用机械驱动或非机械驱动的方法将需要进行物理、化学或生物实验的流体泵入微流控芯片内；所述机械驱动的方法包括压力差、流体自身重力或离心力；所述非机械驱动方法包括电、磁或热；
步骤2：当采用无机材料修饰表面的芯片时，在120℃至180℃范围内对微流控芯片加热或在黑暗环境中放置3至7天使其整体恢复疏水特性；
当采用有机材料修饰表面的芯片时，用波长为400纳米至700纳米的可见光照射使其整体恢复疏水特性，加热时间为30秒至1小时；可见光照射时间为30秒至30分钟；
步骤3：将掩膜置于完整芯片与紫外光源之间，进行曝光，得到功能化的光诱导浸润的微流控芯片；
步骤4：重复步骤1；
所述光诱导浸润的微流控芯片的制备方法具体步骤如下：
步骤a：在原材料上加工构成微柱阵列结构，构成微结构芯片；所述微柱阵列结构为多个同一微柱均匀分布构成阵列结构；所述微柱阵列芯片的孔隙率为20％～80％；相邻微阵列单元的间隙空间深宽比为：1:5，1:1，5:1；
步骤b：裁剪与原材料相同大小的无结构平整芯片，在芯片上设有入口和出口构成开孔芯片；
步骤c：在微结构芯片的微柱阵列结构的面上修饰光诱导浸润涂层，在开孔芯片的一面上修饰光诱导浸润涂层；所述光诱导浸润涂层采用无机或有机涂层；
步骤d：将两块芯片的光诱导材料一侧相接触并封接为封闭的完整芯片；
步骤e：采用与前一次不同图案的掩膜，将掩膜置于完整芯片与紫外光源之间，进行曝光，得到光诱导浸润的微流控芯片；曝光过程中：紫外光源波长为400纳米以下，曝光时间5秒至10分钟。
2.根据权利要求1所述一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于：所述原材料包括但不限于石英、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、热固性聚酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯。
3.根据权利要求1所述一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于：所述微柱包括但不限于圆柱形，长方形，三角形，翼形，流线型，菱形或I形。
4.根据权利要求1所述一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于：所述无机涂层包括但不限于氧化锌或二氧化钛宽带隙氧化物。
5.根据权利要求1所述一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于：所述有机涂层包括但不限于偶氮苯类或螺吡喃类涂层。
6.根据权利要求1所述一种光诱导浸润的微流控芯片的功能化方法，其特征在于：所述掩膜包括但不限于直线型，十字型，T型，Y型，圣诞树型，H型；其长度范围500微米至10厘米，宽度范围1微米至1毫米。
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