CN109107623B - 一种微流控芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流控芯片，其包括：微腔基片及叠置于微腔基片上的微通道基片，微腔基片包括第一基片本体、多组平行且间隔设于第一基片本体顶面的微腔阵列组以及位于多组微腔阵列组一侧的进口槽，微通道基片包括第二基片本体、多条平行间隔设于第二基片本体底面的条形通道以及设于第二基片本体顶面的出口，第二基片本体的底面与第一基片本体的顶面贴合，每条条形通道的入口与进口槽连通，每组微腔阵列位于每条条形通道内，使试样通过进口槽沿每条条形通道的入口进入各微腔阵列组中，使该微流控芯片更容易捕获微珠，不易产生气泡，形成流场死区，并且可重复使用；此外，微通道基片和微腔基片的贴合强度高，使微流控芯片的成品率高，不容易发生泄漏。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，尤其涉及一种微流控芯片及制备方法。
背景技术
目前，微珠和微液滴的捕集广泛应用于医学诊断、制药和生物学等研究领域中，例如：ELSIA技术和PCR技术；但是，基于注射泵的微通道的微流控芯片的捕集率低和时间密集的程序低，并且需要使用大量的机械泵和附件来处理液体；主要表现在：
微流体在流动过程中粘度阻力很大，使机械泵驱动细长管道内的流体困难，并且机械微泵在处理液体的过程中会破坏流体中的生物分子或使生物分子变性；此外，机械泵包含微型可控部件，价格昂贵。
微流体易受微流体管道中气泡的影响，使机械泵中的液压很难控制，并且当流速过大时易把微珠冲出，造成微珠捕获效率低。
利用微流道注射的方法实现微珠捕获，不仅需要大型的注射泵和辅助程序来处理液体，而且这种化学修饰的过程不可逆转，很难实现微珠试样的回收。
因此，传统的技术方案中存在的微流控芯片存在微珠捕获效率低和微流控芯片不能重复使用问题。
发明内容
本发明提供一种微流控芯片，旨在解决传统的技术方案中存在的微珠捕获效率低和微流控芯片不能重复使用问题。
本发明是这样实现的，一种微流控芯片，该微流控芯片包括：
包括微腔基片及叠置于所述微腔基片上的微通道基片，所述微腔基片包括第一基片本体、多组平行且间隔设于所述第一基片本体顶面的微腔阵列组以及位于多组所述微腔阵列组一侧且与各所述微腔阵列组连通的进口槽，所述微通道基片包括第二基片本体、多条平行间隔设于所述第二基片本体底面的条形通道以及设于所述第二基片本体顶面与各所述条形通道连通的出口，所述第二基片本体的底面与所述第一基片本体的顶面贴合，每条所述条形通道的入口与所述进口槽连通，每组所述微腔阵列位于每条所述条形通道内。
此外，还提供了一种微流控芯片制备方法，包括如下步骤：
依次对所述第一基片本体进行等离子体处理、匀胶、前烘、斜曝光、后烘、显影以及清洁处理以获得所述微腔基片；
将聚二甲基硅氧烷浇铸于母版的微流通道图案上，并将所述聚二甲基硅氧烷进行固化处理后剥离所述母版以获得所述微通道基片；
将所述微腔基片的键合面和所述微通道基片的键合面相互贴合并经过加热按压处理以获得所述微流控芯片。
上述的微流控芯片，包括微腔基片及叠置于所述微腔基片上的微通道基片，微腔基片包括第一基片本体、多组平行且间隔设于第一基片本体顶面的微腔阵列组以及位于多组微腔阵列组一侧且与各微腔阵列组连通的进口槽，微通道基片包括第二基片本体、多条平行间隔设于第二基片本体底面的条形通道以及设于第二基片本体顶面与各条形通道连通的出口，第二基片本体的底面与第一基片本体的顶面贴合，每条条形通道的入口与进口槽连通，每组微腔阵列位于每条条形通道内，从而使试样通过进口槽沿每条条形通道的入口进入到各微腔阵列组中，能够利用表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，从而使该微流控芯片容易捕获微珠，并且该微流控芯片可重复使用；此外，微通道基片和微腔基片的贴合强度高，从而制造微流控芯片的成品率高，同时在使用时不容易发生泄漏。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的微流控芯片的整体结构的透视图；
图2为本发明一实施例提供的微流控芯片的整体结构的效果图；
图3为本发明一实施例提供的微腔基片的光刻掩模板的俯视图；
图4为本发明一实施例提供的微腔基片的光刻掩模板的局部放大俯视图；
图5为本发明一实施例提供的微腔结构阵列的斜槽的剖面侧视图；
图6为本发明一实施例提供的微腔基片的微腔结构阵列组的三维结构图；
图7为本发明一实施例提供的微通道基片键合面的底面；
图8为本发明一实施例提供的微通道基片键合面的顶面；
图9为本发明一实施例提供的微流控芯片制备方法的流程图；
图10为本发明一实施例提供的微腔基片的制备流程图；
图11为本发明一实施例提供的微腔基片和微通道基片的键合流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和2示出了本发明较佳实施例提供的微流控芯片的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
参考图1和2，微流控芯片包括微腔基片10及叠置于微腔基片上的微通道基片20，微腔基片10包括第一基片本体103、多组平行且间隔设于第一基片本体103顶面的微腔阵列组101以及位于多组微腔阵列组一侧且与各微腔阵列组连通的进口槽102，微通道基片20包括第二基片本体204、多条平行间隔设于第二基片本体204底面的条形通道202以及设于第二基片本体204顶面与各条形通道连通的出口203，第二基片本体204的底面与第一基片本体103的顶面贴合，每条条形通道202的入口201与进口槽102连通，每组微腔阵列位于每条条形通道内。
在其中一个的实施例中，第二基片本体204具有第一边缘，条形通道202的入口201位于第一边缘上，第一边缘与进口槽102相对以使进口槽102全部或部分外露，以使得条形通道202与进口槽102连通。本实施例中，第一边缘为直线形，进口槽102为矩形，第一边缘与进口槽102靠近微腔阵列组101的侧边平行相对，甚至对齐。可以理解的是，在其他实施例中，第一边缘可以为内凹或外凸弧形，或曲线，那么进口槽102为相应的扇形或环形或其他任意弯曲形状。出口203为圆孔，或方孔。
在进一步实施例中，第二基片本体204的底面上，条形通道202靠近出口203的一端与出口203之间开设有一凹腔205。出口203设置在凹腔205的底面，贯穿凹腔205的底面和第二基片本体204的顶面；出口203也可以设置在凹腔205之远离条形通道202的侧壁上，贯穿凹腔205的底面和第二基片本体204的侧壁。第二基片本体204的凹腔205与第一基片本体103的顶面形成一流通液体试样的空腔。
如上述，微腔阵列组101与每条条形通道202间隔设置，液体试样可以通过进口槽102进入到每条条形通道的入口201中，试样在毛细力的作用下由每条条形通道的入口201进入到各微腔阵列组101中，要排去液体时可使用抽液泵从微通道基片20的出口203吸走；微腔阵列组101与每条条形通道202进行间隔设置，能够利用表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，从而使该微流控芯片容易捕获微珠，并且该微流控芯片可重复使用；此外，微通道基片20和微腔基片10的贴合强度高，从而使制造微流控芯片的成品率高，同时在使用时不容易发生泄漏。
在其中一个实施例中，参考图6，每组微腔阵列包括间隔排列的多个用于容纳微珠的微腔单元1011，每个微腔单元1011纵截面为楔形结构。纵截面为楔形结构的微腔单元1011容易捕获微珠，与现有的垂直孔结构相比，楔形结构不易形成死区，不易产生气泡，并且能够利用三维楔形表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，使试样在楔形毛细力的作用下填充微腔单元1011，无需复杂的机械注射泵装置，具有操作过程简单和可重复性高的特点。
在其中一个实施例中，参考图6，微腔单元1011的开口为半椭圆形。本实施例将微腔单元1011的开口设为半椭圆形可以利用表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，从而使该微流控芯片更容易捕获微珠。
在其中一个实施例中，参考图6，微腔单元1011的腔体为斜槽。在本实施例中，微腔单元1011的腔体的任一个壁面与第一基片本体103形成倾斜角度。在具体的实施例中，微腔单元1011的腔体的任一个壁面与第一基片本体103可形成45°的夹角，即斜槽与的任一个壁面与第一基片本体103成45°的夹角。将微腔单元1011的腔体设置为斜槽可以进一步利用表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，从而使该微流控芯片更容易捕获微珠。
在其中一个实施例中，微腔单元1011被配置为容纳单个微珠，微珠的半径和斜槽的倾斜角度与半椭圆形的尺寸的关系式为：
其中，
为半椭圆形的长半轴，
为半椭圆形的短半轴，α为斜槽的倾斜角度，R为微珠的最大阈值半径。在具体的实施例中，微球的半径为3μm，根据微珠的半径和斜槽的倾斜角度与半椭圆形的尺寸的关系式可制作半椭圆形的长半轴为8.5μm，短半轴位3.5μm，每个微腔单元1011之间的左右间距为8μm，前后间距为5μm，如图4所示。
在其中一个实施例中，微腔单元1011被配置为容纳半径在预设范围内的微珠，微珠的半径与斜槽的倾斜角度的关系式为：
其中，r为微珠的最小阈值半径。
在其中一个实施例中，斜槽的倾斜角度不大于试样液体的杨式接触角的两倍的补角，即斜槽的倾斜角度与试样液体的杨式接触角的关系式为：
α≤180°-2θ
其中，α为斜槽的倾斜角度，θ为试样液体的杨式接触角。在具体的实施例中，斜槽的倾斜角度为45°，如图5和6所示。
此外，还提供了一种微流控芯片制备方法，包括如下步骤：
步骤S10.依次对第一基片本体103进行等离子体处理、匀胶、前烘、斜曝光、后烘、显影以及清洁处理以获得微腔基片10；
其中，步骤S10具体包括如下步骤：
步骤S101.将第一基片本体103放置于等离子体处理仪的密闭烘箱内，加热至第一预设温度以对第一基片本体103进行等离子体处理第一预设时间，取出。在具体的实施例中，第一预设温度为120℃，第一预设时间为5min。本步骤用于除去第一基片本体103附着的水汽以形成亲水性表面。
步骤S102.向等离子体处理后的第一基片本体103的一侧滴入预设体积的光刻胶，以预设转速对第一基片本体103进行甩胶处理第二预设时间，以获得预设厚度的光刻胶基片。在具体的实施例中，预设转速为4000rpm，第二预设时间位35s，预设厚度为20μm。本步骤可在第一基片本体103旋涂上均匀稳定的光刻胶。
步骤S103.将光刻胶基片放置于第二预设温度的烘台上烘烤第三预设时间，再将烘台温度调节至第三预设温度烘烤第四预设时间，以对光刻胶基片进行前烘处理。在具体的实施例中，光刻胶为SU-8 2025光刻胶，第三预设时间为5min，第二预设温度为65℃，第四预设时间为15min，第三预设温度为95℃。本步骤对光刻胶基片进行前烘处理以增强光刻胶与第一基片本体103的粘附性。
步骤S104.调节前烘处理后的光刻胶基片与光源的夹角为预设夹角，对光刻胶基片进行斜曝光处理第五预设时间。对光刻胶基片进行斜曝光处理可以得到微腔单元1011的腔体的壁面与第一基片本体103成预设夹角，例如，调节光刻胶基片与光源的夹角为50°时，微腔单元1011的腔体的壁面与第一基片本体103也成50°。在具体的实施例中，预设夹角为45°，第五预设时间为60s，光源能量可在150mJ/cm2至215mJ/cm2范围内。本步骤可使经过斜曝光处理的光刻胶发生化学反应，被遮挡而未经斜曝光处理的光刻胶保持原来的性质不变，使光刻掩模版的微腔结构阵列101图案转移到光刻胶基片上。
步骤S105.将斜曝光处理后的光刻胶基片放置于第四预设温度的烘台上烘烤第六预设时间，再将烘台温度调节至第五预设温度烘烤第七预设时间，以对斜曝光后的光刻胶基片进行后烘处理。在具体的实施例中，第四预设温度为65℃，第六预设时间为5min，第五预设温度为95℃，第七预设时间为7min。本步骤对光刻胶基片进行后烘处理可以进一步增强光刻胶与第一基片本体103的粘附性。
步骤S106.将后烘处理后的光刻胶基片放置于显影液中浸泡第八预设时间以对光刻胶基片进行显影处理。在具体的实施例中，显影液可为SU-8显影液，第八预设时间可在5min至6min范围内。本步骤可使经过斜曝光处理的光刻胶溶于显影液中，被遮挡而未经斜曝光处理的光刻胶被保留下来，从而使光刻掩模版的微腔结构阵列101图案复制到第一基片本体103上，从而获得微腔基片10
步骤S107.对显影处理后的光刻胶基片中进行清洗处理以获得微腔基片10。本步骤可采用无水乙醇对光刻胶基片中的显影液进行清洗。
步骤S20.将聚二甲基硅氧烷浇铸于母版的微流通道图案上，并将聚二甲基硅氧烷进行固化处理后剥离母版以获得微通道基片20。
步骤S30.将微腔基片10的键合面和微通道基片20的键合面相互贴合并经过加热按压处理以获得微流控芯片。
其中，步骤S30具体包括如下步骤：
步骤S301依次采用异丙醇分别对微腔基片10和微通道基片20进行冲洗第九预设时间、去离子水分别对微腔基片10和微通道基片20进行冲洗第十预设时间以及氮气分别对微腔基片10和微通道基片20进行吹干，以对微腔基片10和微通道基片20进行清洁处理。在具体的实施例中，第九预设时间可在40s至50s范围内，第十预设时间可在1min至2min范围内。本步骤可以去除微腔基片10和微通道基片20表面存在的有机物和杂质颗粒。
步骤S302.将清洁处理后的微通道基片20放置于等离子体处理仪中，调节等离子体处理仪的功率为预设功率以对微通道基片20进行等离子体处理第十一预设时间。在具体的实施例中，预设功率可在200W至400W范围内，第十一预设时间可在40s至60s范围内。本步骤可以将微通道基片20的疏水性键合面改性为亲水性键合面。
步骤S303.将清洁处理后的微腔基片10和等离子体处理后的微通道基片20分别放置于氨丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的混合溶液中浸泡第十二预设时间，以对微腔基片10和微通道基片20进行硅烷化改性处理。在具体的实施例中，氨丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的混合溶液的体积比浓度在0.5％至5％范围内，第十二预设时间为20min。
步骤S304.采用去离子水分别对硅烷化改性处理后的微腔基片10和微通道基片20进行冲洗第十三预设时间。在具体的实施例中，第十三预设时间可在1min至2min范围内。本步骤可以去除残留在微腔基片10和微通道基片20表面上的氨丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的混合溶液。
步骤S305.将硅烷化改性处理后的微腔基片10放置于第六预设温度的烘台上，再将硅烷化改性处理后的微通道基片20的键合面贴合在微腔基片10的键合面上，通过夹板对微通道基片20按压第十四预设时间以键合微腔基片10和微通道基片20，获得微流控芯片。在具体的实施例中，第六预设温度为80℃，第十四预设时间为40min。
本发明的有益效果：
(1)将微通道基片的键合面贴附于三维楔形结构的微腔基片的键合面上进行键合得到该微流控芯片，使该微流控芯片容易捕获微珠，并且该微流控芯片可重复使用。
(2)微通道基片和微腔基片的键合强度高，从而使制造微流控芯片的成品率高，使用时不容易发生泄漏。
(3)楔形结构的微腔基片相对于垂直孔结构而言，楔形结构不易形成死区，不易产生气泡，并且能够利用楔形结构和半椭圆形开口的表面能梯度及拉普拉斯压差实现微珠的自发流动，从而填充微腔单元，无需复杂的机械注射泵装置，具有操作过程简单和可重复性高的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种微流控芯片，其特征在于，包括微腔基片及叠置于所述微腔基片上的微通道基片，所述微腔基片包括第一基片本体、多组平行且间隔设于所述第一基片本体顶面的微腔阵列组以及位于多组所述微腔阵列组一侧的进口槽，所述微通道基片包括第二基片本体、多条平行间隔设于所述第二基片本体底面的条形通道以及设于所述第二基片本体顶面与各所述条形通道连通的出口，所述第二基片本体的底面与所述第一基片本体的顶面贴合，每条所述条形通道的入口与所述进口槽连通，每组所述微腔阵列位于每条所述条形通道内；每组所述微腔阵列包括间隔排列的多个用于容纳微珠的微腔单元，每个微腔单元纵截面为楔形结构。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微腔单元的开口为半椭圆形。
3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述微腔单元的腔体为斜槽。
4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述微腔单元被配置为容纳单个微珠，所述微珠的半径、所述斜槽的倾斜角度与所述半椭圆形的尺寸的关系式为：
其中，
为所述半椭圆形的长半轴，
为所述半椭圆形的短半轴，α为所述斜槽的倾斜角度，R为所述微珠的最大阈值半径。
5.如权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述微腔单元被配置为容纳半径在预设范围内的所述微珠，所述微珠的半径与所述斜槽的倾斜角度的关系式为：
其中，r为所述微珠的最小阈值半径。
6.如权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述斜槽的倾斜角度不大于试样液体的杨式接触角的两倍的补角。
7.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片的制备方法包括如下步骤：
依次对所述第一基片本体进行等离子体处理、匀胶、前烘、斜曝光、后烘、显影以及清洁处理以获得所述微腔基片；
将聚二甲基硅氧烷浇铸于母版的微流通道图案上，并将所述聚二甲基硅氧烷进行固化处理后剥离所述母版以获得所述微通道基片；
将所述微腔基片的键合面和所述微通道基片的键合面相互贴合并经过加热按压处理以获得所述微流控芯片。
8.如权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，所述依次对所述第一基片本体进行等离子体处理、匀胶、前烘、斜曝光、后烘、显影以及清洁处理以获得所述微腔基片，包括如下步骤：
对所述第一基片本体进行等离子体处理；
向等离子体处理后的所述第一基片本体的一侧滴入光刻胶，并对所述第一基片本体进行甩胶处理以获得预设厚度的光刻胶基片；
对所述光刻胶基片进行前烘处理；
调节所述前烘处理后的光刻胶基片与光源的夹角为预设夹角，对所述光刻胶基片进行斜曝光处理；
对所述斜曝光处理后的光刻胶基片进行后烘处理；
将后烘处理后的所述光刻胶基片放置于显影液中浸泡进行显影处理；
对显影处理后的所述光刻胶基片中进行清洗处理以获得所述微腔基片。
9.如权利要求7所述的微流控芯片，其特征在于，将所述微腔基片的键合面和所述微通道基片的键合面相互贴合并经过加热按压处理以获得所述微流控芯片，包括如下步骤：
对所述微腔基片和所述微通道基片进行清洁处理；
将清洁处理后的所述微通道基片放置于等离子体处理仪中进行等离子体处理；
将所述清洁处理后的微腔基片和所述等离子体处理后的微通道基片分别放置于氨丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的混合溶液中浸泡以分别对所述微腔基片和所述微通道基片进行硅烷化改性处理；
对所述硅烷化改性处理后的微腔基片和微通道基片进行冲洗处理；
将所述硅烷化改性处理后的微腔基片放置于烘台上，再将所述硅烷化改性处理后的微通道基片的键合面贴合在所述微腔基片的键合面上，通过夹板对所述微通道基片进行按压键合所述微腔基片和所述微通道基片以获得所述微流控芯片。
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