CN109174216B - 一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片及其制作方法。所述微流控芯片，包括薄层色谱板基底，以及在基底表面构筑的至少一个微流控通道。该微流控芯片的制作方法：将薄层色谱板、蜡质薄膜、透明压板三层依次叠放并夹紧，置于激光雕刻机激光头的下方，激光束扫描出设计好的微流控通道图案；激光束使蜡质薄膜上的疏水性蜡质材料熔化并转印至薄层色谱板的固定相层，随即冷却固化，构筑出微流控通道；切割出相应区域，得到微流控芯片。本发明充分利用薄层色谱板表面的色谱分离特性，以它为基底制备的微流控芯片其流体通道具备薄层色谱分离功能，可提高分析效率和准确度。制作方法及设备简单、无需特殊洁净环境、可快速批量复制。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片的技术领域，具体涉及一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片及其制作方法。
背景技术
微流控芯片(Microfluidic chip)是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将化学、生物等实验室的基本功能微缩到几平方厘米芯片上的能力，又被称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)。现阶段，主流形式的微流控芯片多由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种基本功能，如：进样、混合、反应、分离和检测等。微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和集成。
微流控芯片技术的核心在于芯片基底材料的选择和流体通道的微加工技术。芯片基底材料的选取原则有：1、芯片基底材料与分析工作介质之间要有良好的化学和生物相容性；2、具有很好的电绝缘性和散热性；3、具有良好的光学性能；4、表面要具有良好的可修饰性；5、制作工艺简单，材料及制作成本低。常用于制作微流控芯片的基底材料主要有玻璃、石英、硅片、PDMS聚合物、纸等。这些材料各有优缺点：玻璃和石英材料有良好的电渗性质、优良的光学性质、可以进行表面改性，但其难以得到深宽比大的通道；硅片材料具有良好的热稳定性、良好的光洁度、加工工艺成熟，但其脆弱易碎、价格昂贵；PDMS聚合物材料能重复可逆变形、表面可进行多种改性修饰，但不耐高温、导热系数低；纸芯片材料成本低、生物相容性强，但加工不便，需使用多种特殊试剂或仪器设备。
上述材料制备的微流控芯片，其流体通道不具备薄层色谱分离能力，即“微色谱柱”功能。在食品、环境等基质复杂样品的分析中，试液的分离和净化是重要的步骤，若能在微流控芯片的流体通道中实现薄层色谱分离功能，则能大大简化样品前处理步骤，提高分析效率和准确度。
基于上述材料的微流控芯片加工方法主要有光刻、蚀刻、热压、注塑、激光烧蚀和表面改性等。上述方法均需利用特殊昂贵的设备完成，步骤繁琐，对操作加工技术要求高，加工成本高，难以普及。且由于微流控芯片通道的微米尺度，还要求在制备过程中必须对环境空气温度、湿度、颗粒密度进行严格控制。这些要求一般需要在洁净室内才能达到，洁净室技术与微流控芯片制作过程的成败密不可分，一个高标准的洁净室需要高额的投资和较高的运行成本。
鉴于当前微流控芯片基底材料及其加工方法存在的上述局限性，本发明提出一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片及其制作方法。薄层色谱板是实验室常用的分离材料，具有以下特性：1、表面有强大的色谱分离能力，在其表面构筑的溶液通道具有“微色谱柱”的功能，可实现溶液的高效分离和净化；2、具有化学惰性；3、表面颗粒之间的间隙是天然的微通道，溶液依靠毛细作用流动，无需外加驱动力；4、表面为白色，各种显色反应对比明显，可以作为光度、可视化检测法的良好材质；5、含荧光材料的色谱板可为紫外检测提供便利；6、价廉易得。
发明内容
本发明提供了一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片及其制作方法，以解决传统材料微流控芯片上流体通道不具备薄层色谱分离能力的问题；本发明的制作方法使用设备简单、不需要特殊洁净环境、可快速批量复制，能解决传统微流控芯片加工设备昂贵、对环境要求高、工艺复杂等导致难以普及的瓶颈问题。
第一方面，本发明提供了一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片，包括薄层色谱板，薄层色谱板包括支持板、涂布在支持板上的固定相，其特征在于，薄层色谱板作为基底，在基底表面构筑有至少一个微流控通道；所述的微流控通道由疏水性蜡质材料凝固于薄层色谱板的固定相上形成的线条围筑而成。
支持板上的固定相材料包括但不限于硅胶G、硅胶GF254、硅藻土、氧化铝、微晶纤维素等；支持板材料包括但不限于玻璃、塑料、铝板等。
所述的薄层色谱板，其固定相涂层厚度不超过250μm。
所述的微流控通道包括依次连通的微流控芯片基本功能单元，至少包括进样池、薄层色谱分离通道、反应池或检测池、废液池。
所述疏水性蜡质材料为蜡纸或复写纸或热转印碳带上涂覆的疏水性蜡质材料。
第二方面，本发明提供了一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制备方法，尤其适用于本发明第一方面提供的所述以薄层色谱板为基底的微流控芯片，具体地，包括以下步骤：
（1）获取薄层色谱板、蜡质薄膜、透明压板；
（2）将蜡质薄膜展平覆盖于薄层色谱板的固定相层表面，将透明压板盖在蜡质薄膜表面，周围用夹子将透明压板、蜡质薄膜、薄层色谱板三层夹紧，中间层的蜡质薄膜不应出现褶皱和拱起；
（3）将步骤（2）夹紧的三层水平放置于激光雕刻机激光头的下方，透明压板位于最上层，并使激光头发射的激光束能垂直于透明压板；
（4）启动激光雕刻机，激光束在透明压板层上扫描出设计好的微流控通道图案；根据蜡质薄膜的尺寸及微流控通道的区域尺寸，一次性扫描一个微流控通道图案，或者一次性扫描多个相同的微流控通道图案，或者一次性扫描多个不同的微流控通道图案；
（5）揭开透明压板和蜡质薄膜，切割出微流控通道的区域，得到以薄层色谱板为基底的微流控芯片。
步骤（1）中蜡质薄膜是蜡纸或复写纸或热转印碳带。
步骤（1）中透明压板是玻璃片或石英片，厚度不超过0.5 mm，不能有肉眼可见的沙粒、气泡、褶皱等缺陷。
步骤（4）中激光束的功率为300～1000 mW；扫描速度为800～1500 mm/min。
步骤（4）中激光束穿透透明压板层照射于蜡质薄膜上，光点的热量使蜡质薄膜上的疏水性蜡质材料瞬间熔化，熔化的疏水性蜡质材料立即被薄层色谱板固定相层吸收并随即冷却固化，形成“疏水坝”，构筑出微流控通道。
步骤（4）中微流控通道图案可以采用计算机画图软件设计。
本发明提出的方法和普通使用激光烧蚀法制备微流控芯片的方法表面看有类似之处，其实质截然不同，目的也完全不同。普通激光烧蚀法是利用大功率的激光束直接在金属、塑料、玻璃、陶瓷等基底材料上烧蚀加工出微流控芯片。缺点是生产效率低，大功率激光器价格昂贵，能量大，有一定的危险。且该方法不能应用于薄层色谱板基底材料上，原因有二：一是大功率的烧蚀不能改变薄层色谱板固定相层的亲、疏水性质，不能形成疏水坝结构，不能有效约束液体的定向流动，从而不能构筑出微流控芯片的基本功能单元；二是大功率的烧蚀会破坏薄层色谱板固定相层的表面特性，使其丧失薄层色谱分离能力。本发明提出的方法使用小功率（≤1000 mW）的激光束穿透透明压板扫描蜡质薄膜，使蜡质薄膜上的疏水性蜡质材料瞬间熔化，熔化的疏水性蜡质材料立即被薄层色谱板固定相层吸收并随即冷却固化，可以有效形成疏水坝结构，构筑出微流控芯片基本功能单元。激光不直接照射薄层色谱板，不会破坏基本功能单元固定相层的表面特性，保留其薄层色谱分离能力。
本发明的有益效果：以薄层色谱板为基底的微流控芯片，其微流控通道具备薄层色谱分离能力，即“微色谱柱”功能。能对复杂样品试液进行分离和净化，能简化样品前处理步骤，提高分析效率和准确度。制作方法对环境无特殊要求，不需要洁净室的苛刻条件；不需要昂贵的设备，专用的设备只是一台小功率激光雕刻机，约在1000元以内，成本低，加工精度高，操作简便易普及；可随意设计、快速批量复制、易批量生产。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为薄层色谱板、蜡质薄膜、透明压板叠放层次示意图。
图2为将图1的3层依次叠放并夹紧示意图。
图3为将叠放并夹紧完毕的3层置于激光雕刻机激光头的下方，激光束在透明压板层上扫描设计好的微流控通道示意图。
图4为扫描完毕，揭开透明压板和蜡质薄膜，切割出微流控通道的区域，得到的以薄层色谱板为基底的微流控芯片。
图中：1—薄层色谱板，2—蜡质薄膜，3—透明压板，4—夹子，5—激光雕刻机，6—激光头，7—激光束，8—进样池，9—薄层色谱分离通道，10—反应池或检测池，11—废液池。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图4所示，本发明提供了一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片，包括薄层色谱板1，所述的薄层色谱板1为在支持板上涂布有固定相的用于薄层色谱分析的普通市售薄层色谱板，薄层色谱板1作为基底，在基底表面构筑有至少一个微流控通道；所述的微流控通道由疏水性蜡质材料凝固于薄层色谱板1的固定相上形成的线条围筑而成。
固定相材料包括但不限于硅胶G、硅胶GF254、硅藻土、氧化铝、微晶纤维素等；支持板材料包括但不限于玻璃、塑料、铝板等。
所述的薄层色谱板1，其固定相涂层厚度不超过250μm。
所述的微流控通道为依次连通的微流控芯片基本功能单元，至少包括进样池8、薄层色谱分离通道9、反应池或检测池10、废液池11。
所述疏水性蜡质材料为蜡纸或复写纸或热转印碳带上涂覆的疏水性蜡质材料。
参见图1～图4，该微流控芯片的制备方法包括以下步骤：
（1）获取薄层色谱板1、蜡质薄膜2、透明压板3；
（2）如图1和图2，将蜡质薄膜2展平覆盖于薄层色谱板1的固定相层表面，将透明压板3盖在蜡质薄膜2的表面，周围用夹子4将透明压板3、蜡质薄膜2、薄层色谱板1三层夹紧。中间层蜡质薄膜2不应出现褶皱和拱起；
（3）如图3，将步骤（2）夹紧的三层水平放置于激光雕刻机5激光头6的下方，透明压板3位于最上层，并使激光束7能垂直于透明压板3；
（4）启动激光雕刻机5，激光头6发射出激光束7在透明压板3层上扫描出设计好的微流控通道图案；根据蜡质薄膜2的尺寸及微流控通道的区域尺寸，可以一次性扫描一个微流控通道图案或多个相同或不同的微流控通道图案；以制作一个或多个微流控芯片；
（5）如图4，揭开透明压板3和蜡质薄膜2，切割出微流控通道的区域，得到以薄层色谱板为基底的微流控芯片。
步骤（1）中蜡质薄膜2是蜡纸或复写纸或热转印碳带。
步骤（1）中透明压板3是玻璃片或石英片，厚度不超过0.5 mm，不能有肉眼可见的沙粒、气泡、褶皱等缺陷。
步骤（4）中激光束7的功率为300～1000 mW；扫描速度为800～1500 mm/min。
步骤（4）中激光束7穿透透明压板3照射于蜡质薄膜2上，光点的热量使蜡质薄膜2上的疏水性蜡质材料瞬间熔化，熔化的疏水性蜡质材料立即被薄层色谱板1固定相层吸收并随即冷却固化，形成“疏水坝”，构筑出微流控通道。
步骤（4）中微流控通道图案可以采用计算机画图软件设计。
实施例1
一种以硅胶GF254玻璃基薄层色谱板为基底的微流控芯片制作方法，具体步骤为：
（1）选用固定相为硅胶GF254、支持板为玻璃的薄层色谱板为基底，其固定相涂层厚度为200 μm；选用打字蜡纸为蜡质薄膜；选用0.5 mm厚的石英片为透明压板，石英片表面平整光洁，无肉眼可见的沙粒、气泡、褶皱等缺陷；
（2）将打字蜡纸展平覆盖于薄层色谱板的固定相层表面，将石英片盖在打字蜡纸的表面，周围用夹子将石英片、打字蜡纸、薄层色谱板三层夹紧，中间层打字蜡纸不应出现褶皱和拱起；
（3）将步骤（2）夹紧的三层水平放置于激光雕刻机激光头的下方，石英片位于最上层，并使激光束能垂直于石英片；
（4）启动激光雕刻机，激光头发射出激光束在石英片上扫描出2个相同的设计好的微流控通道图案；激光束功率为800 mW；扫描速度为1000 mm/min；
（5）揭开石英片和打字蜡纸，切割出微流控通道的区域，得到以硅胶GF254玻璃基薄层色谱板为基底的微流控芯片。
实施例2
一种以微晶纤维素F254铝基薄层色谱板为基底的微流控芯片制作方法，具体步骤为：
（1）选用固定相为微晶纤维素F254、支持板为铝板的薄层色谱板为基底，其固定相涂层厚度为100 μm；选用复写纸为蜡质薄膜；选用0.5 mm厚的石英片为透明压板，石英片表面平整光洁，无肉眼可见的沙粒、气泡、褶皱等缺陷；
（2）将复写纸展平覆盖于薄层色谱板的固定相层表面，将石英片盖在复写纸的表面，周围用夹子将石英片、复写纸、薄层色谱板三层夹紧，中间层复写纸不应出现褶皱和拱起；
（3）将步骤（2）夹紧的三层水平放置于激光雕刻机激光头的下方，石英片位于最上层，并使激光束能垂直于石英片；
（4）启动激光雕刻机，激光头发射出激光束在石英片上扫描出设计好的微流控通道图案；激光束功率为500 mW；扫描速度为1200 mm/min；
（5）揭开石英片和复写纸，切割出微流控通道的区域，得到以微晶纤维素F254铝基薄层色谱板为基底的微流控芯片。
Claims (5)
1.一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，所述一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片，包括薄层色谱板，薄层色谱板包括支持板、涂布在支持板上的固定相，薄层色谱板作为基底，在基底表面构筑有至少一个微流控通道；所述的微流控通道由疏水性蜡质材料凝固于薄层色谱板的固定相上形成的线条围筑而成；其特征在于，
所述一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：
（1）获取薄层色谱板、蜡质薄膜、透明压板；
（2）将蜡质薄膜展平覆盖于薄层色谱板的固定相层表面，将透明压板盖在蜡质薄膜表面，周围用夹子将透明压板、蜡质薄膜、薄层色谱板三层夹紧，中间层蜡质薄膜不应出现褶皱和拱起；
（3）将步骤（2）夹紧的三层水平放置于激光雕刻机激光头的下方，透明压板位于最上层，并使激光头发射出的激光束能垂直于透明压板；
（4）启动激光雕刻机，激光束在透明压板层上扫描出设计好的微流控通道图案；根据蜡质薄膜的尺寸及微流控通道的区域尺寸，一次性扫描一个微流控通道图案，或者一次性扫描多个相同的微流控通道图案，或者一次性扫描多个不同的微流控通道图案；
（5）揭开透明压板和蜡质薄膜，切割出微流控通道的区域，得到以薄层色谱板为基底的微流控芯片。
2.如权利要求1所述的一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述蜡质薄膜是蜡纸或复写纸或热转印碳带。
3.如权利要求1所述的一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述透明压板是玻璃片或石英片，厚度不超过0.5 mm，不能有肉眼可见的沙粒、气泡、褶皱缺陷。
4.如权利要求1所述的一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述激光束功率为300～1000 mW；激光束的扫描速度为800～1500 mm/min。
5.如权利要求1所述的一种以薄层色谱板为基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述微流控通道图案是采用计算机画图软件设计的。
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