CN109317224A - 使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法 - Google Patents

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王舒婷
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Abstract

本发明提供一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法。该方法按照以下步骤进行：使用数字切割机加工PVC刻字纸得到图案化PVC镂空掩膜并与基底紧密贴合，经亲水处理后在基底上得到与PVC镂空掩膜对应的亲水图案，再使用甘油水溶液在亲水图案上形成一定高度的液体模具并用一定比例的液体PDMS覆盖整个基底，加热凝固后揭下PDMS进行打孔键合得到微流控芯片。该方法能降低微流控芯片加工成本，减少制备时间及提高芯片通道表面光滑程度，并且可以生产加工曲面弧形微流控通道。本发明具有工艺流程简单、试剂消耗量小、成本低廉及使用价值高的特点，具有较高的推广和应用能力。

Description

使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法
技术领域
本发明属于微流控芯片的制备领域，具体为一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法。
背景技术
微流控芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、分离、检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的微量生物及化学样品相互作用或反应过程，并对其产物进行分离、分析的一种技术。光刻法为传统的微流控芯片实验室制备方法，将光刻胶通过紫外曝光机加工形成模具，其过程包含光刻胶的旋涂、前烘、曝光、洗片、后烘、坚膜等过程，整个加工过程繁琐并消耗大量人力物力，因此研发新型微流控芯片加工方法尤为重要。
液塑法制备微流控芯片技术中选取甘油水溶液替代光刻胶形成模具，即在基底上构建亲水图案，使甘油水溶液填充亲水图案，液体PDMS复制甘油水溶液形成的图案形成微流控芯片。该方法无需无尘室、紫外光刻机、匀胶机、菲林打印机等一系列昂贵设备仪器，符合低成本快速制备微流控芯片的要求。在实际操作中，加工流程简易快捷，且可制备任意曲面程度的微流控通道芯片，目前尚未见任意曲度的微流控芯片制备方法。因此，本技术的提出可以弥补微流控芯片只可制备平面通道的不足，具有良好的应用前景和经济价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的技术，在不同材质基底或不同曲度基底上制备微流控芯片。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案实现：
一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的技术，按照以下步骤进行：
(1)PVC镂空掩膜的制备
使用AutoCAD画图软件设计通道并将设计图导入数字切割机软件，PVC刻字纸与切割垫板紧密贴合，使用1-10cm/s切割速度，10-16切割深度对PVC刻字纸进行切割；
(2)基底构建亲水图形
将PVC镂空掩膜与基底紧密贴合，使用纯氧等离子体处理2-15min，取出揭开PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水清洗基底表面；
(3)液体模具的形成
使用移液枪向亲水图形上滴加20-70％甘油水溶液，制备可调节高度的液体模具；或将构建亲水图形的基底在20-70％甘油水溶液浸泡1-10min，垂直液面缓慢取出，制备一定高度的液体模具；
(4)PDMS芯片制备
配置A胶和B胶质量比为10:1的液体PDMS，混匀除去气泡后，缓慢的倒在带有液体模具的基底上，置入50-65℃的烘箱中加热60-90min，取出使用打孔器对PDMS芯片打孔，与基底进行可逆或不可逆键合。
作为优选，步骤(1)中所描述的切割速度为1cm/s，切割深度为13。
作为优选，步骤(2)中所描述的使用纯氧等离子体处理时间为10min。
作为优选，步骤(2)中使用的基底为平面或曲面的硅片、玻璃、纸、PDMS、PS及PMMA。
作为优选，步骤(3)中所描述的甘油水溶液浓度为40％。
作为优选，步骤(3)中所描述的构建亲水图形的基底在甘油水溶液浸泡时间为1min。
作为优选，步骤(4)中烘箱中加热温度为65℃，加热时间为90min。
本发明的方法使用数字切割机加工PVC刻字纸得到图案化PVC镂空掩膜并与基底紧密贴合，经亲水处理后在基底上得到与PVC镂空掩膜对应的亲水图案，再使用甘油水溶液在亲水图案上形成一定高度的液体模具并用一定比例的液体PDMS覆盖整个基底，加热凝固后揭下PDMS进行打孔键合得到微流控芯片。本发明的方法能降低微流控芯片加工成本，减少制备时间及提高芯片通道表面光滑程度，并且可以生产加工曲面弧形微流控通道。本发明具有工艺流程简单、试剂消耗量小、成本低廉及使用价值高的特点，具有较高的推广和应用能力。
附图说明
图1为不同材质基底上的亲水模型。
图2为数字切割机加工PVC刻字纸形成平面微图案掩膜、液体模具形成及PDMS模板复制过程示意图；
图3为使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片技术制备得到的不同尺寸的PDMS通道芯片(300-1000μm)，通道中充满罗丹明B水溶液；
图4所示为使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片法所制备的微型液体混合器，a、b、c三个进样口分别灌入水、罗丹明水溶液及结晶紫水溶液；
图5使用数字切割机加工结合液塑法制备得到的曲面PDMS通道，通道中充满罗丹明B水溶液；
图6使用数字切割机加工结合液塑法制备得到的方形微孔阵列，方形微孔尺寸约为250μm；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本文发明作进一步解释说明，以下实验事例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
使用AutoCAD软件设计不同图形模板，保存成R12/R14.DXF格式文件后导入到数字切割机软件中。将PVC刻字纸与切割坐标垫板紧密贴合并赶走内部残存气泡，后输入至切割机内实施切割，切割速度为5cm/s，切割深度为13，取出后得到PVC镂空掩膜。使用TMCS对硅片、玻璃、平面PDMS及纸基底进行硅烷化处理1min，将PVC镂空掩膜与硅烷化处理后的上述基底紧密贴合并赶走内部残存气泡后，置于等离子体清洗机中使用High档位进行等离子体处理10min。取出等离子体处理后的基底，撕掉PVC镂空掩膜，并使用移液枪向亲水图案区域滴加40％的甘油水溶液，制备不同材质基底上的亲水模型，如图1所示。
实施例2
使用AutoCAD软件设计微流控芯片的直通道模板，保存成R12/R14.DXF格式文件后导入到数字切割机软件中。将PVC刻字纸与切割坐标垫板紧密贴合并赶走内部残存气泡，后输入至切割机内实施切割，切割速度为10cm/s，切割深度为13，取出后得到PVC镂空掩膜。使用TMCS对硅片基底进行硅烷化处理1min，将PVC镂空掩膜与硅烷化处理后的基底紧密贴合并赶走内部残存气泡后，置于等离子体清洗机中使用High档位进行等离子体处理10min。取出等离子体处理后的基底，撕掉PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水反复冲洗基底表面直至表面无残留胶痕。在洁净的基底表面形成液体模具，其中液体模具的形成方式主要有以下两种方案：
方案一：使用移液枪向亲水图案区域滴加40％的甘油水溶液，通过滴加的甘油水溶液体积的不同，得到高度可控的液体模具；
方案二：将等离子体处理过的洁净基底浸泡于40％的甘油水溶液中1min，垂直缓慢取出后形成高度不可变的液体模具；
根据微流控芯片的厚度配置相应质量的PDMS混合液，将PDMS A胶和B胶以10:1的比例均匀混合，使用真空干燥器除去PDMS气泡，排气时间为20min。将液体PDMS缓慢倒在形成液体模具的基底上，放入鼓风烘箱中65℃加热60min。将凝固后的PDMS从基底上揭开，打孔与最终的基底进行键合，制备得到成品直通道PDMS芯片。具体实施方案流程如图2所示，所得直通道PDMS芯片如图3所示。
实施例3
使用AutoCAD软件设计微流控梯度混合模板，保存成R12/R14.DXF格式文件后导入到数字切割机软件中。将PVC刻字纸与切割坐标垫板紧密贴合并赶走内部残存气泡，后输入至切割机内实施切割，切割速度为1cm/s，切割深度为10，取出后得到PVC镂空掩膜。使用TMCS对PS基底进行硅烷化处理1min，将PVC镂空掩膜与硅烷化处理后的PS基底紧密贴合并赶走内部残存气泡后，置于等离子体清洗机中使用High档位进行等离子体处理2min。取出等离子体处理后的基底，撕掉PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水反复冲洗基底表面直至表面无残留胶痕,并使用移液枪向亲水图案区域滴加40％的甘油水溶液。
根据微流控芯片的厚度配置相应质量的PDMS混合液，将PDMS A胶和B胶以10:1的比例均匀混合，使用真空干燥器除去PDMS气泡，排气时间为20min。将液体PDMS缓慢倒在形成液体模具的基底上，放入鼓风烘箱中50℃加热90min。将凝固后的PDMS从基底上揭开，使用0.8mm外径的打孔器在芯片进样孔处打孔，使用2mm外径的打孔器在芯片出样孔处打孔，将PDMS微流控梯度混合上板进行等离子体处理并与玻璃基底键合，制备得到成品微流控梯度混合PDMS芯片。使用微量进样泵分别向a,b,c三个进样口加入水、罗丹明水溶液及结晶紫水溶液，如图4所示。
实施例4
使用AutoCAD软件设计微流控直通道模板，保存成R12/R14.DXF格式文件后导入到数字切割机软件中。将PVC刻字纸与切割坐标垫板紧密贴合并赶走内部残存气泡，后输入至切割机内实施切割，切割速度为5cm/s，切割深度为16，取出后得到PVC镂空掩膜。将PVC镂空掩膜与曲面PDMS基底紧密贴合并赶走内部残存气泡后，置于等离子体清洗机中使用High档位进行等离子体处理15min。取出等离子体处理后的基底，在PVC镂空掩膜两端分别插入一根1mm外径空心针管，撕掉PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水反复冲洗基底表面直至表面无残留胶痕,并使用移液枪向亲水图案区域滴加50％的甘油水溶液。
根据微流控芯片的厚度配置相应质量的PDMS混合液，将PDMS A胶和B胶以10:1的比例均匀混合，使用真空干燥器除去PDMS气泡，排气时间为20min。将液体PDMS缓慢倒在形成液体模具的基底上，加入的液体PDMS高度低于空心针管，放入鼓风烘箱中60℃加热60min。待PDMS凝固后得到曲面微流控通道芯片。将微量进样器与针管一端相连并注入罗丹明水溶液，曲面通道微流控芯片如图5所示。
实施例5
使用AutoCAD软件设计横向通道及纵向通道模板，保存成R12/R14.DXF格式文件后导入到数字切割机软件中。将PVC刻字纸与TMCS处理后的硅片紧密贴合赶走内部残存气泡，将硅片与切割坐标垫板紧密贴合，后输入至切割机内实施切割，切割速度为1cm/s，切割深度为16，取出后得到带有横向PVC镂空掩膜的硅片。将贴合横向PVC镂空掩膜的硅片置于等离子体清洗机中使用High档位进行等离子体处理10min。取出等离子体处理后的基底，撕掉PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水反复冲洗基底表面直至表面无残留胶痕。将PVC刻字纸与清洗干净的硅片再次紧密贴合赶走内部残存气泡，将硅片与切割坐标垫紧密贴合后输入至切割机内实施切割，切割速度为1cm/s，切割深度为16，取出后得到带有纵向PVC镂空掩膜的硅片。使用TMCS对该硅片处理2min后取出，撕掉PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水反复冲洗基底表面直至无残留胶痕。
将该硅片在60％的甘油水溶液中浸泡2min后，垂直缓慢取出后形成矩形液体阵列。根据微流控芯片的厚度配置相应质量的PDMS混合液，将PDMS A胶和B胶以10:1的比例均匀混合，使用真空干燥器除去PDMS气泡，排气时间为20min。将液体PDMS缓慢倒在形成液体模具的基底上，放入鼓风烘箱中60℃加热70min。将凝固的PDMS芯片揭开后切割，使用乙醇、水超声5min后取出烘干，制备得到矩形阵列微流控芯片，如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施案例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)PVC镂空掩膜的制备
使用AutoCAD画图软件设计通道并将设计图导入数字切割机软件，PVC刻字纸与切割垫板紧密贴合，使用1-10cm/s切割速度，10-16切割深度对PVC刻字纸进行切割，得到PVC镂空掩膜；
(2)基底构建亲水图形
将PVC镂空掩膜与基底紧密贴合，使用纯氧等离子体处理2-15min，取出揭开PVC镂空掩膜，用乳酸丙酯、乙醇及去离子水清洗基底表面；
(3)液体模具的形成
在洁净的基底表面，使用移液枪向亲水图形上滴加40-60％甘油水溶液，制备可调节高度的液体模具；或将构建亲水图形的基底在40-60％甘油水溶液浸泡1-2min，垂直液面缓慢取出，制备一定高度的液体模具；
(4)PDMS芯片制备
配置A胶和B胶质量比为10:1的液体PDMS，混匀除去气泡后，缓慢的倒在带有液体模具的基底上，置入50-65℃的烘箱中加热60-90min，取出使用打孔器对PDMS芯片打孔，与基底进行可逆或不可逆键合。
2.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(1)中切割速度为1cm/s，切割深度为13。
3.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(2)中使用纯氧等离子体处理时间为2min。
4.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(2)中使用的基底为平面或曲面的硅片、玻璃、纸、PDMS或PS。
5.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(3)中所述的甘油水溶液浓度为40％。
6.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(3)中所述的甘油水溶液浸泡时间为1min。
7.根据权利要求1所述的一种使用数字切割机加工结合液塑法制备微流控芯片的方法，其特征在于步骤(4)中烘箱中加热温度为65℃，加热时间为90min。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190212

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