CN109482247B - 一种微流控芯片制造工艺与微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片领域，本发明公开了一种微流控芯片制造工艺与微流控芯片，微流控芯片制造工艺包括以下步骤，先将可固化的液态的打印物按照设定的轨迹打印至多孔介质基材表面，然后待聚合物渗透至多孔介质材料后，对打印物进行固化。本发明既可以实现芯片上功能结构的快速、精确成型，又不需要昂贵的设备和复杂的操作流程，从而可以降低微流控芯片的生产成本，有助于微流控芯片的推广。

Description

一种微流控芯片制造工艺与微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其是涉及一种在多孔介质材料上增加打印物的方法，以及利用该方法制得的微流控芯片。

背景技术

基于多孔介质材料特别是纸基的微流控芯片是一种新型的微流控分析装置，因其具有成本低、加工简单、使用方便等特点，故在即时诊断、食品质量控制和环境监测等领域有巨大的应用前景，近年来逐渐成为微流控芯片领域的研究热点。

纸基微流控芯片包括纸基与附着在纸基上的打印物，根据打印物的不同，可以在纸基上形成不同的结构，以流道的构建为例，目前流道主要靠化学和物理法加工形成。其中，化学法是利用化学反应在纸上形成疏水屏障。化学法包括光刻、等离子体处理、化学气相沉积、湿法刻蚀和塑料电击等。但是，由于化学法操作复杂、成本高，无法广泛应用工业生产。

与改变纸基化学性质的化学法相比，物理加工方法更加简单，更具有工业生产的可行性。现有技术中的物理加工方法包括激光诱变，即利用计算机控制激光在羊皮纸(蜡纸或调色纸)表面进行切割和雕刻形成微流控通道，然后在纸上添加二氧化硅微粒使通道具有可控的表面润湿性，然而此种方式需要昂贵的仪器和精密的操作，将会显著提高芯片的生产成本，不利于纸基微流控芯片的推广。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种微流控芯片制造工艺与微流控芯片，用于解决现有基于多孔介质材料的微流控芯片制造工艺生产成本高、工艺复杂的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种微流控芯片制造工艺，包括以下步骤，先将可固化的液态的打印物按照设定的轨迹打印至多孔介质基材表面，然后待打印物渗透至多孔介质材料后，对打印物进行固化。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括调整打印物的打印宽度的步骤。

作为上述方案的进一步改进方式，调整打印物的打印宽度的方法为：调整用于喷射打印物的喷嘴的内径，和/或调整打印物的喷射压力，和/或调整打印物沿轨迹的移动速度。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括调整打印物渗透至多孔介质基材内部深度的步骤。

作为上述方案的进一步改进方式，调整打印物的渗透深度的方法为：调整单位面积内多孔介质基材上打印的打印物的体积。

作为上述方案的进一步改进方式，打印物为疏水或者亲水的聚合物，聚合物经固化后形成疏水或者亲水的流道壁。

作为上述方案的进一步改进方式，聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

作为上述方案的进一步改进方式，打印物为导电的聚合物或导电金属颗粒溶液，打印物经热处理后固化形成电极。

作为上述方案的进一步改进方式，打印物为纳米银溶液、纳米金溶液与聚乙炔中的一种。

作为上述方案的进一步改进方式，打印打印物的方法为：将打印物存储在具有喷射口的容器中，然后向容器中施加压力以使打印物从喷射口中喷出。

作为上述方案的进一步改进方式，向容器中施加压力的方式为：通过外部气源向容器内施加压力气体。

作为上述方案的进一步改进方式，容器与气源之间可分离的连接。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括在多孔介质基材上打印底物的步骤。

作为上述方案的进一步改进方式，打印底物的步骤包括：将底物制成溶液，并将底物溶液存储在具有喷射口的容器中，然后向容器中施加压力以使底物溶液从喷射口中喷出。

一种微流控芯片，由上述微流控芯片制造工艺制得。

本发明的有益效果是：

本发明既可以实现芯片上功能结构的快速、精确成型，又不需要昂贵的设备和复杂的操作流程，从而可以降低微流控芯片的生产成本，有助于微流控芯片的推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1是本发明微流控芯片制造工艺一个实施例的流程图；

图2是本发明调整打印物溶液打印宽度的方法示意图；

图3是本发明控制渗透深度的方法示意图；

图4是本发明可调整流道内液体流速的微流控芯片示意图；

图5是不同渗透状态下液体流动距离的示意图；

图6是不同渗透状态下液体流动距离与时间的曲线示意图；

图7是本发明具有电极的微流控芯片示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

本发明公开了一种微流控芯片制造工艺，其主要构思是通过打印的方式将打印物施加在多孔介质基材(如纸基)上，打印物渗透至多孔介质基材内并经过固化后便可以形成流道壁、电极等不同的功能结构。相比于现有技术，本发明既可以实现功能结构的快速、精确成型，又不需要昂贵的设备和复杂的操作流程，从而可以降低微流控芯片的生产成本，有助于微流控芯片的推广。

以下通过具体实施例进行说明。

参照图1，示出了本发明微流控芯片制造工艺一个实施例的流程图，其包括以下具体步骤：

步骤一、确定打印轨迹，具体是利用绘图软件设计打印区域的平面图形，并将平面图形上传到运动平台的控制软件。平面图形的设计方法可以采用公知技术，此外，运动平台可以采用公知的两轴或者三轴运动平台，上述设计方法的详细步骤与运动平台的详细结构在本发明中不作详述。

步骤二、制备打印物，为了使得打印物能够以打印的形式施加在多孔介质基材上，要求打印物具有一定的流动性，本实施例中将打印物制成液态。

步骤三、灌装液态打印物，具体将液态打印物放入至具有喷射口的容器中，并将容器与外部的加压设备连接，通过向容器内加压的方式迫使液态打印物从喷射口中喷出。本实施例中的加压方式可以是通过外部气源直接向容器内泵入压力气体，也可以是通过活塞推动液态打印物。

为了实现打印物的打印，多孔介质基材与容器之间应当可以发生相对运动。本实施例将容器安装在运动平台的移动端上，通过容器相对多孔介质基材的主动运动实现打印物的打印。

本实施例中，容器与运动平台的移动端(外部气源)之间采用可分离的连接方式，便于容器的更换。

步骤四、固定多孔介质基材，将多孔介质基材固定在运动平台的固定台面上。

步骤五、打印液态打印物，当完成上述步骤后，调整容器距离多孔介质基材的高度，并设定加压设备的压力值与容器移动的速度值。开启加压设备与运动平台，容器便可以按照打印轨迹移动，并在移动的同时向多孔介质基材喷射液态打印物。

步骤六、固化打印物，当完成打印工作后，将多孔介质基材通过加热固化装置或者UV固化装置进行固化，从而最终形成流道壁。

步骤一、步骤二与步骤四不分先后，可以按照实际要求调整进行的顺序。

在本发明的其他实施例中，也可以是多孔介质基材主动运动，容器固定；还可以是多孔介质基材与容器均发生主动运动。

本实施例中的打印物可以是疏水或亲水的聚合物，以在固化后形成疏水或亲水的流道壁，流道壁进而可以围绕形成流道。制备流道壁的聚合物的固化类型可以是光固化或者热固化，制备流道壁的聚合物的材料可以是光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

本实施例中的打印物还可以是导电的聚合物或者导电金属颗粒溶液，以经过热处理固化后形成电极，制备流道壁的打印物的材料可以是纳米银溶液、纳米金溶液与聚乙炔中的一种。

本发明除可以进行芯片功能结构的打印成型之外，还可以用于底物的打印，其中底物的打印方式与上述打印物的打印方式相同，即先制备底物溶液，然后将底物溶液放入至具有喷射口的容器中，并将容器与外部的加压设备连接，通过向容器内加压的方式迫使底物溶液从喷射口中喷出。相比于目前通过移液管或毛笔手动添加底物的方式，本发明可以实现底物在流道上的均匀分布，保证显色区域的连续性与颜色一致性，减小分析误差，同时还可以避免接触式的添加方法对流道表面造成的物理损害。相比于目前通过浸渍添加底物的方式，其可以避免流道外的区域被污染，提高分析精度。

底物溶液与打印物通过单独的容器放置，使用时通过替换容器的方式便可以实现打印物打印和底物打印之间的切换，可以提升生产效率。

本发明除可以进行功能结构的打印成型之外，还可以实现功能结构的宽度的调整，其具体的调整方式是：通过调整喷嘴的内径，调整打印物的喷射压力，以及调整打印物沿轨迹的移动速度的方式调整打印物的打印宽度，进而调整功能结构的宽度。喷嘴内径越大，喷射压力越大，移动速度越慢，打印宽度越宽；喷嘴内径越小，喷射压力越小，移动速度越快，打印宽度越窄。内径调整、压力调整与速度调整可以共同配合使用，也可以择一使用。参照图2，示出了本发明调整打印物打印宽度的方法示意图。如图所示，轨迹a的中间段的打印速度低于两端的打印速度，可以明显看出中间段的打印宽度宽于两端的打印宽度。轨迹b的中间段的打印压力高于两端的打印压力，可以明显看出中间段的打印宽度宽于两端的打印宽度。轨迹c的中间段的打印压力高于两端的打印压力，打印速度低于两端的打印速度，可以明显看出中间段的打印宽度宽于两端的打印宽度，且轨迹c中间段的打印宽度宽于轨迹a、轨迹b中间段的打印宽度。通过灵活调整喷嘴的内径，以及调整打印物的喷射压力与移动速度，可以形成不过宽度的功能结构。

本发明除可以进行功能结构的打印成型之外，还可以实现打印物渗透至多孔介质基材的渗透深度的调整，调整打印物的渗透深度的方法为：调整单位面积内多孔介质基材上打印的打印物的体积，打印物的体积越大，单位面积的渗透深度越深。参照图3，示出了本发明控制渗透深度的方法示意图。如图所示，a步骤中，在多孔介质基材上打印两团打印物溶液，左侧的打印物溶液体积小于右侧的打印物溶液体积。b步骤中，随着打印物溶液的扩散，在二者的渗透面积相等的情况下，右侧的打印物溶液的渗透深度将大于左侧的打印物溶液的渗透深度。c步骤中，经过固化操作后，右侧功能结构的高度也将大于左侧功能结构的高度。

基于上述对渗透深度的调整，本发明还可以实现对流道内液体流速的调整，其基本原理为：在流道内制备疏水的条纹，条纹的渗透深度越深，流道内可供液体流过的空间越少，则流速越慢。参照图4，示出了本发明可调整流道内液体流速的微流控芯片示意图。如图所示，多孔介质基材上具有呈环形的流道壁1，流道壁1完全渗透多孔介质基材，从而被流道壁1围绕的区域形成流道。多孔介质基材上还具有若干的条纹2，单个条纹2沿流道的宽度方向贯穿流道，若干条纹2沿流道的长度方向均匀分布。条纹2的渗透深度可以在不渗透、部分渗透和完全渗透之间调整。

参照图5、图6，图5示出了不同渗透状态下液体流动距离的示意图，图6示出了不同渗透状态下液体流动距离与时间的曲线示意图。如图5所示，试样a不存在条纹，故染色液体可以沿流道流动，且流动距离最长。试样b中存在条纹，且条纹部分渗透多孔介质基材，故染色液体也可以沿流道流动，流动距离短于试样a。试样c中存在条纹，且条纹完全渗透多孔介质基材，故染色液体被阻隔在第一条条纹处，不能沿流道流动。

如图6所示，当具有相同的流道宽度与实验时间时，染色液体在不具有条纹的流道内的流动距离大于染色液体在具有部分渗透条纹的流道内的流动距离。

参照图7，示出了本发明具有电极的微流控芯片的示意图，图中的虚线框仅起示意作用，不代表微流控芯片上实际具备该矩形区域。如图所示，微流控芯片具有呈环形的流道壁3，流道壁3完全渗透多孔介质基材，从而被流道壁3围绕的区域形成流道。微流控芯片上海具有三根与流道的长度方向垂直的电极，分别为对电极41、工作电极42与参比电极43，对电极41、工作电极42与参比电极43的一端伸入至流道内，作为检测区域m，另一端从流道内伸出，作为电极的引出接口区域n。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (12)

1.一种微流控芯片制造工艺，包括以下步骤，先将可固化的液态的打印物按照设定的轨迹打印至多孔介质基材表面，然后待打印物渗透至多孔介质材料后，对所述打印物进行固化；

其中，将疏水或者亲水的聚合物作为打印物打印至多孔介质基材表面，对所述聚合物进行固化以形成疏水或者亲水的流道壁，流道壁围绕形成流道；

然后在所述流道内制备疏水的条纹，其中，通过调整单位面积内所述多孔介质基材上打印的打印物的体积，从而调整所述条纹渗透至所述多孔介质基材内部的深度。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，还包括调整所述打印物的打印宽度的步骤。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，调整所述打印物的打印宽度的方法为：调整用于喷射所述打印物的喷嘴的内径，和/或调整所述打印物的喷射压力，和/或调整所述打印物沿所述轨迹的移动速度。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，所述聚合物为光刻胶、聚氨酯、环氧树脂、脲甲醛、不饱和聚酯树脂与聚二甲基硅氧烷中的一种。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，所述打印物为导电聚合物或导电金属颗粒溶液，所述打印物经热处理后固化形成电极。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，所述打印物为纳米银溶液、纳米金溶液与聚乙炔中的一种。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，打印所述打印物的方法为：将所述打印物存储在具有喷射口的容器中，然后向所述容器中施加压力以使所述打印物从所述喷射口中喷出。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，向所述容器中施加压力的方式为：通过外部气源向所述容器内施加压力气体。

9.根据权利要求8所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，所述容器与所述气源之间可分离的连接。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，还包括在所述多孔介质基材上打印底物的步骤。

11.根据权利要求10所述的微流控芯片制造工艺，其特征在于，所述打印底物的步骤包括：将所述底物制成溶液，并将底物溶液存储在具有喷射口的容器中，然后向所述容器中施加压力以使所述底物溶液从所述喷射口中喷出。

12.一种微流控芯片，其特征在于，由权利要求1至11中任一项所述的微流控芯片制造工艺制得。

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