CN109759157A - 一种用于微气泡分离的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微气泡分离的微流控芯片。所述芯片主要由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和C切铌酸锂制作的两块芯片键合而成，上芯片包括：注液孔，注气孔，微通道，出液口。下芯片材料为C切铌酸锂晶片。该微流控芯片利用激光照射C切铌酸锂晶片产生的电场实现微通道中微气泡的分离。该芯片制作方法简单，微气泡分离部位、分离时间可控。可用于医学、环境分析过程中对气相载体的分离。在微流体操控领域中完善了微气泡分离技术，对微流控芯片功能的完善具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片的操控领域，具体涉及一种用于微通道内微气泡分离的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片技术是将生物、化学样品的制备，混合，反应，检测等基本操作集成在一块微小的芯片上。其在生物、化学、医学领域具有很大的研究价值。随着微流控技术的不断发展，针对不同对象的操控技术越来越多样。气泡作为一种重要载体，涉及药物检测，空气质量检测等诸多应用。其操控技术的开发对于微流控芯片功能的完善十分关键。
2015年Micheal Esseling(Optofluidic droplet router)等人以铌酸锂晶片为基底，利用其光折变效应所产生的表面电场，实现了对微气泡的移动。但该方法只能使微气泡移动，并不能对微气泡进行分离操作。
发明内容
本发明的目的是为了研制一种用于微气泡分离的微流控芯片。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种用于微气泡分离的微流控芯片，主要结构是由两片芯片键合而成，所述芯片上的结构包括注液孔1，注气孔2，微通道3，出液口4。
两片芯片的制作材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)和C切铌酸锂晶片。在实验室里使用光刻技术在硅片上制作注液孔1，注气孔2，微通道3，出液口4的模具。在使用光刻技术时所用的掩膜版是由我们独立绘制图纸，并交给微流控设备厂家制作的。在模具上浇筑聚二甲基硅氧烷(PDMS)并升温成型制作成上芯片5。上芯片5制作完成后，将上芯片5与下芯片6进行键合，就可以保证微通道3内空间的密闭性，保证微通道3内的液体与气泡流动不会受到实验时环境中的灰尘、操作时引起的震动的影响。
由于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料表面能低，缺少活性基团，其粘结性较差，因此我们使用等离子清洗机对其进行氧等离子体清洗，在其表面引入活性基团，提高其粘结性。最后将两片芯片键合在一起。全部的芯片制作工作由我们独立地在实验室中完成。
绝缘油由注液孔1，通过蠕动泵将绝缘油注入微通道3中；气体由注气孔2，通过蠕动泵将气体注入微通道3中。在注气孔2和微通道3的汇合处形成微气泡。产生的微气泡会移动至微通道3的右侧。使用CCD相机捕获微通道3内清晰的微气泡物像，打开激光器并调节功率，使激光进入物镜聚焦在微气泡待分离的部位，完成分离部位、分离所用时间均可控的微气泡分离。
与现有技术相比，本发明的优点在于：微流控芯片制作简单，成本较低。弥补了微流控芯片技术中缺少对气泡分离手段的不足，微气泡分离部位、分离时间可控，整个分离过程可以实时观测。
附图说明
图1为本发明用于微气泡分离的微流控芯片所采用的装置结构示意图。
图2是本发明装置的上、下芯片之间键合的示意图。
图3用于微气泡分离的微流控芯片的一种实施例(实施例1)的分离过程图。
图4用于微气泡分离的微流控芯片的一种实施例(实施例2)的分离过程图。
图5用于微气泡分离的微流控芯片的一种实施例(实施例3)的分离过程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明
一种用于微气泡分离的微流控芯片的结构如图1所示，所述芯片的结构包括：注液孔1，注气孔2，微通道3，出液口4。整体的芯片结构包括上芯片5与下芯片6，如图2所示。
我们使用光刻技术，利用光刻胶，掩膜版和紫外曝光箱进行上芯片5的制作。光刻由旋涂，曝光和显影三个工序组成。为获得良好的光刻效果，需要对硅片进行清洗，具体方法是先使用无水乙醇超声清洗15分钟，然后使用去离子水超声清洗15分钟，并用氮气吹干。根据制作芯片的要求，我们使用的是N244负胶。使用旋涂机在硅片表面均匀旋涂一层光刻胶。通过曝光将掩膜版上的微流控芯片设计图形转移到光刻胶涂层上。我们使用Auto CAD软件设计掩膜版图形，然后交给昆山凯盛电子有限公司制作成实物。掩膜版的功能是在使用紫外曝光箱进行光刻时，在图形区和非图形区对紫外光产生不同的透过能力，从而转移掩膜版上的图形信息。曝光完成后，用负胶对应的显影液将光刻胶涂层上非图形区未曝光的光刻胶洗去。这样我们就把掩膜版上的图形成功转印到了硅片上，制作成上芯片5的模具。我们将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚物与固化剂按照10∶1的质量比混合，使用玻璃棒充分搅拌均匀，将装有聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合物的容器放入真空烘箱中，将搅拌时产生的气泡抽取出来。使用铝箔将模具包成盒状，将其放入真空烘箱中并滴入二甲基二氯硅烷然后抽取真空，使少量的二甲基二氯硅烷附着在硅片表面，使得固化后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)能够完整脱离模具。向模具内倒入聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合物，在真空烘箱内以100摄氏度恒温加热60分钟，待自然冷却后即可剥离已固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。使用打孔器在注液孔1，注气孔2的位置打孔。最后使用无水乙醇，去离子水分别对芯片超声清洗15分钟，用氮气吹干除去表面杂质。键合时使用等离子清洗机对上芯片5和下芯片6分别进行3分钟的清洗，清洗气氛为氧气。将上芯片5与下芯片6C切铌酸锂晶片的正C面贴合，在烘箱内60摄氏度恒温加热60分钟，完成我们所需的芯片制作。
芯片的制作是完成本发明的工具，仪器的使用也是完成本发明所必须的操作。
绝缘油由注液孔1通过蠕动泵注入，设置蠕动泵的液相流体流率为0.076μl/min；氮气由注气孔2通过蠕动泵注入，设置蠕动泵的气相流体流率为0.076μl/min。在注液孔1与蠕动泵之间使用毛细钢管，软管和医用针管将二者连接起来，再把医用针管固定在蠕动泵上即可。注气孔2和蠕动泵的连接亦然。
在微通道3内生成独立的微气泡，将微流控芯片放置在透明三维平移台上，使用CCD相机捕获清晰的微气泡物像，打开激光器，适当调节激光器功率，使激光进入物镜聚焦在微流控芯片上。通过计算机程序控制透明三维平移台运动，使聚焦激光光斑照射到微气泡待分离的部位，完成分离部位，分离所用时间均可控的微气泡分离。
本发明方案的工作原理：绝缘油在进入微通道后会附着在微通道壁上，芯片中生成的气泡实际上被绝缘油包裹着。激光照射C切铌酸锂晶片时，会产生沿铌酸锂晶体极化轴C轴定向移动的光激载流子(电子)，由于光激载流子沿晶体的+C方向移动，故C切铌酸锂晶片的+C面带有大量负电荷。因此当激光聚焦在微流控芯片上时，光斑处会产生非均匀电场，位于光斑附近的绝缘油会受到介电泳力，从而向光班运动，附着在微通道3上下壁的绝缘油连接在一起，从而实现微气泡的分离。
下面给出本发明用于分离微气泡方案的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
使用405nm激光器，激光功率为24.77mW，物镜放大倍数为25倍，将生成的体积为10.00pL的微气泡导入微通道中，使聚焦光斑打到微气泡中心部位，分离得到的小气泡体积分别为6.40pL和3.60pL。
实施例2
使用473nm激光器，激光功率为27.90mW，物镜放大倍数为25倍，将生成的体积为10.56pL的微气泡导入微通道中，使聚焦光斑打到微气泡中心部位，分离得到的小气泡体积为5.90pL和4.66pL。
实施例3
使用532nm激光器，激光功率为37.44mW，物镜放大倍数为25倍，将生成的体积为9.88pL的微气泡导入微通道中，使聚焦光斑打到微气泡中心部位，分离得到的小气泡体积为5.32pL和4.56pL。
以上所述具体实例对本发明的技术方案、实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于微气泡分离的微流控芯片，其特征在于：由两片芯片键合而成，所述微流控芯片的上芯片5结构包括注液孔1，注气孔2，微通道3，出液口4。下芯片6用于封装微通道和提供电场，封装的作用是将微通道3制作成密闭的空间，避免实验时环境中的灰尘，操作时引起的震动对微通道3内的液体与气泡流动产生影响。
2.一种用于微气泡分离的微流控芯片，其特征在于：以聚二甲基硅氧烷(PDMS)和C切铌酸锂晶片组成的微流控芯片，利用聚焦激光照射C切铌酸锂晶片产生的电场用于微通道中微气泡的分离。
3.一种用于微气泡分离的微流控芯片，其特征在于：微气泡的分离部位可通过调节聚焦激光光斑与微通道3内微气泡的相对位置进行控制，分离所用时间可通过调节激光功率进行控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Wenbo Inventor after: Zan Zhitao Inventor after: Gao Zuoxuan Inventor before: Zan Zhitao Inventor before: Yan Wenbo Inventor before: Gao Zuoxuan |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220913 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |