CN110354925B - 一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包含可形变液态金属微电极的微流控芯片，包括，基底；在所述基底上刻蚀有第一形状；在所述基底上设置有微流道层；所述微流道层上的微通道分别为第一微流道，第二微流道，第三微流道和第四微流道；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第四微流道与第一微流道连通；所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；所述第四微流道和第一微流道连通为缓冲通道，其宽度略大于第三微流道；在所述微流道层另一侧设置有通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。本发明提供的微流控芯片包含基于液态金属的可形变微电极，电极形状可控，电极间距离可调。

Description

一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物检测领域，具体涉及一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片及其制备方法。
背景技术
目前，微流控芯片中所使用的电极多是铜电极，金电极，铂电极，ITO电极等，需要应用到光刻，溅射等复杂的工艺，而且电极形状一经制作无法改变，电极间距离也无法调节。同时，电极不可以重复利用，不同的实验需要采用复杂的方法制作不同的芯片，成本非常高。本发明首次应用液态金属代替金属或ITO形成可形变微电极，首次实现了微流芯片内形状可调节电极的制造，制作工艺简单，同时，液态金属可回收利用，大大降低了成本。本发明提供的微流控芯片包含基于液态金属的可形变微电极，电极形状可控，电极间距离可调，因此其应用范围广泛，适用性强。液态金属电极导电性强，且在高电压下不易击穿。制备方法简便，使用便捷，且可重复利用，成本较低。(背景专利出处200610043686.8)现有技术缺点：采用贵金属，成本高，工艺复杂，不可回收利用，电极为固定形状不可变形。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可变形的液态金属电极的制作方法以及包含液态金属电极的微流控芯片，工艺简单，电极可以产生形变并且可回收利用，成本低。
为了解决上述问题，本发明提供了一种包含可形变液态金属微电极的微流控芯片，包括：
基底；在所述基底上刻蚀有第一形状；
在所述基底上设置有微流道层；所述微流道层上的微通道分别为第一微流道，第二微流道，第三微流道和第四微流道；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第四微流道与第一微流道连通；
所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；所述第四微流道和第一微流道连通为缓冲通道，其宽度略大于第三微流道；
在所述微流道层的顶部设置有通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；
所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。
优选的，所述微流道层制作材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
优选的，所述基底为ITO导电玻璃。
优选的，所述的液态金属可形变电极是通过改变液态金属注射速度制作而成。
优选的，所述的第一微流道宽度为1000μm，第二微流道宽度为100-200μm，第三微流道宽度为80-120μm，第四微流道宽度为150-200μm。
本发明还提供了一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片的制备方法，包括：
提供基底；
在所述基底上刻蚀得到第一形状，得到刻蚀有电极的基底；所述电极宽度为50-300μm；
提供微流道层，通过软光刻工艺制作含有第一微流道、第二微流道和第三微流道和第四微流道的微流道层；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第一微流道与所述第二微流道的宽度远大于所述第三微流道；所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；
在所述微流道层的顶部打通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；
将所述刻蚀有电极的基底与所述设置有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道和通孔的微流道层对准、密封，得到包含液态金属电极的微流控芯片；
所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。
优选的，所述基底刻蚀得到电极形状具体为：
在所述基底上涂覆光刻胶；
将涂覆有光刻胶的基底进行烘烤；
将烘烤后的基底通过掩膜版进行曝光，显影，干燥，分别在浓盐酸和脱胶液中浸泡，取出后干燥得到电极形状的基底。
优选的，制作所述含有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道的微流道层的方法具体为：
在硅片上涂覆光刻胶；
将涂覆好光刻胶的硅片进行烘烤；
将烘烤后的硅片通过预设的掩膜版进行光刻工艺得到微流道的模具；
将所述硅片四周围起形成盒状腔体；
在所述盒状腔体中倒入树脂溶液；
将所述树脂溶液固化后，与硅片分离，得到含有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道的微流道层。
本发明还提供了一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片的应用，包括：
向所述第一微流道中注满液态金属，停止注入；
向第二微流道中注满待处理溶液；保持第一微流道里为液态金属，第二微流道里为溶液，第三微流道中也为溶液，停止注入；
同时在液态金属和电极两边通入正弦波，对待处理溶液进行第一次细胞捕获或拉伸；
再次向所述第一微流道中通入液态金属，使液态金属产生形变，停止注入；
再次在液态金属和电极两边通入正弦波，对待处理溶液进行第二次细胞捕获或拉伸。
优选的，所述正弦波频率2Mhz，电压是2Vpp，在电极上捕获细胞，提高电压从1Vpp至8Vpp以拉伸红细胞。
本发明的首要改进之处为本发明提供了一种包含可形变液态金属微电极的微流控芯片，包括：基底；在所述基底上刻蚀有第一形状；在所述基底上设置有微流道层；所述微流道层上的微通道分别为第一微流道，第二微流道，第三微流道和第四微流道；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第四微流道与第一微流道连通；所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；所述第四微流道和第一微流道连通为缓冲通道，其宽度略大于第三微流道；在所述微流道层的顶部设置有通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。本发明提供的微流控芯片包含基于液态金属的可形变微电极，电极形状可控，电极间距离可调，因此其应用范围广泛，适用性强。液态金属电极导电性强，且在高电压下不易击穿。制备方法简便，使用便捷，且可重复利用，成本较低。
本发明还提供了一种微流控芯片的制备方法，刻蚀和光刻形状简单，通过结合材料本身的性质，制备过程和封装均较为简单，降低了微流控芯片的制造成本。
本发明还提供了一种微流控芯片的应用，通过在新设计的结构中设置的通孔和微流道，使得在捕获细胞等应用过程中具有更佳优良的灵敏度和识别度，通过不同参数的正弦波的调整实现不同种类细胞的捕获，扩大了微流控芯片的应用范围。另外，在使用过程中，通过控制流速为5-10μL/min，可以改变液态金属形变的大小。液态金属和ITO电极之间的产生的电场梯度更大，由此DEP力越大，操作细胞等更加容易，精确。同时，本发明的电极即可慢慢提高流速连续性变形，也可以单独通入不同流速直接变成一个形状。
附图说明
图1、为本发明实施例提供的基底示意图；
图2、为本发明实施例提供的刻蚀有电极的基底示意图；
图3、为本发明实施例提供的微流道层示意图；
图4、为本发明实施例提供的对准、密封后的微流控芯片结构示意图；
图5、为本发明实施例提供的未注入液态金属时，微流道和ITO电极相对位置关系示意图；
图6、为本发明实施例提供的以5μL/min流速注入时，未液态金属电极和ITO电极相对位置关系示意图；
图7、为本发明实施例提供的以6μL/min流速注入时，微变形的液态金属电极和ITO电极相对位置关系示意图；
图8、为本发明实施例提供的以7μL/min流速注入时，很大变形的液态金属电极和ITO电极相对位置关系示意图；
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
名词解释：
液态金属：液态金属是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。
微流控芯片：微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
DEP：介电泳(DEP)，也称双向电泳，是介电常数较低的物体在非匀强电场中受力的现象。介电力大小与物体是否带电无关，与物体的大小、电学性质、周围介质的电学性质以及外加电场的场强、场强变化率、频率有关。
DEP buffer：DEP缓冲液，主要成分如下，100ml去离子水，8.5g蔗糖，0.3g葡萄糖，0.4mg氯化钙。这个溶液有如下作用，首先细胞可以存活时间长(等渗，4个小时以上)，氯化钙的作用是调节电导率，0.4mg恰好使溶液电导率为100us/cm，此成分的量可以调节。如无特殊说明，本发明中的溶液均指DEP buffer。
本发明提供了一种包含可形变液态金属微电极的微流控芯片，包括：
基底；在所述基底上刻蚀有第一形状；在所述基底上设置有微流道层；所述微流道层上的微通道分别为第一微流道，第二微流道，第三微流道和第四微流道；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第四微流道与第一微流道连通；所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；所述第四微流道和第一微流道连通为缓冲通道，其宽度略大于第三微流道；在所述微流道层的顶部设置有通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。
如图1所示，本发明提供的基底1优选使用ITO玻璃。ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(俗称ITO)膜加工制作成的。即玻璃的上面镀有一层氧化铟锡。
利用光刻等工艺以及湿法刻蚀技术，将基底1制作成本发明的电极2形状。即通过软光刻工艺以及刻蚀技术，将玻璃上的一层氧化铟锡制作成本发明的需要的第一形状。所述第一形状的具体图样可以按照具体需求进行设定，并不影响本发明的具体的芯片效果。
优选的，本发明所述，电极光刻以及刻蚀工艺具体为：洁净间环境下以3500r/m的转速在一片氧化铟锡(俗称ITO)玻璃上匀上RJ-304光刻胶，随后，将匀涂上光刻胶的ITO玻璃放在烘烤台上100度烘烤3分钟，随后，将其置于光刻机下，通过设计好的掩膜版以12.4mJ/cm2的功率曝光1.5s，然后显影2min，用氮气吹干，随后在将其置于36％的浓盐酸中3min，取出后置于脱胶液中2min，氮气吹干得到电极。
如图3所示在微流道层上通过软光刻工艺制作第一微流道5、第二微流道6和第三微流道4、第四微流道7。所述微流道层优选使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，PDMS是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
按照本发明，所述微流道层的制备工艺优选具体为：微流道光刻以及制作工艺：洁净间环境下以2500r/m的转速在硅片上匀涂上su-8 2050光刻胶，随后将匀涂好的硅片放在烘烤台上65度烘烤2min，95度烘烤7min，随后，将其置于光刻机下，通过设计好的掩膜版以12.4mJ/cm2的功率曝光8s，然后显影2min，用氮气吹干，随后，将硅片的四周用板或双面胶带贴好围起来(把硅片边缘围起来，相当于一个玻璃片四周围起来，中间倒水不会漏)。在硅片上倒上30g的PDMS(按质量1∶10配置的)，在加热板上85度加热40min，然后取下硅片，将固化好的PDMS撕下，得到微流道，随后将微流道的出口入口打孔便于导管或针头的连接。
所述第一微流道5和第二微流道6两个微流道之间通过第三微流道4连接，所述第一微流道5的宽度远大于第三微流道4的宽度，优选的，所述第三微流道4的宽度为80-120μm。第一微流道5的宽度为1000μm以上，第二微流道6的宽度为100-200μm，这样液态金属由于其表面张力够大，当液态金属在第一微流道5中以低于10μl/min的速度流动的时候，液态金属会产生形变但不会通过微流道4漏出来进入第二微流道6中，通过控制流速为5-10μl/min，可以改变液态金属形变的大小。所述微流道层3上设有通孔8，液态金属和DEP buffer从通过通孔8在所述第一微流道5和第二微流道6中流出流入。
第四微流道7的作用是当停止注射液态金属，随后启动注射液态金属的一瞬间起到缓冲作用，防止液态金属从第三微流道4漏出来进入第二微流道6中。要想起到缓冲作用，第四微流道7的宽度需要比第三微流道4的宽度大一点，优选的，本发明中第三微流道4的宽度为100μm，第四微流道7需要为100μm到200μm，150μm最好，通过控制流速为5-8μL/min，可以改变液态金属形变的大小，由此改变电场的梯度，
如图4所示，为本发明最终将基底1放在下面，微流道层3放在上面，通过对准平台进行对准，紧密键合防止液体渗漏。
按照本发明，所述电极和微流道的键合优选具体为：将电极和微流道放在等离子清洗机力清洗2min，取出后，在显微镜或者光刻机下对准，确保电极的位置和微流道对准了，然后按压，放在烘烤台上95度加热10分钟。取下，在出后入口插上导管或针头，得到最终的微流控芯片。
如图5所示为第三微流道处的放大图。需要说明的是：电极2的宽度不唯一，可以是50-300μm，第三微流道4的宽度最优选为150μm，厚度需要20μm以下。
本发明方法可以用来对细胞进行捕获，拉伸，本发明可以对聚苯乙烯小球进行排斥。不仅限于此，更多的基于DEP原理的实验，本发明都具有应用潜力。
以下为本发明实施例：
实施例1
如附图6所示，首先，以5μL/min的流速将液态金属通入第一微流道5中并填满微流道。第三微流道4的宽度为150μm以下时，流速为5μL/min以下的液态金属流速均不会从第三微流道4中漏出，液态金属只会一直往前流动。
其次，在溶液微流道中以30μL/min的速度通入加入红细胞的DEP buffer，这时，整个第一微流道5里为液态金属，第二微流道6里为溶液，第三微流道4中也为溶液。
然后，可以关闭微流泵停止通入溶液，同时在液态金属和电极两边通入正弦波，正弦波频率2Mhz，电压是2Vpp，可以在电极上捕获细胞，捕获区域为电极2的正对着第三微流道4的边缘，提高电压可以拉伸红细胞。
实验完毕，液态金属可以通过通入空气从出口回收利用，降低成本。
实施例2
如附图7所示，首先，以6μL/min的流速的在液态金属第一微流道5中通入液态金属填满微流道。第三微流道4的宽度为150μm时，8μL/min以下的液态金属流速均不会从4中漏出，液态金属形成一个突出的形状。
其次，在溶液微流道中以30μL/min的速度通入加入红细胞的DEP buffer，这时，整个第一微流道5里为液态金属，第二微流道6里为溶液，第三微流道4中也为溶液。
然后，可以关闭微流泵停止通入溶液，同时在液态金属和电极两边通入正弦波，正弦波频率2Mhz，电压是2Vpp，可以在电极上捕获细胞，捕获区域为电极2的正对着第三微流道4的边缘，提高电压可以拉伸红细胞。
实验完毕，液态金属可以通过通入空气从出口回收利用，降低成本。
实施例3
如附图8所示，首先，以7μL/min的流速的在液态金属第一微流道5中通入液态金属填满微流道，第三微流道4的宽度为150μm时，液态金属形成一个更加明显的突出形状。
其次，在溶液微流道中以30μL/min的速度通入加入红细胞的DEP buffer，这时，整个第一微流道5里为液态金属，第二微流道6里为溶液，第三微流道4中也为溶液(水的张力很小，有空间会流进去，液态金属表面张力很大，不会流，本实验基于此原理)。
然后，可以关闭微流泵停止通入溶液，同时在液态金属和电极两边通入正弦波，正弦波频率2Mhz，电压是2Vpp，可以在电极上捕获细胞，捕获区域为电极2的正对着4的边缘，提高电压可以拉伸红细胞。
实验完毕，液态金属可以通过通入空气从出口回收利用，降低成本。
本发明可以用来对细胞进行捕获，拉伸，本发明可以对聚苯乙烯小球进行排斥。不仅限于此，更多的基于DEP原理的实验，本发明都具有应用潜力。
实施例4
酵母细胞的捕获。
未变形电场梯度小：频率1Mhz，电压2Vpp的正弦波。可以捕获1，2个细胞
变形后电场梯度大：频率1Mhz，电压2Vpp的正弦波。可以捕获几十个，效率提高几十倍。
如附图6所示，首先，以5μL/min的流速的在液态金属微流道5中通入液态金属填满通道，第三微流道4的宽度为100μm以下时，5μL/min以下的液态金属流速均不会从第三微流道4中漏出，液态金属只会一直往前流动，然后关闭液态金属微流泵，停止注射液态金属。
其次，在溶液通道中以30μL/min的速度通入加入了酵母细胞的DEP buffer，这时，整个第一微流道5里为液态金属，第二微流道6里为溶液，第三微流道4中也为溶液，因为水的张力很小，有空间会流进去，液态金属表面张力很大，不会流，本实验基于此原理。
然后，可以关闭溶液微流泵停止通入溶液，同时在液态金属和电极两边通入正弦波，频率1Mhz，电压是2Vpp，可以在电极上捕获酵母细胞，发现只有1到2个酵母细胞被捕获到。
随后，将酵母细胞冲走，如图8所示，以8μL/min流速通入液态金属，电极会产生形变，产生更大的电场梯度，关闭液态金属微流泵，打开溶液微流泵，通入酵母细胞，同时在液态金属和电极两边通入正弦波，频率1Mhz，电压是2Vpp，可以在电极上捕获酵母细胞，发现有几十个酵母细胞被捕获到。
实验完毕，液态金属可以通过通入空气从出口回收利用，降低成本。
通过上述实施例，可以看出，本发明提供的方法和电极，将显著提高微流控芯片的多用途性和广泛性，一次实验中流速从5增加到10，形变慢慢变大，或者在不同实验中通入不同流速，产生不同形变的电极。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种包含可形变液态金属微电极的微流控芯片，其特征在于，包括：
基底；在所述基底上刻蚀有第一形状；
在所述基底上设置有微流道层；所述微流道层上的微通道分别为第一微流道，第二微流道，第三微流道和第四微流道；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第四微流道与第一微流道连通；
所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；所述第四微流道和第一微流道连通为缓冲通道，其宽度略大于第三微流道；
在所述微流道层的顶部设置有通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；
所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述微流道层制作材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基底为ITO导电玻璃。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述的液态金属可形变电极是通过改变液态金属注射速度制作而成。
5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述的第一微流道宽度为1000μm，第二微流道宽度为100-200μm，第三微流道宽度为80-120μm，第四微流道宽度为150-200μm。
6.一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底上刻蚀得到第一形状，得到刻蚀有电极的基底；所述电极宽度为50-300μm；
提供微流道层，通过软光刻工艺制作含有第一微流道、第二微流道和第三微流道和第四微流道的微流道层；所述第一微流道与第二微流道通过第三微流道连通；所述第一微流道与所述第二微流道的宽度远大于所述第三微流道；所述第一微流道和所述第二微流道分别用于液态金属和溶液的流动；
在所述微流道层的顶部打通孔，用于液态金属和溶液的注入和流出；
将所述刻蚀有电极的基底与设置有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道和通孔的微流道层对准、密封，得到包含液态金属电极的微流控芯片；
所述液态金属与所述第一形状共同形成可形变电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基底刻蚀得到电极形状具体为：
在所述基底上涂覆光刻胶；
将涂覆有光刻胶的基底进行烘烤；
将烘烤后的基底通过掩膜版进行曝光，显影，干燥，分别在浓盐酸和脱胶液中浸泡，取出后干燥得到电极形状的基底。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，制作所述含有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道的微流道层的方法具体为：
在硅片上涂覆光刻胶；
将涂覆好光刻胶的硅片进行烘烤；
将烘烤后的硅片通过预设的掩膜版进行光刻工艺得到微流道的模具；
将所述硅片四周围起形成盒状腔体；
在所述盒状腔体中倒入树脂溶液；
将所述树脂溶液固化后，与硅片分离，得到含有第一微流道、第二微流道、第三微流道和第四微流道的微流道层。
9.权利要求1所述的包含可形变液态金属电极的微流控芯片的应用，其特征在于，包括：
向第一微流道中注满液态金属，停止注入；
向第二微流道中注满待处理溶液；保持第一微流道里为液态金属，第二微流道里为溶液，第三微流道中也为溶液，停止注入；
同时在液态金属和电极两边通入正弦波，对待处理溶液进行第一次细胞捕获或拉伸；
再次向所述第一微流道中通入液态金属，使液态金属产生形变，停止注入；
再次在液态金属和电极两边通入正弦波，对待处理溶液进行第二次细胞捕获或拉伸。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述正弦波频率2MHz，电压是2Vpp，在电极上捕获细胞，提高电压从1Vpp至8Vpp以拉伸细胞。
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