CN110756236B - 一种密封式微流控乳化芯片及其制作工艺和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封式微流控乳化芯片，包括基底和固定于该基底上的物理结构，该物理结构对应所制造的芯片的微流沟道和液滴收集池，包括与进样口相连通的微流沟道，具有引流作用的微流沟道、用于液滴乳化产生的微流沟道以及呈圆饼状的微流沟道，微流沟道与其上的水珠状固化后的预聚体构成液滴收集池。本发明利用可固化的预聚体，在表面张力作用下，自发形成液滴收集池结构，简化制造工艺，将原本需要多次刻蚀工艺降低成本。同时，基于此工艺制造的模具，开发了一种无排气孔微流体乳化器芯片的使用方法，简化进样方式，有效避免反应体系与大气接触而引起的交叉污染，同时避免连续相在反应过程中释放其溶解的空气，保证反应环境的稳定。

Description

一种密封式微流控乳化芯片及其制作工艺和使用方法

技术领域

本发明涉及微流控器件领域，具体涉及一种密封式微流控乳化芯片及其制作工艺和使用方法。

背景技术

液滴自发产生结构(Droplet Spontaneous Generation，DSG)，是一种独立于流体剪切力，利用两相流体界面张力自发产生液滴(如：滴水的龙头)。制造此类结构时，通常会制作多层微结构，制造空间梯度，用于驱动液滴产生，而产生的液滴尺寸主要取决于几何结构。相对于其它结构，这一类结构更适合通过结构的大规模并行集成，实现液滴大规模并行产生，使液滴产生通量呈数量级式的提升，便于工业化。目前，已有的液滴自发产生结构为开放式结构，双台阶结构，斜坡step结构，边缘结构以及聚焦-单层step结构。为确保并行空间梯度结构的一致性，这些结构通常需要多次高精度制造工具(例如，深反应离子刻蚀)加工模具，以及对准工艺，从而提高了制造成本，限制了此类结构的应用。本专利提出一种制造空间梯度的新工艺，只需要制造一层微结构，利用表面张力自对准形成空间梯度，既保证结构一致性，又降低工艺难度和成本，同时，可以与3D打印技术结合，降低器件整体制造成本。

液滴自发产生原理：在液滴自发产生器件中，连通液滴收集池且尺寸相同的矩形通道(如图2中微流沟道4)为液滴产生单元，也称作喷嘴，通常沿液滴收集池边缘并行集成；从液滴生成单元到液滴收集池，通道尺寸在水平方向和竖直方向骤然变大，即空间梯度；当分散相从喷嘴进入液滴收集池时，分散相在液滴收集池边缘铺开(如图3a)，随着分散相不断进入液滴收集池，由于空间梯度存在，使得液滴收集池中的分散相内部与喷嘴处的分散相内部存在压力差，且该压力差随着分散相进入液滴收集池的量增加而增加，同时会破坏分散相与连续相界面在喷嘴与液滴收集池交界附近的平衡，出现分散相收缩的现象(如图3b)；最终，分散相破裂产生液滴，如图3c所示。

液滴自发生成器件中，常用粘度和水接近的氟化油(FC40、HFE7500等)用作液滴产生的连续相，液滴完全浸泡在连续相中。然而，氟化油挥发性较强，且能溶解空气，在加热反应过程中，往往会释放气体，在液滴收集池中形成气泡，破坏液滴稳定性，出现液滴互融，甚至破乳的情况，是限制此类器件应用的一个重要因素。本发明提供一种进样策略，无需制造排气口，在芯片液滴收集池区域上方构建一定范围的负压区域，利用芯片材质的透气性，逐渐排出芯片内部空气实现进样。进样完成后，对进样口进行封口处理，放置反应仪器进行反应，目前已实现63℃加热1h以上无气泡产生。

发明内容

本发明的目的提供一种微流体乳化器制造工艺以及一种芯片使用策略。该工艺在保持原有精度的基础上简化原有的加工工艺，降低经济成本与时间成本；该策略简化进样方式，避免目前微流控芯片常用的排气孔结构，有效避免反应体系与大气接触而引起的交叉污染，同时避免连续相在反应过程中释放其溶解的空气，保证反应环境的稳定。

根据本发明的一种密封式微流控乳化芯片，其中，该芯片包括与进样口相连通的微流沟道，具有引流作用的微流沟道，用于液滴乳化产生的微流沟道以及呈圆饼状的微流沟道，微流沟道与其上的水珠状固化后的预聚体构成液滴收集池。

在一些实施方式中，该微流控通道具备空间梯度，使得水相能够在微流控通道喷口处压强释放，自发地生成液滴。

在一些实施方式中，该液滴收集池形状可为圆形、矩形等，其中，圆形为最优的。

一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺，其特征在于，主要工艺流程包括以下步骤：S1,制作微流控芯片模具；S2，填充预聚体形成液滴收集池模具；S3，在上述模具上浇筑盖片的材料并加热固化，剥离该盖片的材料，该材料上带有微流沟道与液滴收集池，沿其纵向中轴线依次打孔，形成具有油相进样孔的盖片结构；S4，将盖片和基片放入等离子清洗机中清洗改性，取出后，将盖片与基片贴合在一起，制得芯片。

在一些实施方式中，所述芯片模具是利用常用微流控器件加工工艺制作的一层具有同一高度的结构，包括微流沟道和准液滴收集池；

在一些实施方式中，滴收集池模具是通过滴加一定体积的预聚体，由预聚体在表面张力作用下，成型，形成滴收集池模具。

在一些实施方式中，所述预聚体为环氧树脂、光刻胶等可固化的液态材料。

所滴加预聚体的体积V可按以下公式估算

半径，α为预聚体在模具上的接触角，体积可过量5％-10％，具体情况需要进行测试。

一种密封式微流控乳化芯片的使用策略,其特征在于，所述的芯片使用步骤如下：

S1、中空配件7如图4所示倒扣在芯片上；

S2、进样口51连接充满连续相(氟化油)的导管(导管内在与出口间隔100μL连续相处有一段10μL分散相，其余全是连续相)，负压导管71连接真空泵；

S3、将真空泵气压调至-0.55—﹣0.60psi(真空度高于-0.55psi，真空泵开始工作，直至0.60psi)，开始进样，分散相进样完成后，将真空泵气压调至最大，使连续相快速充满器件内部；

S4、器件内部被填充满之后，对进样口51进行密封处理(灌注配制好的PDMS预聚体)，移至反应仪器进行反应。

附图说明

图1为利用微流控器件常用加工工艺制作的具有一层微结构的模具示意图；

图2为滴加预聚体制作液滴收集池的模具示意图；

图3为基于本专利加工工艺制作的乳化器液滴产生时的显微图；

图4为采用无排气孔使用策略的器件示意图；

图5为图4所示器件的前视图与剖视图；

图6为利用该策略进样完成的芯片63℃加热1h后液滴保存情况显微图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的较佳实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

根据本发明的一个优选实施例的微流体乳化器模具制作工艺所制造的模具，包括基底和固定于该基底上的物理结构，该物理结构对应所制造的芯片的微流沟道和液滴收集池，包括与进样口相连通的微流沟道21，具有引流作用的微流沟道2、用于液滴产生的微流沟道4以及呈圆饼状的微流沟道31，如图1所示，微流沟道31与其上的水珠状固化后的预聚体构成液滴收集池3，如图2所示。微流沟道4与液滴收集池3交界处产生液滴。

其中，模具材质与预聚体材质均为阻燃型环氧绝缘灌封胶(杭州五会港胶粘剂有限公司)微流沟道21宽1000μm，微流沟道2宽2000μm，微流沟道4宽50μm，微流沟道31为直径为的圆形区域(也可以是其它形状，但圆形情形下，并行集成效率最大)，半径为5000μm，所有微流沟道高度为30μm。

其中，主要工艺流程包括以下步骤：

S1、制备具有微结构的模具：

根据微流控芯片的结构，绘制出所需的图形，制备胶片掩模版；本实施例中以硅片为衬底，通过光刻或深反应离子刻蚀，刻蚀出微流沟道和准液滴收集池；得到具有相应结构的模具；按照重量比10：1分别称量PDMS预聚物和固化剂，然后混合并搅拌均匀，置于真空干燥箱中抽真空，静置约30min左右；待PDMS基本没有气泡后，将其浇注在硅片模具上，静置约30min左右，然后，将其放入烘箱加热1-3小时，优选的2小时；该烘箱温度设定在55℃到90℃之间，优选为65℃；最后将固化好的PDMS层从硅片模具上剥离下来；将PDMS层按需要切块，放置在干净的塑料培养皿底部，结构面向上，按照重量比4：1分别称量阻燃型环氧绝缘灌封胶(A)和阻燃型环氧绝缘灌封胶(B)，然后混合并搅拌均匀，浇注在培养皿中，固化后取出并揭下PDMS层，得到模具1，如图1所示。

S2、制造液滴收集池：

将模具1放置在水平面上，按照重量比4：1分别称量阻燃型环氧绝缘灌封胶(A)和阻燃型环氧绝缘灌封胶(B)，然后混合并搅拌均匀，使用移液枪定量浇注在准液滴收集池区域，预聚体铺满准液滴收集区后，静置待其固化，得到模具2，如图2所示。

根据本发明提供的一个优选实施例的无排气孔使用策略，该策略涉及的包括芯片、相关配件以及真空泵，如图4所示。

其中，所述芯片的制备方法包括以下步骤：

S1，在模具上浇注PDMS，加热固化，剥离PDMS并打孔，形成盖片：

按照重量比10：1分别称量PDMS预聚物和固化剂，然后混合并搅拌均匀，置于真空干燥箱中抽真空，静置约30min左右；待PDMS基本没有气泡后，将其浇注在模具2上，静置约30min左右，然后，将其放入烘箱加热1-3小时，优选的2小时；该烘箱温度设定在55℃到90℃之间，优选为65℃；最后将固化好的PDMS层从硅片模具上剥离下来；使用打孔机在微流沟道21处打孔，形成带有微流沟道21、2、31、4和液滴收集收集池3的盖片5。

S4：盖片5和基片6贴合：

将盖片5和基片6放入等离子清洗机中清洗约50S-80S，优选70s，取出后，盖片5再与基片6贴合在一起，将该芯片置于105℃烘箱恒温烘烤8小时以上完成芯片制备。

所述配件为一中空的物块，材质可为PMMA、PC、玻璃等非透气性材质，中间空腔尺寸略大于准液滴收集区即可，并连接一根导管，导管连接真空泵。所述真空泵为购买的可调节真空度的真空泵。

所述无排气孔使用策略中，进样过程包括以下步骤：

S1、配件7如图4所示倒扣在芯片上；

S2、进样口51连接充满连续相(氟化油)的导管(导管内在与出口间隔100μL连续相处有一段10μL分散相，其余全是连续相)，负压导管71连接真空泵；

S3、将真空泵气压调至-0.55—﹣0.60psi(真空度高于-0.55psi，真空泵开始工作，直至0.60psi)，开始进样，分散相进样完成后，将真空泵气压调至最大，使连续相快速充满器件内部；

S4、器件内部被填充满之后，对进样口51进行密封处理(灌注配制好的PDMS预聚体)，移至反应仪器进行反应。

本发明提供的微流体乳化器模具制作工艺，利用可固化的预聚体，在表面张力作用下，自发形成液滴收集池结构，简化制造工艺，将原本需要多次刻蚀工艺简化为单次，同时保证结构精度，降低成本。同时，基于此工艺制造的模具，开发了一种无排气孔微流体乳化器芯片的使用策略，简化进样方式，有效避免反应体系与大气接触而引起的交叉污染，同时避免连续相在反应过程中释放其溶解的空气，保证反应环境的稳，目前已实现63℃加热时无空气释放，持续一小时无气泡产生。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺方法，其特征在于，工艺流程包括以下步骤：S1,制作微流控芯片模具；S2，填充预聚体形成液滴收集池模具；S3，在上述模具上浇筑盖片的材料并加热固化，剥离该盖片的材料，该材料上带有微流沟道与液滴收集池，沿其纵向中轴线依次打孔，形成具有油相进样孔的盖片结构；S4，将盖片和基片放入等离子清洗机中清洗改性，取出后，将盖片与基片贴合在一起，制得；该芯片包括与进样口相连通的微流沟道，具有引流作用的微流沟道，用于液滴乳化产生的微流沟道以及呈圆饼状的微流沟道，微流沟道与其上的水珠状固化后的预聚体构成液滴收集池。

2.根据权利要求1所述的一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺方法，其特征在于，所述芯片模具是利用常用微流控器件加工工艺制作的一层具有同一高度的结构，包括微流沟道和准液滴收集池。

3.根据权利要求1所述的一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺方法，其特征在于，滴收集池模具是通过滴加一定体积的预聚体，由预聚体在表面张力作用下，成型，形成滴收集池模具。

4.根据权利要求3所述的一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺方法，其特征在于，所述预聚体为可固化的液态材料。

5.根据权利要求4所述的一种密封式微流控乳化芯片的制作工艺方法，其特征在于，所述预聚体为环氧树脂或光刻胶。

6.一种密封式微流控乳化芯片的使用方法,其特征在于，所述的芯片使用步骤如下：

S1、中空配件7倒扣在芯片上；

S2、进样口51连接充满连续相的导管，导管内在与出口间隔100μL连续相处有一段10μL分散相，其余全是连续相，连续相为氟化油，负压导管71连接真空泵；

S3、将真空泵气压调至-0.55—﹣0.60psi，真空度高于-0.55psi，真空泵开始工作，直至-0.60psi，开始进样，分散相进样完成后，将真空泵气压调至最大，使连续相快速充满器件内部；

S4、器件内部被填充满之后，对进样口51进行密封处理，灌注配制好的PDMS预聚体，移至反应仪器进行反应。

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