CN110773243A - 基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属微流控芯片技术领域，具体为一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。本发明采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，设计文件存为激光雕刻切割软件可读格式后导入，设置溶液连接孔为第一图层，通道为第二图层，芯片外部轮廓为第三图层，通过设置一定的激光功率和移动速度对聚合物板的三层分别进行切割和雕刻，加工得到微流控芯片基片；然后将微流控芯片基片有通道的一面与一片经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得聚合物微流控芯片成品。本发明方法可大大加快芯片加工速度，提高加工效率，且操作简便，成本低廉。

Description

基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法

技术领域

本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。

背景技术

微流控芯片是当前微全分析系统发展的重点，其以微管道网络为结构特征，可把化学、生化等实验室常用的采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能，集成在可多次使用的几个平方厘米大小的微芯片上，具有广泛的适用性。自从1990年首次提出微型全分析系统以来，微流控芯片就以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外有关领域的广泛关注，在生物医药、食品药品分析、临床诊断、环境监测等领域显示了良好的应用前景，目前制约其广泛应用的瓶颈之一就是其较高的价格和较低的产量。微流控芯片有着十分光明的应用前景和巨大的市场需求，由于其独特的技术优势，建立其批量低成本快速加工新技术势在必行。

目前，制备微流控芯片的材料有玻璃、硅、石英和聚合物等，玻璃、硅和石英芯片通常采用光刻与化学刻蚀相结合的方法进行制备，加工技术和设备要求高，价格比较昂贵，难以采用模具大批量生产，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了广泛发展和重视，其可使用模具通过压印、注塑和浇铸等技术低成本批量生产。用于加工微流控芯片的聚合物有聚二甲基硅氧烷、有机玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，其中有机玻璃和聚二甲基硅氧烷是两种较常用的聚合物材料。微流控芯片是建立多组分、高通量和低成本检测技术的理想平台，可与手机、智能手表、平板电脑等移动智能设备联用，显示了巨大的市场前景。其潜在的应用领域包括临床诊断、生物医药分析、疾病筛查、食品药品分析和环境监测等，实际应用中需要大量多功能和低成本的高质量微流控芯片，聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在一次性多功能快速检验方面具有广阔的应用前景。

聚合物微流控芯片的常用加工技术主要有热压、注塑和浇铸等，对芯片模具的机械强度要求较高，使用的硅阳膜或金属阳膜采用微机电加工技术制作，而且单片加工时间较长（通常30分钟以上），需要使用较高的压力，对模具损伤大，加工成本较高。鉴于目前聚合物微流控芯片加工存在的问题，建立简便、快速和低成本的聚合物微流控芯片加工新技术具有十分重要的实际意义。

激光雕刻和切割技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现工件的雕刻和切割。激光雕刻和切割技术具有精度高、切缝窄、切割面光滑、速度快、非接触加工不损伤工件等优点，不需模具，节省材料，缩短了产品制造周期，大幅节省了加工费用。其中二氧化碳激光雕刻切割技术适合非金属材料的雕刻和切割，在聚合物微流控芯片加工中具有得天独厚的技术优势。二氧化碳激光雕刻切割机是光、机、电一体化设备，其常用的二氧化碳激光器是一支长约1米左右的放电管，产生的激光波长通常为10.6微米，通过计算机化数字控制技术（CNC）控制X和Y轴步进电机和导轨，使聚焦的激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的刻缝或切缝。

鉴于激光雕刻和切割技术的这些优点，我们将其用于聚合物微流控芯片的快速加工，开展了深入研究，成功建立了一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备新方法。本发明采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片的外部轮廓、通道结构和溶液连接孔，通过在聚合物板上激光切割溶液连接孔、激光雕刻微流通道和激光切割芯片的外部轮廓，可制备微流控芯片基片，与同尺寸同材质的盖片经封装后可得聚合物微流控芯片成品。该芯片加工技术具有加工速度快（单块基片加工时间为10至30秒）、操作简便和成本低的优点，芯片成形工艺容易自动化，在聚合物微流控芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够大幅降低加工时间并提高芯片加工质量的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。

本发明提出的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，具体步骤为：

（1）采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式；其中，溶液连接孔包括1个进样溶液孔，3个缓冲溶液孔，通道包括进样通道和分离通道；这里，进样溶液孔、缓冲溶液孔、进样通道、分离通道等之间的位置关系与大小尺寸，根据需要设计；

（2）上述设计文件导入激光雕刻切割机控制软件，设置溶液连接孔1-4（其中，1为进样溶液孔，2-4为缓冲溶液孔）为第一图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对聚合物板材进行切割；设置进样通道5和分离通道6为第二图层，通过设定较低的激光功率（1-15瓦）和较高的激光移动速度（30-60毫米/秒）雕刻通道；设置芯片外部轮廓7为第三图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）进行切割，设置的图层顺序加工文件可保存为激光加工工程文件，可供后续直接调取使用。聚合物板依次经上述第一图层至第三图层三步加工（切割、雕刻和切割），得到聚合物微流控芯片基片8；该芯片基片上，进样通道和分离通道以单十字形式交叉，并且溶液连接孔分别与对应通道连通；参见图1所示；

（3）采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，尺寸与微流控芯片基片8一致，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对聚合物板进行切割，得到微流控芯片盖片；

（4）聚合物微流控芯片基片8有通道的一面与步骤（3）中经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得到聚合物微流控芯片成品。

本发明步骤（2）和（3）中，聚合物微流控芯片加工使用的是二氧化碳激光雕刻切割机（[1]，[2]），该雕刻切割机主要由机械平台、光学系统、控制系统、辅助系统和激光雕刻切割软件组成。机械平台由两个X和Y轴步进电机推动的机械导轨控制激光聚焦头的移动；而光学系统包括二氧化碳激光管、激光电源、3个反射镜和1个聚焦头；控制系统由高速DSP控制卡、2个开关电源和2个步进电机驱动器组成，激光雕刻切割软件LaserCut软件可通过高速DSP控制卡可控制聚焦头的移动轨迹和速度，还可通过控制激光管电流控制激光输出功率；辅助系统包括激光管循环冷却水泵、吹气压缩泵和抽排烟风机。

本发明中步骤(2)中，用于激光同步雕刻和切割制备聚合物微流控芯片的材料为热塑性塑料，具体可选自有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯等。

本发明中步骤(2)中，所述聚合物微流控芯片通道为锥形深度为10~800微米，上部宽度50~500微米。借助激光雕刻的技术优势，加工的通道深宽比较高。

本发明步骤（2）中，聚合物微流控芯片基片上通道末端位置的溶液连接孔为直径1~3毫米的圆形小孔。

本发明提出的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，进一步详述如下：

采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，由单十字交叉微通道和以及溶液连接孔构成。使用的设计软件可为国产的文泰刻绘、AutoCAD、CorelDraw、Adobe Illustrator等，输出的设计文件格式分别为激光雕刻切割机可导入的PLT、DXF、CDR、AI等格式文件。附图1中微流控芯片上的溶液连接孔1-4的直径为1-3毫米；单十字交叉微通道结构中的进样通道5长5-20毫米，分离通道6长10-100毫米，分离通道6在进样通道5的中点与之交叉，且附图1中溶液连接孔1、2和3距离交叉点的距离相同；芯片尺寸和外部轮廓7可根据需要进行设计，通常为矩形，长15-110毫米，宽10-30毫米。

本发明中，聚合物微流控芯片激光加工使用的是商用二氧化碳激光雕刻切割机。由机械平台、光学系统、控制系统、辅助系统和激光雕刻切割软件组成。机械平台由两个X和Y轴步进电机推动的机械导轨控制激光聚焦头的移动，而光学系统包括二氧化碳激光管、激光电源、3个反射镜和1个聚焦头，二氧化碳激光管发出的激光束经3个反射镜反射，通过聚焦头中的凸透镜聚焦后照射在聚合物板材上进行雕刻或切割。控制系统由高速DSP控制卡、2个开关电源和2个步进电机驱动器组成，激光雕刻切割软件通过高速DSP控制卡可控制聚焦头的移动轨迹和速度，还可通过控制激光管电流控制激光输出功率。辅助系统包括激光管循环冷却水泵、吹气压缩泵和抽排烟风机，主要用于工作时激光管的冷却、激光雕刻和切割产生气体的吹散以及加工过程中系统的通风排烟。

采用激光同步雕刻和切割法制备聚合物微流控芯片时，将上述通过计算机辅助设计软件生成的设计文件导入激光雕刻切割机控制软件，设置溶液连接孔1-4为第一图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对0.5-3毫米的聚合物板材进行切割；设置通道为第二图层，通过设定较低的激光功率（1-15瓦）和较高的激光移动速度（30-60毫米/秒）雕刻通道5和6；设置芯片外部轮廓7为第三图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）进行切割，设置的图层顺序加工的文件可保存为激光加工工程文件，如ECP文件，供后续直接调取使用。聚合物板依次经上述第一图层至第三图层的切割、雕刻和切割三步加工可得具有单十字交叉通道5和6以及溶液连接孔1-4的聚合物微流控芯片基片8。本发明先切割溶液连接孔1-4，再雕刻微流通道5和6，可确保雕刻后通道5和6与溶液连接孔1-4连通。如果先雕刻微流通道5和6，再切割溶液连接孔1-4，切割熔融界面处的通道出口会融化变性，甚至堵塞。

采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，尺寸与微流控芯片基片8一致，通常为矩形，长15-110毫米，宽10-30毫米。将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对聚合物板进行切割，可得微流控芯片盖片。

封装前，聚合物微流控芯片基片8和上述经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片分别用水和异丙醇冲洗，用压缩空气吹干后立即将聚合物微流控芯片基片8有通道的一面与盖片面对面合上，夹于两片较大尺寸的玻璃片间，置于远红外辅助热压机上下压头间，在100-160℃的温度下按芯片面积施加约2-12公斤/平方厘米的压力2-6分钟，取出冷却到室温，即完成基片8与盖片的热压封装，制得的粗片经打磨修边可得聚合物微流控芯片成品，实物照片见图2。本发明加工的有机玻璃微流控芯片中微流通道横断面的显微镜照片见附图3。

本发明中可通过调节输出激光的功率和激光移动速度来控制雕刻的深度和宽度，采用较低的激光功率和较快的激光移动速度可获得较低的雕刻深度和宽度，通过本发明激光雕刻技术加工的聚合物微流控芯片通道的深度为10~800微米，上部宽度50~500微米，借助激光雕刻的技术优势，加工的通道深宽比较高。而采用较高的激光功率和较低的激光移动速度可获得较高的雕刻深度和宽度，甚至将聚合物板材切透。

本发明中用于激光同步雕刻和切割法制备微流控芯片的聚合物材料可为有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯等。

本发明首次提出了基于激光同步雕刻和切割法的聚合物微流控芯片快速加工新方法，通过在聚合物板上激光切割溶液连接孔、激光雕刻微流通道和激光切割芯片的外部轮廓，一次加工即可制得微流控芯片基片，与同尺寸同材质的盖片经远红外辅助热压快速封装后可得聚合物微流控芯片成品。本发明方法可大大提高芯片加工速度、芯片加工效率，而且操作简便和成本较低，芯片成形工艺容易自动化，在聚合物微流控芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。本发明中单片基片8激光加工时间通常为10-30秒，芯片封装时间为2-5分钟每片，但芯片封装通常可几十乃至上百片同时封装，可进一步缩短加工时间，提高芯片加工效率。

附图说明

图1为本发明中基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片基片加工流程图。其中，（a）为在聚合物板材上切割溶液连接孔1-4的第一图层；（b）为在切割有溶液链接孔1-4的聚合物板材上雕刻进样微流通道5和分离通道6的第二图层；（c）为在有溶液链接孔1-4和微流通道5和分离通道6的聚合物板材上切割微流控芯片外部轮廓7的第三图层；（d）为通过依次经第一图层至第三图层三步加工（切割、雕刻和切割）制备的聚合物微流控芯片基片8示意图。

图2为本发明中采用基于激光同步雕刻和切割法加工的有机玻璃微流控芯片实物照片。

图3为采用本发明中基于激光同步雕刻和切割技术制备的聚合物微流控芯片断面显微镜照片。

图4为使用本发明制备的有机玻璃微流控芯片区带电泳分离1毫摩尔/升的对乙酰氨基酚(a)和邻苯二酚(b)标准混合溶液的电泳图谱。测试条件：分离电压为+2000伏、进样电压为+2000伏、进样时间为3秒、运行缓冲溶液为50毫摩尔/升的硼酸盐缓冲液(pH 9.2)、检测电极为直径为300微米的碳电极、检测电位为+0.9伏(相对于饱和甘汞电极)。

图中标号：1为进样溶液孔，2-4为缓冲溶液孔，5为进样微流通道，6为分离微流通道，7为微流控芯片外部轮廓，8为聚合物微流控芯片基片。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本发明：

实施例1、激光同步雕刻和切割法制备有机玻璃微流控芯片。

（1）微流控芯片的设计

采用计算机辅助设计软件（国产文泰刻绘）设计芯片结构，由溶液连接孔1-4以及单十字交叉微进样通道5和分离通道6构成。输出的设计文件格式为激光雕刻切割机可导入的PLT格式文件。附图1中微流控芯片上的溶液连接孔1-4的直径为2毫米；单十字交叉微通道结构中的进样通道5长12毫米，分离通道6长68毫米，分离通道6在进样通道5的中点与之交叉，且附图1中溶液连接孔1、2和3距离交叉点的距离相同；芯片外部轮廓7为矩形，长75毫米，宽17毫米。

（2）激光同步雕刻和切割法制备有机玻璃微流控芯片基片

本实施例1中，有机玻璃微流控芯片加工使用的是商品二氧化碳激光雕刻切割机，最大输出功率60瓦，雕刻切割幅面为1000毫米×600毫米。激光雕刻切割机的组成和各部分功能同上。

本实施例1采用激光同步雕刻和切割法制备有机玻璃微流控芯片时，将计算机辅助设计软件生成的PLT设计文件导入激光雕刻切割机控制软件LaserCut，设置溶液连接孔1-4为第一图层，通过设定较高的激光功率（24瓦）和较低的激光移动速度（20毫米/秒）对1毫米厚的有机玻璃板材进行切割；设置通道5和6为第二图层，通过设定较低的激光功率（6瓦）和较高的激光移动速度（40毫米/秒）雕刻通道5和6；设置芯片外部轮廓7为第三图层，通过设定较高的激光功率（24瓦）和较低的激光移动速度（20毫米/秒）进行切割，设置的图层顺序加工的文件可保存为激光加工工程文件（ECP文件），供后续直接调取使用。有机玻璃板依次经上述第一图层至第三图层的切割、雕刻和切割三个加工步骤可得具有单十字交叉通道5和6以及溶液连接孔1-4的有机玻璃微流控芯片基片8。

本实施例1采用计算机辅助设计软件（文泰刻绘）设计微流控芯片盖片外部轮廓，尺寸与微流控芯片基片一致，长75毫米，宽17毫米。将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读的PLT文件，导入激光雕刻切割机控制软件LaserCut，通过设定较高的激光功率（24瓦）和较低的激光移动速度（20毫米/秒）对有机玻璃板进行切割，可得微流控芯片盖片。

（3）芯片的热压封装和表征

封装前，有机玻璃微流控芯片基片8和上述经激光切割加工的同尺寸有机玻璃盖片分别用水和异丙醇冲洗，用压缩空气吹干后立即将基片8有通道的一面与盖片面对面合上，夹于两片较大尺寸的玻璃片（25.4毫米×76.2毫米×1.2毫米）间，置于远红外辅助热压机上下压头间，在105℃的温度下按芯片面积施加约6公斤/平方厘米的压力3分钟，取出冷却到室温，即完成基片8与盖片的热压封装，制得的粗片经打磨修边可得有机玻璃微流控芯片成品，实物照片见图2，可将芯片通体透明，无气泡。本发明加工的有机玻璃微流控芯片中微流通道横断面的显微镜照片见附图3，可见微流通道完整，有机玻璃微流控芯片和盖片间无裂缝，封装质量良好。制备的微流控芯片通道断面呈锥形，符合激光雕刻的特点。本实施例1制备的有机玻璃微流控芯片通道的深度约为500微米，上部宽度约为300微米，借助激光雕刻的技术优势，加工的通道深宽比较高，为基片的后续封装提供便利。

（4）有机玻璃微流控芯片的分析应用

本实施例1制备的有机玻璃微流控芯片还用于1毫摩尔/升的对乙酰氨基酚和邻苯二酚的电泳图谱标准混合溶液的区带电泳分离，测试条件见附图4。附图4为使用本发明制备的有机玻璃微流控芯片通过区带电泳分离1毫摩尔/升的对乙酰氨基酚和邻苯二酚的电泳图谱标准混合溶液的电泳图谱，可见两种酚类化合物获得了良好的分离和检测。

实施例2、基于激光同步雕刻和切割的聚苯乙烯微流控芯片制备方法。

将厚度为1毫米的聚苯乙烯板代替实施例1中的1毫米的有机玻璃板，按实施例1中的工艺参数采用激光同步雕刻和切割法制备聚苯乙烯微流控芯片基片8。聚苯乙烯的玻璃化温度约为100℃，略低于有机玻璃的玻璃化温度（105℃）。采用远红外线辅助热压法封装聚苯乙烯微流控芯片过程中，芯片热压封装温度设定为100℃，略低于有机玻璃芯片的加工温度，其他参数和工艺流程同实施例1。加工的聚苯乙烯微流控芯片无色透明，通道完整，封装良好，无裂缝。

实施例3、远红外线辅助热压法制备聚碳酸酯微流控芯片。

将厚度为1毫米的聚聚碳酸酯板代替实施例1中的1毫米的有机玻璃板，按实施例1中的工艺参数采用激光同步雕刻和切割法制备聚碳酸酯微流控芯片基片8。聚碳酸酯的玻璃化温度约为140~150℃，高于有机玻璃的玻璃化温度（105℃）。采用远红外线辅助热压法封装聚碳酸酯微流控芯片过程中，芯片热压封装温度设定为140℃，高于有机玻璃微流控芯片的加工温度，其他参数和工艺流程同实施例1。加工的聚碳酸酯微流控芯片耐热性好，芯片透明度高、通道完整且封装良好。

参考文献：

[1]孙守泽, 王卫强, 李富任, CO₂激光切割机低温天气启机异常问题处理，设备管理和维修，2018, (10), 34-35；

[2] 尹昭辉, 叶畅, 制造技术与机床, 小功率CO2激光切割机控制部分设计，2012,(6), 85-87；

型号RJ-1060，山东锐捷数控科技集团有限公司产品，网址http://www.jnruijie.cn/co2jiguangji/。

Claims (5)

1.一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，设计文件存为激光雕刻切割软件可读格式；其中，溶液连接孔包括1个进样溶液孔，3个缓冲溶液孔，通道包括进样通道和分离通道；

（2）上述设计文件导入激光雕刻切割软件，设置溶液连接孔为第一图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度对聚合物板进行切割；设置进样通道和分离通道为第二图层，通过设定1-15瓦激光功率和30-60毫米/秒激光移动速度雕刻通道；设置芯片外部轮廓为第三图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度进行切割；聚合物板依次经上述第一图层至第三图层三步加工后得到聚合物微流控芯片基片；

（3）采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，盖片尺寸与微流控芯片基片一致，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定20-60瓦的激光功率和10-30毫米/秒的激光移动速度对聚合物板进行切割，得到微流控芯片盖片；

（4）聚合物微流控芯片基片有通道的一面与步骤（3）中经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得到聚合物微流控芯片成品。

2.根据权利要求1所述的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，所述聚合物微流控芯片的材质选自有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯。

3.根据权利要求1所述的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述聚合物微流控芯片通道为锥形，深度为10~800微米，上部宽度为50~500微米。

4.根据权利要求1所述的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，步骤（2）中，聚合物微流控芯片基片上处于通道末端位置的溶液连接孔为直径1~3毫米的圆形孔。

5.根据权利要求1所述的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，步骤（2）、步骤（3）中，激光切割和激光雕刻使用的是二氧化碳激光雕刻切割机。

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