CN110975954B - Pdms微流控芯片二次浇筑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了PDMS微流控芯片二次浇筑装置，通过将已经固化好的PDMS芯片进行切割，利用没有任何通道固化后PDMS下层底板模型和有通道的PDMS上层模型键合在一起，形成密闭的微流控通道芯片，将其放置在此专利方明的装置上，从新倒入液态PDMS，再通过加热或者静置等手段使其固化，此时通道侧面便可以用于三维观测。该工艺可以应用于微通道技术可控液滴生成等相关微通道三维流场可视化研究领域。

Description

PDMS微流控芯片二次浇筑装置
技术领域
本发明涉及一种新型微流控芯片的加工工艺，可以将已经键合好的PDMS微流控芯片进行二次浇筑，使得PDMS芯片侧面由于切割导致的不规则平面变平整，方便从上面和侧面对通道内部流体进行三维流场可视化观测，该工艺属于微通道液滴操控技术等相关研究领域。
背景技术
液滴微流控芯片技术在化学工程、环境、能源等各种应用中发挥着重要的科学技术作用。近年来，微分散液/液系统引起了许多研究人员对其可控流动和有效传输特性的研究。微流控系统的发展使得微流控装置内部微滴的形成成为可能，在过去10年中受到了广泛的关注，已经开发了几种利用微流控装置制备微流体的方法。这对研究和生产的过程起到了至关重要的作用。随着微流控器件中液滴形成技术的迅速发展，液滴形成技术在微流控器件中的应用越来越广泛，基于液滴的微流体化学处理已经被证实，包括生产微粒子，提高混合，蛋白结晶，纳米颗粒合成、微化学分析。微流控技术同时具有生成速率快、反应时间短、混合充分、无交叉污染等特点，属于21世纪新兴技术，近年来国内外微流控技术发展较快，并得到应用。微流控核心技术内容包括：微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流体器件及系统的集成与封装。目前微通道制造材料以单晶硅、玻璃和高分子聚合物为主，近年来以高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS为材料加工微通道的方式成为微流控芯片制造的主要方式， PDMS作为一种有弹性透明高的高分子聚合物，满足微流控通道加工成型度高、热稳定性好、光学性能好、生物兼容性等要求，在微流控芯片制备过程中被广泛应用。
在制作芯片过程中，常见的实验方法是在加工芯片时，将液态的PDMS试剂浇筑在刻有微通道硅片凸模上，然后待其固化后取下，在其一侧表面形成凹陷下去的微通道，然后将微通道粘合在光滑的玻璃板或者PDMS底板上，形成中间密闭的微通道，此微通道可以用于液滴生成、分裂、融合等一系列微流控操作。在实验室的操作过程中，固态PDMS从基板脱离之后，需要人工的切割使其变成为尽量规则的长方体，方便后续放到试验台上利用光学显微镜进行观测，在人工的切割过程中，不可避免的是刀片会造成PDMS的侧面出现一些划痕，这些划痕导致无法使用光学显微镜从侧面将光完整的打进去，从而进行观测，在此科学问题的背景下，利用PDMS二次浇筑可以无缝粘合的特点，设计一种简便易行的辅助装置，对已经完成键合的不同尺寸、不同用途的微通道芯片进行二次浇筑。
该装置可以成功的解决：由于固化后PDMS材料本身特性，导致在芯片切割过程中，PDMS芯片的切割断面透明度差，无法直接实现从芯片侧面观测内部微通道的问题。本发明二次加工后的PDMS 模型改进了对液滴操控过程中的三维观测，可以清楚的对液滴操控过程进行全面观测分析。该方案简单可靠，加工成本低，普通生物实验室就可完成芯片加工，具有非常重要的科研和应用价值。
发明内容
本发明主要针对传统微流控装置的PDMS芯片无法清晰地利用光学显微镜从侧面观测的问题，加工过程中，一次浇筑同普通方法一样：将已经固化好的PDMS芯片进行切割，利用没有任何通道固化后PDMS下层底板和有通道的PDMS上层模型键合在一起，形成密闭的微流控通道芯片。二次浇筑即将其水平放置在此专利方明的装置上，从新倒入液态PDMS，再通过加热或者静置等手段使其固化，此时通道侧面便可以用于三维观测。
传统的PDMS微流控芯片的加工过程如下：
首先通过光刻法在光滑的硅片上加工出用于浇筑微通道的凸模；主通道与侧通道已经刻画在硅片上，液态的将PDMS聚二甲基硅氧烷预置剂A溶液和凝固剂B溶液按照10:1的比例进行混合均匀，将混合后PDMS溶液浇筑在刻有微通道的凸模上，然后进行烘烤固化，取下固化后的PDMS上层模型；将毛细管放置在已经刻画好的侧通道上，然后将没有任何通道固化后PDMS下层底板模型和有通道的PDMS上层模型键合在一起，形成密闭的微流控通道芯片，根据需要将芯片整体切割完成加工。该方式加工而成的通道可使用显微镜对通道正面进行观察研究。
在上述技术方案的基础上，本发明的制作微流控芯片的加工工艺流程如下：
第一步：通道凸模前处理；
通过光刻法在光滑的硅片上加工出需要的微通道凸模，加工过程和传统的工艺一样，如果同一硅片上加工多个微通道时，取消通道间的分割线，避免分割线对最终微通道侧面的观测影响。
第二步：PDMS芯片浇筑；
将液态PDMS试剂的预置剂A和凝固剂B按照10:1比例进行混合均匀形成混合溶液，静置30min待混合溶液内混杂的气泡上浮如果部分气泡无法上浮，用橡胶洗耳球将气泡吹破，将无气泡的混合溶液浇筑到第一步制作好的微通道凸模上，将浇筑溶液后的微通道凸模放入烤箱进行加热固化成型后形成PDMS上层模型，取下成型后的 PDMS上层模型。
第三步：键合盖板；
取比微通道尺寸大2mm的矩形PDMS盖板，采用紫外线等离子键合机将浇筑成型的PDMS上层模型和矩形PDMS盖板键合在一起形成键合好的微通道。
第四步：二次浇筑；
将键合好的微通道水平放置于二次浇筑装置内，固定好二次浇筑装置后，然后将混合充分的液态PDMS溶液第二次浇筑到二次浇筑装置中，使微通道四周完全包裹，放入加热箱内加热或者静置使 PDMS溶液固化成型。
操作过程及细节如下，底板6上设有一能够沿侧边移动的滑移导轨7，整个二次浇筑装置由滑移导轨7进行前后固定；底板6的上安装有采用直角挡板1与可移动壁面5，底板6、直角挡板1与可移动壁面5组装成为一个无盖的槽型结构；可移动壁面5在滑移导轨7 上的运动使整个无盖的槽型结构能够进行前后宽度的调节；在直角挡板1与可移动壁面5之间的内壁分别放置梯形挡板3，两块梯形挡板 3分别固定在直角挡板1与可移动壁面5上，使用玻璃板4与两块梯形挡板3进行配合，将直角挡板1与可移动壁面5之间的口封住；T 型 支架2放置在两块梯形挡板3之间，控制直角挡板1与可移动壁面 5之间的宽度，来适应键合好的微通道的宽度，以此使得此二次浇筑装置能够适用于不同尺寸，并且能够应用不同微通道的二次浇筑。该工艺的创新点：
1、该装置的发明可以有效地解决在实验室中出现的由于切割导致的侧面不均整而引起的无法观测问题，在实际操作过程中简单易上手，符合实验过程要求的简便易行原则。在此基础上，还满足不同大小的微通道均可用此装置进行二次浇筑的优点。
2、该发明采用液态PDMS溶液先后两次浇筑，可使加工出的芯片模型没有中间键合面，侧面的透明度极高，避免了传统上下两层键合面对侧面观测的影响，对液滴三维观测提供了更便利的方法。
3、该工艺所采用材料和器具都为普通材料，来源丰富，成本低利于推广。
附图说明
图1是本发明二次浇筑装置的实验装置主视图。
图2是本发明二次浇筑装置的实验装置俯视图。
图3是本发明二次浇筑装置的实验装置示意图。
注释：
1.直角挡板2.T 型 支架3.梯形 挡板4.玻璃板5.可移动壁面6.底板 7.侧边滑移导轨。
具体实施方式
下面结合结构附图对本装置是如何实现二次浇筑作进一步详细说明。
由结构附图可知，本装置基本构件包括1.直角挡板2.T 型 支架 3.梯形 挡板4.玻璃板5.可移动壁面6.底板7.侧边滑移导轨等七个部分，
首先先按正常操作切割，键合PDMS装置，将键合好的微通道水平放置于二次浇筑装置内，固定好装置后，然后将混合充分的液态 PDMS溶液二次浇筑到装置中，将通道四周完全包裹，放入加热箱内加热或者静置使其固化成型。
操作过程及细节如下，在底板6上有设有一可沿侧边移动的滑移导轨7，整个装置可以由滑移导轨7进行前后固定，上方采用直角挡板1与可移动壁面5固定，使之成为一个无盖的槽型，可移动壁面 5在滑移导轨7上的运动可以使整个槽型的前后宽度自由调节，在另一侧放置两块梯形挡板3分别固定在直角挡板1与可移动壁面5上，使用玻璃板4与其进行配合，将另一侧的口封住，通过T 型 支架2的上下支撑调节，控制前侧口的宽度，以此来使本装置可以适用于不同尺寸、不同应用的微流控芯片的二次浇筑。

Claims (2)

1.PDMS微流控芯片二次浇筑装置，其特征在于：底板(6)上设有一能够沿侧边移动的滑移导轨(7)，整个二次浇筑装置由滑移导轨(7)进行前后固定；底板(6)上安装有直角挡板(1)与可移动壁面(5)，底板(6)、直角挡板(1)与可移动壁面(5)组装成为一个无盖的槽型结构；可移动壁面(5)在滑移导轨(7)上的运动使整个无盖的槽型结构能够进行前后宽度的调节；在直角挡板(1)与可移动壁面(5)之间的内壁分别放置梯形挡板(3)，两块梯形挡板(3)分别固定在直角挡板(1)与可移动壁面(5)上，使用玻璃板(4)与两块梯形挡板(3)进行配合，将直角挡板(1)与可移动壁面(5)之间的口封住；T 型 支架(2)放置在两块梯形挡板(3)之间，通过T 型 支架(2)控制直角挡板(1)与可移动壁面(5)之间的宽度，来适应键合好的微通道的宽度，以此使得此二次浇筑装置能能适用于不同尺寸，并且能够应用不同微通道的二次浇筑。
2.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片二次浇筑装置，其特征在于：制作微流控芯片的加工工艺流程如下：
第一步：通道凸模前处理；
通过光刻法在光滑的硅片上加工出需要的微通道凸模，加工过程和传统的工艺一样，如果同一硅片上加工多个微通道时，取消通道间的分割线，避免分割线对最终微通道侧面的观测影响；
第二步：PDMS芯片浇筑；
将液态PDMS试剂的预置剂A和凝固剂B按照10:1比例进行混合均匀形成混合溶液，静置30min待混合溶液内混杂的气泡上浮，将无气泡的混合溶液浇筑到第一步制作好的微通道凸模上，将浇筑溶液后的微通道凸模放入烤箱进行加热固化成型后形成PDMS上层模型，取下成型后的PDMS上层模型；
第三步：键合盖板；
取比微通道尺寸大2mm的矩形PDMS盖板，采用紫外线等离子键合机将浇筑成型的PDMS上层模型和矩形PDMS盖板键合在一起形成键合好的微通道；
第四步：二次浇筑；
将键合好的微通道水平放置于二次浇筑装置内，固定好二次浇筑装置后，然后将混合充分的液态PDMS溶液第二次浇筑到二次浇筑装置中，使微通道四周完全包裹，放入加热箱内加热或者静置使PDMS溶液固化成型。
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