CN112092378A - 一种热压阻断微流控流体通道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热压阻断微流控流体通道的方法，涉及热压设备领域，其特征在于，包含以下步骤：步骤A：组装微流控芯片；步骤B：将组装好的微流控芯片放于热压装置下方；步骤C：加热热压装置；步骤D：将所述微流控芯片向所述热压装置移动并保持压力接触；步骤E：使所述热压装置与所述微流控芯片分离。本发明提出的微流控流道封闭的方法简单、易操作不需要复杂的控制设备，可以永久性的将微流控流道完全封闭。

Description

一种热压阻断微流控流体通道的方法

技术领域

本发明涉及热压设备领域，尤其涉及一种热压阻断微流控流体通道的方法。

背景技术

微流控(microfluidics)是一种控制微小体积流体从而实现各种微尺度物理、化学 及生物过程的技术。微流控可以将很多实验室中进行的反应集成到微流控芯片上因此在很多场景下被称为芯片上的实验室。在一些特定情况下所处理的流体的体积也可 以更大或更小。微流控芯片中通常具有一个或多个的流体通道。在外部压力、密 度、重力、表面张力、毛细作用、机械作用等不同作用机理的作用下，流体可以 在微流控芯片的流道内进行传输。

微流控芯片上可以实现各种不同机理的生物化学反应，进行分子、细胞以及组织层面的分析和研究。例如，可以在微流控芯片上通过聚合酶链反应(polymerase chainreaction，PCR)实现对特定核酸序列的扩增和检测；再如，可以在微流控芯片上通 过酶联免疫吸附测定法(enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)对特定的蛋白 进行检测。微流控芯片也可以进行细胞培养从而研究细胞对不同生物化学物质的反应。 其中微流控芯片上的流体可以是液体，也可以是气体。

微流控芯片的材料和加工方法多种多样。微流控芯片的材料包括但不仅限于玻璃、 硅片、石英、金属、纸、塑料等聚合物等。其加工方法也包含但不仅限于刻蚀、机械 加工、注塑成型、磨具成型、激光雕刻、打印、雕刻等。这些材料和加工方法所能实 现的微流控芯片内的微结构多种多样，其具体选择的材料和加工方法通常需要根据要 实现的功能来决定。

在微流控芯片中通常需要的一个关键步骤是如何形成独立的微反应单元，例如微孔、微坑、微腔室及微液滴等。在这些微反应单元中可以进行上述的物理、生物及化 学反应。形成独立的微反应单元的重要方法之一是使用流体通道将流体输送到微反应 单元中，再通过物理或者化学的方法将该流体通道阻断，使微反应单元成为独立的反 应腔室。其中比较有代表性的方法有：1)滑动芯片(Slip Chip)法：通过相接触的两 块微流控芯片的相对位置变化，使两个表面上相对应的微结构相互部分重叠形成联通 的流道，或者所述微结构通过相对滑动不再相互重叠，从而实现微反应单元的独立；2) 激光焊接(Laserwelding)法：通过激光的能量将构成流道的材料加热，使流道封闭 从而实现微反应单元的独立；3)直接按压(Direct pressing)法：通过直接的物理挤 压，使流道塌陷闭合，从而实现微反应单元的独立；4)微阀(micro-valving)法：通 过在微流控芯片中设置微阀结构(例如具有多层结构的气动阀)从而实现控制流道开 启和闭合的目的。

这些方法通常需要较为精密的控制或相对复杂的组件，不利于在实验室以外的许多应用场景广泛的使用。例如直接按压法难以真正实现通道的完全永久封闭，这使得 微反应单元并未真正与外界隔绝，容易受到外界的影响或者对外界造成影响。而滑动 芯片法和微阀法对组件的加工精度要求很高，激光焊接法需要的仪器较为复杂，不利 于在很多实验室以外的场景。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以实现微流控芯片的流道完全永久封闭的热压方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在不需要组件具有很高的加工精度的情况下，使用简单仪器，实现微流控芯片的流道的完全永久封闭。

为实现上述目的，本发明提供了一种热压阻断微流控流体通道的方法，其特征 在于，具体包括以下步骤：

步骤A：组装微流控芯片；

步骤B：将组装好的微流控芯片放于热压装置下方；

步骤C：加热热压装置；

步骤D：将所述微流控芯片向所述热压装置移动并保持压力接触；

步骤E：使所述热压装置与所述微流控芯片分离。

进一步地，所述步骤A具体包括：

步骤A1：清洗；用乙醇对微流控芯片与热塑性聚氨酯薄膜进行清洗，除 去表面附着的油污与杂质；

步骤A2：将所述聚氨酯薄膜与带流槽的微流控芯片表面进行粘合；

进一步地，所述步骤A2具体操作为通过耐热强力胶水将所述聚氨酯薄膜与带 流槽的微流控芯片表面进行粘合。

进一步地，所述步骤A2具体操作为：将带有特定图形的双面胶贴到所述带流 槽的微流控芯片表面并压平，确保双面胶与所述带流槽的微流控芯片紧密贴合后， 取下离型纸；贴上带有特定图形的热塑性聚氨酯薄膜；在所述热塑性聚氨酯薄膜 上表面贴上一层代带有特定图形的特氟龙耐热胶带，使所述特氟龙耐热胶带与所 述热塑性聚氨酯薄膜紧密贴合。

进一步地，所述步骤B还包括将需要阻断的所述微流控芯片的流体通道放置 于所述加热装置的表面的垂直方向。

进一步地，所述步骤D中的所述微流控芯片表面与所述热压装置的相对移动 方向可以垂直也可以非垂直。

进一步地，所述步骤A还包括所述热压装置的可以加热的表面与所述微流控 芯片流道的至少一个表面相接触。

进一步地，所述热塑性聚氨酯薄膜的厚度在0.3-0.5mm。

进一步地，所述步骤D为通过手持的方式将所述热压装置按在所述微流控芯 片需要阻断的流体通道上，并保持一定压力。

进一步地，所述步骤D与所述步骤E具体为将热压装置与电机连接并通过电 机驱动与所述微流控芯片压力接触并分离。

本发明具有以下技术效果：

1、控制设备简单易操作；

2、本发明所述方法可以永久性的将微流控流道完全封闭；

3、本发明所述装置可以被集成到小型便携式设备中；

4、本发明所述装置可以用来封闭不同大小，形状的微流控流道；

5、本发明的装置可以通过手动也可以设置成自动化设备。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的整体结构示意图；

图2(a)、图2(b)分别是本发明的一个较佳实施例的微流控芯片的上组件和下组件分解的俯视图和侧视图；

图3(a)、图3(b)分别是本发明的一个较佳实施例的微流控芯片的上组件和下组件结合的俯视图和侧视图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)分别是本发明的一个较佳实施例的热压装置的侧视图、仰视图和整体示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是本发明的一个较佳实施例的热压装置的加热表面，可以为不同形状和不同的数量；

图6(a)、图6(b)分别为本发明的一个较佳实施例的封闭微流控芯片流道的组件的侧视图和工作原理图；

图7(a)、图7(b)分别为本发明的一个较佳实施例的用于封闭微流控芯片流道的组件的工作示意图；

图8为本发明的一个较佳实施例整体装配示意图；

图9为本发明的一个较佳实施例整体装配工作示意图；

图10为本发明的一个较佳实施例的微流控芯片中形成的独立微反应单元；

其中，1-电机，2-固定臂，3-升降臂，4-热压装置，5-加热表面，6-微流控芯片。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非 仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有 限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的 厚度。

实施例一

本发明一套小型热压装置实现对微流控芯片内的流道的封闭。通道中的流体 无论是气体还是液体都可以通过本发明方法进行阻断。

如图1所示，该小型热压装置可以相对微流控芯片产生位置移动，该移动方向 可以垂直于微流控芯片表面也可以非垂直。热压装置的可以加热的表面与微流控 芯片流道的至少一个表面相接触，通过加热使得组成流道的聚合物材料达到玻璃 态或熔化。该小型热压装置会对微流控芯片表面施加一个压力，使玻璃态或者熔 化的聚合物材料被挤压进流槽中，完全填满。随后，该小型热压装置与微流控芯 片分离。玻璃态或熔化的聚合物冷却凝固，该流道被永久性的完全闭合。该方法 可以被用来形成闭合的微流控反应单元，也可以用于改变流体在微流控芯片内的 流动方向。

其中微流控芯片可以是固定的，小型热压装置在外力的作用下相对微流控芯 片移动，完成流道封闭操作；或者该小型加热装置可以是固定的，微流控芯片在 外力的作用下相对小型加热装置移动，完成流道封闭操作；或者加热装置和微流 控芯片都可以在外力的作用下移动，在一定条件下相互接触，完成流道的封闭；

该小型加热装置和微流控芯片相互接触后，可以保持相对位置不变，也可以 在封闭流道的过程中产生相对移动；

特别的，这个位置移动和控制可以通过手动控制，简单的机械结构(例如弹 簧)或电动的机械结构(例如马达)，或这些方式的组合来实现。

如图2(a)、图2(b)以及3(a)、图3(b)所示，微流控芯片至少有两个部件组成， 其中第一个部件的至少一个表面包含至少一个流槽，其中第二个部件为可以通过 加热转化为玻璃态的聚合物材料(例如热塑性聚氨酯，Thermoplastic Polyurethane)。这两个部件可以通过物理或者化学的方法相结合，使第二个部 件将第一个部件的流槽成为一个流道。流体可以在流道内按照设定的规则流动。

这个微流控芯片的流槽或流道的宽度可以为10毫米至1微米，深度可以为10 毫米至1微米。这个流槽或流道可以是同一深度也可以是不同深度；这个流槽或 流道可以是同一宽度也可以是不同宽度；这个流槽或流道可以由不同的几何结构 构成。

这两个部件之间可以通过双面胶、胶水等粘连剂进行粘连；两个部件之间还 可以是超声结合、溶剂键合或者是热键合在一起，或者两个部件之间可以通过化 学反应的方式粘合在一起。

两个部件也可以不进行粘连，但通过物理的压力使其密封形成一个流道。

如图4(a)-图4(c)所示的热压装置，至少包括两个组件，其中第一个组件包含一个可以以设定的方向和距离移动的模块，其可以通过手动控制，也可以由电机带 动；第二个组件结合在第一个组件的至少一个表面，第二个组件的至少一个表面 可以加热。图中斜线部分为可以进行加热的表面。上面的组件可以通过手动或者 自动控制完成位置移动。

如图5(a)-图5(c)所示，该热压装置的加热表面可以根据具体的需要设计为线形、矩形、圆形、环形等不同的形状。

实施例二

该结构由微流控芯片、双面胶、热塑性聚氨酯薄膜与特氟龙耐热胶带组成。 具体结构从下到上依次为：微流控芯片、双面胶、热塑性聚氨酯与特氟龙耐热胶 带。其中热塑性聚氨酯在熔化后可以被挤入流体通到中，用于阻断流体通道，特 氟龙耐热胶带用于防止在热压过程中热塑性聚氨酯黏附在热压装置上。

具有流槽的微流控芯片由3D打印耐热树脂加工而成。其中流槽的宽度为1mm， 深度为1mm，长度为20mm。

微流控芯片的设计由Solidworks软件绘制完成，微流控芯片可以由3D打印 或注塑成型制得。双面胶、热塑性聚氨酯薄膜以及特氟龙耐热胶带均通过激光切 割的方式加工成特定图形，其设计由AutoCAD完成。

首先，用乙醇对微流控芯片与热塑性聚氨酯薄膜进行清洗，除去表面附着的 油污与杂质。将带有特定图形的双面胶贴到微流控芯片表面并压平，确保双面胶 与微流控芯片紧密贴合后，取下离型纸，贴上带有特定图形的热塑性聚氨酯薄膜， 薄膜的厚度在0.3-0.5mm，热塑性聚氨酯薄膜应于双面胶紧密贴合。随后，在热塑 性聚氨酯薄膜上表面贴上一层代带有特定图形的特氟龙耐热胶带，特氟龙耐热胶 带也应与热塑性聚氨酯薄膜紧密贴合。至此微流控芯片组装完成，可用于后续相 关实验。

在相关实验完成后，需要对微流控芯片流体通道进行阻断，构建独立的反应 腔室。首先将热压装置加热到120℃，将热压装置上的突起部分对准微流控芯片的 流体通道，通过手持的方式将热压装置按在需要阻断的流体通道上，并保持一定 压力(例如5至50牛顿的压力)。在15秒后取下热压装置，静置1分钟左右， 待被挤入流体通道的热塑性聚氨酯冷却固化后，流体通道已被成功阻断。此步骤 中，不论通道中的流体是气体或是液体，皆可通过该方法阻断流体通道。

如图6(a)-图6(b)所示，微流控芯片中虚线填充的部分表示可以通过加热转化 为玻璃态的聚合物材，热压装置将微流控芯片上层的聚合物材料加热进入玻璃态 或熔化，通过热压装置施加压力，将玻璃态或熔化的材料挤压进入流道内，使流 道封闭。微流控芯片中虚线填充的部分表示可以通过加热转化为玻璃态的聚合物 材料。如图7(a)-图7(b)所示，微流控芯片的流槽组件由可以通过加热转化为玻璃 态的聚合物材料(虚线填充部分)构成。上层的玻璃化温度较高。上层可以是不 易粘连的材料。热压模块接触上层，通过上层材料的热传导，加热下层材料。再 配合压力作用，使下层的材料发生形变，闭合微流控芯片的流道。。

实施例三

如图2(a)-图2(b),图3(a)-图3(b)所示，具有流槽的微流控芯片由3D打印 耐热树脂加工而成。其中流槽的宽度为1mm，深度为1mm，长度为20mm

用乙醇对微流控芯片与热塑性聚氨酯薄膜进行清洗，除去表面附着的油污与 杂质。将聚氨酯薄膜通过耐热强力胶水与具有微流控流槽的芯片表面进行粘合。

如图7和图8所示，热压装置4通过固定臂2固定在一个滑杆步进电机1上， 电机1可以通过升降臂3控制热压装置4上下移动，移动速度为每秒1毫米。将 组装好的微流控芯片6放置于加热模块的下方，将需要阻断的流体通道放置于加 热表面5的垂直方向。在起始状态，热压装置4的加热表面5并未与微流控芯片6 的表面接触。将热压装置4加热到120℃，开启步进电机1使热压装置4向微流控 芯片6移动，接触后继续保持15秒。在此过程中，聚氨酯薄膜被加热至玻璃态温 度，并由步进电机1产生的压力挤入流槽，使微流控芯片6的流道封闭。随后电 机1反向电流，使热压装置4离开微流控芯片6的表面。表面冷却后，流道实现 永久性的封闭。

实施例四

如图10(a)-图10(b)所示，使用本发明热压流道封闭的方法，可以在微流控芯 片中形成独立的微反应单元。

本发明所述装置具有以下特点：

1、微流控芯片至少一部分由可加热进入玻璃态的材料构成

2、微流控芯片的流道可以是不同宽度、深度、形状

3、被热压阻断的微流控流道可以是一个也可以是多个

4、在一个通道上可以有多个位点进行热压阻断

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得 到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤A：组装微流控芯片；

步骤B：将组装好的微流控芯片放于热压装置下方；

步骤C：加热热压装置；

步骤D：将所述微流控芯片向所述热压装置移动并保持压力接触；

步骤E：使所述热压装置与所述微流控芯片分离。

2.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

步骤A1：清洗；用乙醇对微流控芯片与热塑性聚氨酯薄膜进行清洗，除去表面附着的油污与杂质；

步骤A2：将所述聚氨酯薄膜与带流槽的微流控芯片表面进行粘合。

3.如权利要求2所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤A2具体操作为通过耐热强力胶水将所述聚氨酯薄膜与带流槽的微流控芯片表面进行粘合。

4.如权利要求2所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤A2具体操作为：将带有特定图形的双面胶贴到所述带流槽的微流控芯片表面并压平，确保双面胶与所述带流槽的微流控芯片紧密贴合后，取下离型纸；贴上带有特定图形的热塑性聚氨酯薄膜；在所述热塑性聚氨酯薄膜上表面贴上一层代带有特定图形的特氟龙耐热胶带，使所述特氟龙耐热胶带与所述热塑性聚氨酯薄膜紧密贴合。

5.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤B还包括将需要阻断的所述微流控芯片的流体通道放置于所述加热装置的表面的垂直方向。

6.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤D中的所述微流控芯片表面与所述热压装置的相对移动方向可以垂直也可以非垂直。

7.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤A还包括所述热压装置的可以加热的表面与所述微流控芯片流道的至少一个表面相接触。

8.如权利要求4所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述热塑性聚氨酯薄膜的厚度在0.3-0.5mm。

9.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤D为通过手持的方式将所述热压装置按在所述微流控芯片需要阻断的流体通道上，并保持一定压力。

10.如权利要求1所述热压阻断微流控流体通道的方法，其特征在于，所述步骤D与所述步骤E具体为将热压装置与电机连接并通过电机驱动与所述微流控芯片压力接触并分离。

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