CN113769800B - 一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构及制作方法，试剂隔离结构中的腔室a与毛细阀a，腔室b与毛细阀b，毛细阀a与毛细阀b分别通过微流道a，微流道b，微流道c进行连接。首先将两种试剂分别通过进样孔a、b注入腔室a、b。其次在进样完成后利用密封薄膜贴住出气孔a、b。最后微流控芯片在离心过程中由于毛细阀a、b的作用下完成试剂间的分隔。制作方法：先制作光刻胶模具的背部标记点，制作光刻胶模具的粘附层，再制作光刻胶模具，最后进行柔性聚合物浇铸及剥离。本发明通过在腔室之间利用毛细阀设计出试剂分隔结构，可实现腔室内的试剂间的分隔，提高最终检测结果的可靠性，受外界干扰影响小，稳定性好；结构简单，工艺流程简单高效。

Description

一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构及制作方法
技术领域
本发明属于微纳米加工技术领域，涉及一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构及制作方法。
背景技术
微流控芯片在生物学、化学、医学等领域得到了广泛应用。芯片上液体的驱动方式包括：离心驱动、电驱动、气压驱动等，其中离心驱动是利用离心机带动芯片旋转产生的离心力实现对液体的驱动。在离心驱动之前，很多生化试剂会提前储存在芯片上相应的腔室里，为了避免在离心过程中腔室之间发生不必要的试剂混合，需要在腔室之间设计一种试剂隔离结构。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构及制作方法，该结构可以保证微流控芯片在离心过程中试剂之间的分隔，受外界干扰影响小，稳定性好，且易于加工，制作方法简单。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构，所述的试剂隔离结构包括出气孔a1，密封薄膜a2，腔室a3，进样孔a4，微流道a5，微流道b6，微流道c7，进样孔b8，腔室b9，密封薄膜b10，出气孔b11，毛细阀b12，毛细阀a13。
所述的腔室a3与毛细阀a13，腔室b9与毛细阀b12，毛细阀a13与毛细阀b12 之间分别通过微流道a5，微流道c7，微流道b6进行连接。所述腔室a3及腔室b9 形状相同，深度相同。
所述腔室a3上设有进样孔a4及出气孔a1，进样孔a4位于靠近微流道a5的一端，出气孔a1位于另一端；所述腔室b9上设有进样孔b8及出气孔b11，进样孔b8 位于靠近微流道c7的一端，出气孔b11位于另一端。所述出气孔a1、出气孔b11 上通过胶粘的方式分别粘结密封薄膜a2、密封薄膜b10。
所述的进样孔a4、进样孔b8、出气孔a1、出气孔b11形状相同，均为圆形通孔。所述进样孔a4、进样孔b8在离心式微流控芯片上的距离小于出气孔a1、出气孔b11的距离。
所述的微流道a5及微流道c7形状相同，深度相同，都小于腔室a3及腔室b9 的深度。所述的微流道b6形状为方形，深度与微流道a5及微流道c7相同，微流道 b6的截面长度大于微流道a5及微流道c7的截面长度，截面形状为方形。所述的毛细阀a13及毛细阀b12结构相同，且其深度与微流道a5及微流道c7相同，前端截面尺寸小，后端截面尺寸大，特别地，毛细阀a13及毛细阀b12前端截面分别与微流道a5、微流道c7截面形状相同，毛细阀a13及毛细阀b12后端截面与微流道b6 截面形状相同。当离心式微流控芯片在离心过程中，芯片中的试剂会受到欧拉力、科氏力的作用，使腔室a3中的液体进入微流道a5到达毛细阀a13或腔室b9中的液体进入微流道c7到达毛细阀b12，当液体界面继续进入毛细阀a13或毛细阀 b12中前端界面与后端界面交界处时，由于截面尺寸突然变大导致液体的前进接触角突然减小至小于临界前进接触角，液体停止流动，从而起到试剂隔离的作用。
所述的腔室a3及腔室b9深度为0.2-1mm；所述进样孔a4、进样孔b8、出气孔 a1、出气孔b11为直径0.5-1.5mm的圆形通孔；所述的毛细阀a13及毛细阀b12的前端宽度为0.1-0.3mm，后端宽度为2-4mm，深度为0.1-0.4mm。
试剂隔离结构使用过程中：首先，通过移液枪将两种试剂分别通过进样孔 a4及进样孔b8注入腔室a3及腔室b9，完成进样操作。其次，在进样完成后利用密封薄膜a2及密封薄膜b10以胶粘的方式分别与出气孔a1，出气孔b11连接。最后，离心式微流控芯片在离心过程中试剂会受到欧拉力、科氏力的作用导致液体从腔室a3中经微流道a5到达毛细阀a13或从腔室b9中经微流道c7到达毛细阀 b12，由于毛细阀a13及毛细阀b12可以使液体停止前进，从而实现腔室内的试剂间的分隔，避免了因试剂混合影响最终检测结果可靠性的问题。
进一步的，所述的密封薄膜a2及密封薄膜b10为胶带等不透水的薄膜，在进样完成后与出气孔a1，出气孔b11连接。
进一步的，所述的腔室a3及腔室b9的形状可以为方形、圆形、扇形或扇形与三角形组合形状。
进一步的，所述的微流道a5及微流道c7形状可以为圆弧形或半方形，截面形状为方形或圆形。
一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，整个制作方法是通过制作试剂隔离结构的光刻胶模具并用柔性聚合物进行浇注，分为以下步骤：首先制作试剂隔离结构的光刻胶模具背部标记点，其次制作试剂隔离结构的光刻胶模具粘附层，再制作试剂隔离结构的光刻胶模具，然后用柔性聚合物浇注在试剂隔离结构的光刻胶模具上并进行剥离，最后通过打孔器完成进样孔及出气孔的制作。具体包括以下步骤：
1)制作试剂隔离结构的光刻胶模具背部标记点。
在透明基板的背部旋涂光刻胶，在85℃下前烘30min后图形化，制作出背部标记点。所述的透明基板为玻璃板，背部标记点为十字形或L形，厚度为5-10 微米，步骤3)中两次光刻工艺都是采用该背部标记点进行对准操作，从而保证制作的试剂隔离结构的准确性，不会出现因未对准产生的结构分层现象。
2)制作试剂隔离结构的光刻胶模具粘附层。
在透明基板的正面旋涂光刻胶，在85℃下前烘30min后进行全曝光，制作出粘附层结构。所述的透明基板为玻璃板，粘附层厚度为5-10微米，作用是防止浇注后的试剂隔离结构在剥离过程中光刻胶模具与玻璃板粘附力差导致的脱落，破坏试剂隔离结构。
3)制作试剂隔离结构的光刻胶模具。
由于试剂隔离结构中腔室a3、腔室b9与微流道a5、微流道b6、微流道c7、毛细阀a13、毛细阀b12高度并不相同，故需要通过两次光刻工艺完成光刻胶模具的制作：
3.1)粘附层制作完成后在粘附层上方旋涂第一层光刻胶，前烘后进行光刻处理及后烘，完成第一次光刻工艺；第一次光刻工艺的目的是制作出微流道a5、微流道b6、微流道c7、毛细阀a13、毛细阀b12、相同高度的腔室a3和腔室b9的光刻胶模具结构。
3.2)步骤3.1)完成后旋涂第二层光刻胶及前烘，然后进行第二次光刻及后烘，完成第二次光刻工艺；第二次光刻工艺的目的是制作出剩余高度的腔室a3 和腔室b9的光刻胶模具结构。
3.3)最后进行显影操作完成试剂隔离结构的光刻胶模具的制作。
所述两次光刻工艺都是通过步骤1)中制作的背部标记点进行对准，保证了制作的试剂隔离结构的准确性，不会出现因未对准产生的结构分层现象。
4)采用柔性聚合物浇注在试剂隔离结构的光刻胶模具上并进行剥离。
采用铝箔胶带在光刻胶模具四周围上侧墙，将柔性聚合物预聚物及固化剂按照10:1的摩尔比配制后浇铸在步骤3)加入制作好的试剂隔离结构的光刻胶模具上，抽真空处理后放入烘箱中加热固化。固化完成后进行剥离，得到试剂隔离结构。所述抽真空处理的目的是去除柔性聚合物预聚物及固化剂中因混合产生的气泡，提高试剂隔离结构的强度。
5)通过打孔器完成进样孔及出气孔的制作。
在试剂隔离结构的相应位置通过打孔器制作出进样孔a4，进样孔b8，出气孔a1，出气孔b11，最终完成试剂隔离结构的制作。
进一步的，步骤1)中图形化方法为光刻和湿法腐蚀。
进一步的，步骤1)中所述光刻胶为BN303负性光刻胶。
进一步的，步骤2)中所述光刻胶为BN303负性光刻胶。
进一步的，步骤3)中所述光刻胶为SU-8负性光刻胶。
进一步的，步骤3)中两种高度的光刻胶图案的高度分别是0.1-0.4mm及 0.1-0.6mm。
进一步的，步骤4)中柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在腔室之间利用毛细阀设计出试剂分隔结构，可以实现腔室内的试剂间的分隔，从而提高了最终检测结果的可靠性，而且受外界干扰影响小，稳定性好。同时由于该结构简单，故本发明中所使用的方法耗时短，工艺流程简单高效。
附图说明
图1是用于离心式微流控芯片的试剂隔离的结构示意图；
图2是毛细阀的工作原理图；
图3是光刻胶模具背部标记点的制作；
图4是光刻胶模具的粘附层的制作；
图5是光刻胶模具的制作；
图6是将柔性聚合物浇铸在光刻胶模具上；
图7是柔性聚合物的剥离。
图中：1出气孔a，2密封薄膜a，3腔室a，4进样孔a，5微流道a，6微流道b， 7微流道c，8进样孔b，9腔室b，10密封薄膜b，11出气孔b，12毛细阀b，13毛细阀a，14玻璃板，15背部标记点，16光刻胶粘附层，17光刻胶模具，18PDMS。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。
该实施例提供的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构如下：
如附图1所示。试剂隔离结构由出气孔a1，密封薄膜a2，腔室a3，进样孔 a4，微流道a5，微流道b6，微流道c7，进样孔b8，腔室b9，密封薄膜b10，出气孔b11，毛细阀b12，毛细阀a13组成。
所述的腔室a3与毛细阀a13，腔室b9与毛细阀b12，毛细阀a13与毛细阀b12 分别通过微流道a5，微流道c7，微流道b6进行连接。腔室a3及腔室b9形状相同，深度相同，为扇形与三角形组合形状，深度为0.4mm。
进样孔a4，进样孔b8，出气孔a1，出气孔b11形状相同，均为圆形通孔，其中进样孔a4及出气孔a1在腔室a3上，进样孔b8及出气孔b11在腔室b9上。进样孔 a4、进样孔b8的距离小于出气孔a1、出气孔b11的距离(进样孔a4、进样孔b8的在离心式微流控芯片的距离为7.5mm，出气孔a1、出气孔b11在离心式微流控芯片的距离为14.5mm)；
微流道a5及微流道c7深度相同，为半方形，深度为0.2mm。微流道b6形状为方形，深度与微流道a5及微流道c7相同；微流道b6的截面长度大于微流道a5 及微流道c7的截面长度(微流道b6的截面长度为3mm，微流道a5及微流道c7的截面长度为0.2mm)，截面形状为方形。毛细阀a13及毛细阀b12的深度与微流道a5 及微流道c7相同，毛细阀a13及毛细阀b12前端截面分别与微流道a5、微流道c7 截面形状相同，毛细阀a13及毛细阀b12后端截面与微流道b6截面形状相同。密封薄膜a2及密封薄膜b10为不透水的薄膜，在进样完成后通过胶粘的方式分别与出气孔a1，出气孔b11连接。
腔室a3及腔室b9深度为0.4mm，进样孔a4及出气孔a1的大小为直径1mm的通孔，毛细阀的前端宽度为0.2mm，后端宽度为3mm，深度为0.2mm。试剂隔离结构在使用过程中首先利用移液枪将两种试剂分别通过进样孔a4及进样孔b8 注入腔室a3及腔室b9，完成进样操作。其次，在进样完成后利用密封薄膜a2及密封薄膜b10以胶粘的方式分别与出气孔a1，出气孔b11连接。最后，离心式微流控芯片在离心过程中由于毛细阀a13及毛细阀b12的作用下完成试剂间的分隔，毛细阀的工作原理如附图2所示，液体在毛细阀前端时前进接触角为θa，大于等于临界前进接触角θA，此时液体可以流动；当液体界面继续进入毛细阀a13或毛细阀b12中前端界面与后端界面交界处时，由于截面尺寸突然变大，导致液体的前进接触角突然减小至θa*，小于临界前进接触角θA，液体停止流动，从而起到试剂隔离的作用。
该实施例提供的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制造方法如附图 3-7所示，包括以下步骤：
(1)首先，在4英寸的玻璃板14背部旋涂一层5微米的BN303负性光刻胶，匀胶机的甩胶参数分别为低速600rpm，时间7s及高速2600rpm，时间30s，在 85℃下前烘30min，进行光刻及显影后，完成背部标记点15的制作，背部标记点为十字形或L形，厚度为5微米，保证制作的试剂隔离结构的准确性，不会出现因未对准产生的结构分层现象。
(2)其次，在玻璃板的正面同样旋涂一层厚度为5微米的BN303负性光刻胶作为粘附层，甩胶参数与前烘过程设置与上一步相同，对BN303胶层进行全曝光，完成光刻胶粘附层16的制作，粘附层厚度为5微米，作用是防止浇注后的试剂隔离结构在剥离过程中光刻胶模具与玻璃板粘附力差导致的脱落，破坏试剂隔离结构。
(3)然后，在光刻胶粘附层16表面旋涂两层厚度分别为0.2mm及0.2mm的 SU-8负性光刻胶，进行两次光刻工艺：
(3.1)首先在粘附层上方旋涂第一层光刻胶，匀胶机的转速参数设置为低速600rpm、9s，高速1000rpm、15s，其次将玻璃片放在调平台上静置2h再放入烘箱前烘，两次前烘均采用阶梯式升温，温度参数设置为65℃加热30min， 75℃加热10min，85℃加热10min，95℃加热4h，随炉冷却，然后进行光刻处理，完成后在85℃下后烘10min，完成第一次光刻工艺。第一次光刻工艺的目的是制作出微流道a5，微流道b6，微流道c7，毛细阀a13，毛细阀b12，相同高度的腔室a3和腔室b9的光刻胶模具结构。
(3.2)完成后旋涂第二层光刻胶及前烘，然后进行第二次光刻及后烘，完成第二次光刻工艺；第二次光刻工艺的目的是制作出剩余高度的腔室a3和腔室 b9的光刻胶模具结构，两次光刻工艺都是通过背部标记点15进行对准，保证了制作的试剂隔离结构的准确性，不会出现因未对准产生的结构分层现象。
(3.3)最后进行显影操作完成试剂隔离结构的光刻胶模具的制作。所述第二次匀胶机转速及时间、前烘过程、后烘过程参数相同，显影操作的具体步骤是将光刻胶完全浸入SU-8显影液中持续35min，并依次在乙醇和去离子水中冲洗15s，完成对光刻胶模具17的制作。
(4)最后，采用铝箔胶带在光刻胶模具四周围上侧墙，用注射器按10:1的摩尔比例抽取PDMS18预聚物和固化剂，在塑料杯中搅拌均匀后倒入光刻胶模具，将其放入真空处理箱，进行抽真空处理直至PDMS18混合液中的气泡消失，将其放入烘箱加热对PDMS混合物进行固化，温度参数设置为85℃加热 2h；最后将制作完成的PDMS18从光刻胶模具上剥离，并在试剂隔离结构的相应位置通过打孔器制作出进样孔a4，进样孔b8，出气孔a1，出气孔b11，完成用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构，其特征在于，所述的试剂隔离结构包括出气孔a(1)，密封薄膜a(2)，腔室a(3)，微流道a(5)，微流道b(6)，微流道c(7)，进样孔b(8)，腔室b(9)，密封薄膜b(10)，毛细阀b(12)，毛细阀a(13)；
所述的腔室a(3)与毛细阀a(13)，腔室b(9)与毛细阀b(12)，毛细阀a(13)与毛细阀b(12)之间分别通过微流道a(5)，微流道c(7)，微流道b(6)进行连接；所述腔室a(3)及腔室b(9)形状相同，深度相同；
所述腔室a(3)上设有进样孔a(4)及出气孔a(1)，进样孔a(4)位于靠近微流道a(5)的一端，出气孔a(1)位于另一端；所述腔室b(9)上设有进样孔b(8)及出气孔b(11)，进样孔b(8)位于靠近微流道c(7)的一端，出气孔b(11)位于另一端；所述的密封薄膜a(2)及密封薄膜b(10)在进样完成后设于出气孔a(1)，出气孔b(11)上；所述进样孔a(4)、进样孔b(8)在离心式微流控芯片上的距离小于出气孔a(1)、出气孔b(11)的距离；
所述的微流道a(5)及微流道c(7)形状相同，深度相同，均小于腔室a(3)及腔室b(9)的深度；所述的微流道b(6)深度与微流道a(5)及微流道c(7)相同，微流道b(6)的截面长度大于微流道a(5)及微流道c(7)的截面长度，截面形状为方形；所述的毛细阀a(13)及毛细阀b(12)结构相同，且其深度与微流道a(5)及微流道c(7)相同，前端截面尺寸小，后端截面尺寸大；毛细阀a(13)及毛细阀b(12)前端截面分别与微流道a(5)、微流道c(7)截面形状相同，毛细阀a(13)及毛细阀b(12)后端截面与微流道b(6)截面形状相同；
离心式微流控芯片在离心过程中试剂受到欧拉力、科氏力的作用导致液体从腔室a(3)中经微流道a(5)到达毛细阀a(13)、从腔室b(9)中经微流道c(7)到达毛细阀b(12)，由于毛细阀a(13)及毛细阀b(12)能够使液体停止前进，从而实现腔室内的试剂间的分隔。
2.根据权利要求1所述的一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构，其特征在于，所述的腔室a(3)及腔室b(9)深度为0.2-1mm；所述进样孔a(4)、进样孔b(8)、出气孔a(1)、出气孔b(11)为直径0.5-1.5mm的圆形通孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构，其特征在于，所述的毛细阀a(13)及毛细阀b(12)的前端宽度为0.1-0.3mm，后端宽度为2-4mm，深度为0.1-0.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构，其特征在于，所述的腔室a(3)及腔室b(9)的形状可以为方形、圆形、扇形或扇形与三角形组合形状；所述的微流道a(5)及微流道c(7)形状可以为圆弧形或半方形，截面形状为方形或圆形。
5.一种权利要求1-4任一所述的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作试剂隔离结构的光刻胶模具背部标记点；
在透明基板的背部旋涂光刻胶，前烘后进行图形化，制作出背部标记点；所述的透明基板为玻璃板，背部标记点为十字形或L形，厚度为5-10微米；
2)制作试剂隔离结构的光刻胶模具粘附层；
在透明基板的正面旋涂光刻胶，前烘后进行全曝光，制作出粘附层结构；所述的透明基板为玻璃板，粘附层厚度为5-10微米，作用是防止浇注后的试剂隔离结构在剥离过程中光刻胶模具与玻璃板粘附力差导致的脱落，破坏试剂隔离结构；
3)制作试剂隔离结构的光刻胶模具；
由于试剂隔离结构中腔室a(3)、腔室b(9)与微流道a(5)、微流道b(6)、微流道c(7)、毛细阀a(13)、毛细阀b(12)高度并不相同，需要通过两次光刻工艺完成光刻胶模具的制作：
3.1)粘附层制作完成后在粘附层上方旋涂第一层光刻胶，前烘后进行光刻处理及后烘，完成第一次光刻工艺；第一次光刻工艺的目的是制作出微流道a(5)、微流道b(6)、微流道c(7)、毛细阀a(13)、毛细阀b(12)、相同高度的腔室a(3)和腔室b(9)的光刻胶模具结构；
3.2)步骤3.1)完成后旋涂第二层光刻胶及前烘，然后进行第二次光刻及后烘，完成第二次光刻工艺；第二次光刻工艺的目的是制作出剩余高度的腔室a(3)和腔室b(9)的光刻胶模具结构；
3.3)最后进行显影操作完成试剂隔离结构的光刻胶模具的制作；所述两次光刻工艺都是通过步骤1)中制作的背部标记点进行对准，保证了制作的试剂隔离结构的准确性，不会出现因未对准产生的结构分层现象；
4)采用柔性聚合物浇注在试剂隔离结构的光刻胶模具上并进行剥离；
采用铝箔胶带在光刻胶模具四周围上侧墙，将柔性聚合物预聚物及固化剂配制后浇铸在步骤3)的光刻胶模具上，抽真空处理后放入烘箱中加热固化；固化完成后进行剥离，得到试剂隔离结构；
5)通过打孔器完成进样孔及出气孔的制作；
在试剂隔离结构的相应位置通过打孔器制作出进样孔a(4)、进样孔b(8)、出气孔a(1)、出气孔b(11)，最终完成试剂隔离结构的制作。
6.根据权利要求5所述的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，其特征在于，步骤1)中图形化方法为光刻和湿法腐蚀。
7.根据权利要求5所述的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，其特征在于，步骤1)中所述光刻胶为BN303负性光刻胶；步骤2)中所述光刻胶为BN303负性光刻胶；步骤3)中所述光刻胶为SU-8负性光刻胶。
8.根据权利要求5所述的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，其特征在于，步骤3)中两种高度的光刻胶图案的高度分别是0.1-0.4mm及0.1-0.6mm。
9.根据权利要求5所述的用于离心式微流控芯片的试剂隔离结构的制作方法，其特征在于，步骤4)中柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷。
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