CN113811390A - 微流控芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种微流控芯片。微流控芯片可以包括第一基板和在第一基板上的第一电介质层(16)。第一电介质层的远离第一基板的表面可以包括多个第一凹部和多个第一凸部。微流控芯片还可以包括第一金属纳米颗粒层(18)，其位于第一电介质层的远离第一基板的表面上。
Description
技术领域
本公开涉及一种微流控技术，更具体地，涉及一种微流控芯片及其制作方法。
背景技术
介质上电润湿(EWOD)数字微流控芯片不使用传统连续微流控芯片所需的注射泵、微型阀和其它部件，并且更加集成和容易自动化。随着对检测通量、检测效率和检测成本控制的要求的增加，芯片的单个驱动电极的面积不断减小，所使用的液滴的体积也相应减小。在相关技术中，为了保持或提高检测灵敏度，通常使用电泳将待测分子富集在芯片的固定区域中，并且通过电场的作用、将溶液中的阳性或阴性分子集合在一起。然而，这种方法具有明显的缺点。例如，富集过程需要很长时间，芯片面积增加，并且难以确保富集程度的均匀性，这通常导致定量上的波动。此外，所需的额外部件也增加了制造芯片的难度。
发明内容
本公开的一个实施例是一种微流控芯片。微流控芯片可以包括：第一基板；以及第一电介质层，其位于所述第一基板上。第一电介质层的远离所述第一基板的表面可以包括多个第一凹部和多个第一凸部。微流控芯片还可以包括第一金属纳米颗粒层，其位于所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上。照此，具有多个凹部和多个凸部的第一电介质层的表面形成附着有金属颗粒层的三维周期性表面，从而用作微流控芯片的疏水表面或超疏水表面和表面增强基板。
本公开的另一个实施例是一种用于制造微流控芯片的方法。用于制造微流控芯片的方法可以包括：在第一基板上形成第一介质层；在所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部；以及用第一金属纳米颗粒层涂覆所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并明确要求了被认为是本公开的主题。从以下结合附图的详细描述，本公开的前述和其它目的、特征和优点将变得明显，其中：
图1示出了根据本公开的一些实施例的微流控芯片的示意图；
图2示出了根据本公开的一些实施例的微流控芯片的示意图；
图3a至图3c示出了根据本公开的一些实施例的通过微流控芯片的定量标准曲线建立和浓度检测的原理的示意图；
图4a至图4j示出了根据本公开的一些实施例的制造微流控芯片的方法的示意图；以及
图5a至图5e示出根据本公开一些实施例的通过纳米压印技术制造三维周期性表面的方法的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，将结合附图和实施例对本公开进行详细描述。在本公开的整个说明书中，参考图1至图5e。当参考附图时，在所有附图中示出的相同结构和元件用相同的附图标记表示。
在本说明书中，术语"第一"、"第二"等可以作为前缀添加。然而，这些前缀仅是为了区分术语而添加的，而不具有诸如顺序和相对优点的特定含义。在本公开的描述中，"复数"的含义是两个或更多个，除非另有具体定义。
在说明书的描述中，对术语"一些实施例"、"一个实施例"、"示例性实施例"、"示例"、"具体示例"、"一些示例"等的引用旨在表示结合实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特性被包括在本公开的至少一些实施例或示例中。这些术语的示意性表达不一定是指相同的实施例或示例。此外，所描述的具体特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。本文中用"约"修饰的数字是指该数字可以变化其10％。
EWOD数字微流控芯片技术近年来变得非常流行。它将驱动电极集成到结构本身中，通过操纵每个驱动电极的电压，可以实现单个液滴的分离、移动和融合。EWOD数字微流控芯片是疫苗筛选等大容量、高精度生化分析的理想工作站。所需样品量极少，几微升试剂即可完成实验，大大降低了开发和测试成本。与微流控领域的连续微流控芯片相比，EWOD数字微流控芯片不需要额外的注射泵、微阀等部件，更加集成化，更容易实现自动化。EWOD数字微流控芯片在检测领域取得了巨大进步。例如，人们已经开始使用它来检测葡萄糖浓度、特定抗原浓度等。检测方法大多采用拉曼、红外或其他手段，检测设备大多为外置。其中，拉曼-一种非破坏性、快速和特异性的光谱技术经常用于多种生化测试。
在根据本公开的一些实施例的微流控芯片中，相关技术中的原始平坦的聚四氟乙烯疏水表面被改变为周期性三维结构的表面，该表面附着有诸如金或铜纳米颗粒的金属纳米颗粒层。实验表明，附着金纳米粒子的三维结构的表面由于存在间隙，形成了大量的微小气室。当液滴置于其上时，气室的作用可使液滴保持在疏水状态或超疏水状态，并且水滴的接触角可达130°或更大。同时，附着有金纳米粒子层的疏水表面或超疏水表面可以用作表面增强拉曼散射(SERS)的增强基底。由于金纳米粒子的表面等离子体共振效应优异，可以产生SERS效应，可以在基底表面形成多个热点，从而大大增加电场强度。结果，由分析物的分子散射的拉曼光谱的强度可以显著增加，例如，超过104倍。也就是说，检测灵敏度可以显著增加超过104倍。另外，金具有良好的生物相容性，能较好地保持生物活性，更适用于抗原、抗体、细胞、DNA等的检测。考虑到成本，也可以使用铜代替金。
图1示出了根据本公开的一些实施例的微流控芯片的示意图。微流控芯片可以包括由玻璃基板、驱动电极12、公共电极14、电介质层16和贵金属粒子18形成的三维结构10。在一个实施例中，如图1所示，微流控芯片可以包括第一基板和在第一基板上的第一电介质层。第一电介质层的远离第一基板的表面可以包括多个第一凹部和多个第一凸部。第一基板可以由玻璃制成。
在一实施例中，第一电介质层16可由氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或有机树脂或其组合所构成。第一电介质层的远离第一基板的表面可以被配置成在室温下、对去离子水呈现等于或大于约130°的静态接触角。
在一个实施例中，多个第一凹部和多个第一凸部在第一电介质层的远离第一基板的表面上、沿第一方向和第二方向上交替地布置。第一方向可以垂直于第二方向。在一个实施例中，多个第一凸部中的一个在垂直于第一基板的平面中的横截面可以是矩形或正方形形状，并且矩形或正方形形状的每个边可以在约3μm至约5μm的范围内。多个第一凹部中的一个在垂直于第一基板的平面中的横截面为矩形或正方形，矩形或正方形的每个边可在约3μm至约5μm的范围内。
在一个实施例中，微流控芯片还可以包括第一电介质层的远离第一基板的表面上的第一金属纳米颗粒18的层。第一金属纳米颗粒18可以是金或铜金属纳米颗粒。第一金属纳米颗粒中的每一个的直径可以在约15nm至约500nm，优选约30nm至约100nm的范围内。第一金属纳米颗粒层在第一基板上的正投影可覆盖多个第一凹部和多个第一凸部在第一基板上的正投影。照此，具有多个凹部和多个凸部的第一电介质层的表面形成附着有金属颗粒的三维周期性表面，从而用作疏水表面和表面增强基板。
在一个实施例中，如图1所示，微流控芯片还可以包括在第一电介质层和第一基板之间的多个驱动电极和多个公共电极。多个驱动电极可以位于第一基板的面对第一电介质层的表面上。多个公共电极可以位于驱动电极的远离第一基板的一侧。
在一个实施例中，如图2所示，微流控芯片还可以包括与第一基板相对的第二基板、在第二基板的面对第一基板的一侧的第二电介质层、以及在第二电介质层的远离第二基板的表面上的第二金属纳米颗粒层。第二电介质层的远离第二基板的表面可以包括多个第二凹部和多个第二凸部。具有第二金属纳米颗粒层的第二电介质层的表面和具有第一金属纳米颗粒层的第一电介质层的表面彼此分开且相对。第二基板可以由与第一基板相同或不同的材料制成，并且第二基板可以由氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或有机树脂或其组合制成。
根据本公开的一些实施例，所述微流控芯片的表面结构由原本平坦的聚四氟乙烯疏水表面改变为金纳米颗粒表面的周期性三维结构。实验表明，附着金纳米颗粒的三维结构表面由于存在间隙，形成了大量的微小气室。当液滴置于其上时，气室的作用可以将液滴保持在较高的疏水状态，并且疏水角可达到130°或更大。在确保高疏水性的同时，由于金纳米颗粒的表面等离子体共振效应优异，可以极大地增加表面电场。因此，待测目标的检测灵敏度也可以显著增加，例如，增加104倍以上。另外，金具有良好的生物相容性，更适用于抗原、抗体、细胞、DNA等的检测。因此，本公开的一些实施例，创新地摒弃了相关技术中的超平坦表面，而使用附着有贵金属纳米颗粒的周期性三维阵列结构的表面，从而满足高疏水状态和高检测灵敏度的要求。
本公开的一个实施例是一种微流控装置，包括根据本公开的一个实施例的微流控芯片。微流控装置可以是数字微流控装置，例如EWOD数字微流控装置。
可以为包括微流控芯片的微流控检测装置建立定性和定量检测标准。由于每个分子具有其自己独特的峰谱(peak spectrum)，因此易于对检测装置进行定性检测。可以检测峰谱以确定物质的存在。对于定量检测，可以建立分析物的拉曼光谱的特征峰的积分强度和分析物浓度的定量曲线。首先，在每批气相沉积样品中，加入一个包含分析物的测试样品，并将测试样品分成10个区域。在蒸发沉积之后，对不同浓度的分析物的待测样品进行拉曼测试，以获得相应的拉曼光谱，如图3a所示。特征峰的积分强度和待检测分析物浓度之间的定量关系被拟合，如图3b所示，并用作该批芯片的定量曲线。对每批样品进行复测，以拟合定量曲线，可消除因蒸发过程中的波动引起的增强性能的差异，从而提供更准确的定量检测。
对于根据本公开的一些实施例的微流控芯片，液滴传输的原理和方法与一般EWOD数字微流控芯片的原理和方法相同。通过控制由液滴连接的两个驱动电极的切换来实现液滴移动。其不同之处在于，如果一般的微流控芯片想要以高检测灵敏度检测分析物，则需要将液滴转移到固定的位点(site)，并在特殊处理后进行检测。在本公开的一些实施例中，无需固定检测位点，芯片上的金属粒子均为检测位点，检测灵敏度高，无需任何特殊处理。在检测期间，可以在暗室下将激光头指向液滴，并且通过在金属纳米颗粒的表面上聚焦来获得分析物的拉曼光谱。在通过软件计算分析物的拉曼光谱中的特征峰的积分强度之后，可以通过将其代入批量定量曲线(batch quantitative curve)中来获得分析物的浓度，如图3c所示。
本公开的一个实施例是一种用于制造微流控芯片的方法。用于制造微流控芯片的方法可以包括在第一基板上形成多个驱动电极。在一个实施例中，首先，如图4a所示，可以在第一基板20上顺序形成第一金属层22和光致抗蚀剂层24。然后，如图4b所示，对第一金属层执行图案化或光刻技术，以形成彼此间隔布置的多个驱动电极。然后，如图4c所示，从多个驱动电极去除光致抗蚀剂层。图案化工艺可以是典型的图案化工艺，其至少包括曝光、显影和蚀刻步骤。第一金属层可由金属Al、Mo、Cu、Ti、Ni、Ag或ITO或其组合制成。
在形成驱动电极之后，用于制造微流控芯片的方法还可以包括在第一基板上形成多个公共电极，其中，多个公共电极可以位于驱动电极远离第一基板的一侧。在一个实施例中，如图4d所示，首先，在第一基板上形成覆盖多个公共电极的第一电介质材料的第一层26。然后，如图4e所示，可以在第一电介质材料的第一层的远离第一基板的表面上顺序地形成第二金属层28和光致抗蚀剂层30。然后，如图4f所示，对第二金属层执行图案化或光刻技术，以在第一介电材料的第一层上形成彼此间隔布置并与驱动电极绝缘的多个公共电极。然后，如图4g所示，从多个公共电极去除光致抗蚀剂层。在该步骤中的图案化工艺也可以是典型的图案化工艺，其至少包括曝光、显影和蚀刻步骤。第二金属层可由金属Al、Mo、Cu、Ti、Ni、Ag或ITO或其组合制成。
在形成公共电极之后，用于制造微流控芯片的方法还可以包括在第一基板上形成第一电介质层，以及在第一电介质层的远离第一基板的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部。在一个实施例中，如图4h所示，在第一电介质材料的第一层上形成覆盖多个公共电极的第一电介质材料的第二层32。第一电介质材料的第一层26和第一电介质材料的第二层32结合以形成第一电介质层40。然后，可以通过光刻技术或纳米压印技术在第一电介质层的远离第一基板的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部。在一个实施例中，多个第一凹部与多个第一凸部是通过光刻技术形成于第一电介质层的远离第一基板的表面上。如图4h所示，在第一电介质层的远离第一基板的表面上形成光致抗蚀剂层34。然后，如图4i所示，对第一电介质层进行图案化或光刻技术，以在第一电介质层的远离第一基板的表面上形成多个第一凹部36和多个第一凸部38。然后，如图4j所示，从多个第一凸部去除光致抗蚀剂层。如此，具有多个凹部和多个凸部的第一电介质层的三维周期性表面就形成了，并且用作微流控芯片的疏水表面或超疏水表面。
在一个实施例中，通过纳米压印技术在第一电介质层的远离第一基板的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部。如图5a所示，通过例如旋涂技术在第一电介质层40的远离第一基板20的表面上形成光致抗蚀剂层34。然后，如图5b所示，纳米压印模具42被压入光致抗蚀剂层34中。压入光致抗蚀剂层的纳米压印模具的表面包括多个凹部和多个凸部。纳米压印模具的每个凸部可具有约50nm至约1000nm的高度。纳米压印模具的每个凸部在平行于第一基板的平面中的横截面的长度和宽度可在约50nm至约1000nm的范围内。然后，如图5c所示，使用UV光从纳米压印模具的一侧照射光致抗蚀剂层层，以固化光致抗蚀剂层层。然后，如图5d所示，从第一电介质层的表面去除纳米压印模具，从而在第一电介质层的表面上形成由光致抗蚀剂层构成的多个凸部。然后，如图5e所示，使用由光致抗蚀剂层构成的多个凸部作为掩模，对第一电介质层执行蚀刻工艺。如此，在第一电介质层40的远离第一基板的表面上形成多个第一凹部36和多个第一凸部38。然后，从由第一电介质层构成的多个第一凸部上去除由光致抗蚀剂层构成的多个凸部。因此，具有多个凹部和多个凸部的第一电介质层的三维周期性表面就形成了，并且用作微流控芯片的疏水表面或超疏水表面。
在一个实施例中，在形成第一电介质层的三维周期性表面之后，用于制造微流控芯片的方法还可以包括：用第一金属纳米颗粒层涂覆第一电介质层的远离第一基板的表面。
在一个实施例中，通过低温蒸发沉积技术、利用第一金属纳米颗粒层涂覆第一电介质层的远离第一基板的表面。低温蒸发沉积技术具有纯度高、粒径可控等优点。在该技术中，金或铜纳米颗粒可以形成在处于低温的三维周期性表面上。例如，在低温蒸发期间，基板温度可以在约30℃，并且完成的微流控芯片将不会受到低温的负面影响。此外，高温金属离子将更容易沉积在低温电介质层上。金属颗粒的尺寸可以精确控制在例如约50nm。
在一个实施例中，在低温蒸发沉积期间，首先将腔室抽成真空，然后填充纯惰性保护气体，并且调节压力为约103Pa。钨电极和喷嘴之间的电弧由高频点火器点燃。在气压和电弧电流的作用下，高温、高活性的电离气体冲出喷嘴，形成稳定的等离子体。通过高温等离子体加热来蒸发和气化诸如金的高纯度块状金属材料。蒸发的金属原子在惰性气体中扩散，并与惰性气体原子激烈碰撞。通过火焰边界和淬火装置，金属原子迅速失去能量并冷却。在这种有效的冷却过程中，金属蒸汽中出现非常大面积的过度饱和(supersaturation)，因此，超细金属颗粒通过自发成核和气相冷凝而形成。然后，通过使超细金属颗粒的钝化处理稳定一定时间，可以获得松散的金属纳米颗粒。
在一个实施例中，用于制造微流控芯片的方法还可以包括：在第二基板上形成第二电介质层，在第二电介质层的远离第二基板的表面上形成多个第二凹部和多个第二凸部；以及在第二电介质层的远离第二基板的表面上涂覆第二金属纳米颗粒层。第二电介质层的涂覆有第二金属纳米颗粒层的表面与第一电介质层的涂覆有第一金属纳米颗粒层的表面彼此分开且相对。在第二电介质层的表面上形成多个第二凹部与多个第二凸部的处理可类似于先前所讨论的在第一电介质层的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部的处理，且其细节在此不再重复。用第二金属纳米颗粒涂覆第二电介质层的远离第二基板的的表面的处理可以类似于如上所述用第一金属纳米颗粒涂覆第一电介质层的远离第一基板的表面的处理，并且其细节在此不再重复。
本公开的原理和实施例在说明书中阐述。本公开实施例的描述仅用于帮助理解本公开的方法及其核心思想。同时，对于本领域的普通技术人员而言，本公开涉及本公开的范围，并且本公开的实施例不限于技术特征的特定组合，并且还应当在不脱离本公开的构思的情况下，涵盖通过组合技术特征或技术特征的等同特征而形成的其它实施例。例如，可以通过用类似的特征(但不限于此)代替如本公开中公开的上述特征来获得实施例。
Claims (19)
1.一种微流控芯片，包括：
第一基板；以及
第一电介质层，其位于所述第一基板上，
其中，所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面包括多个第一凹部和多个第一凸部。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，还包括第一金属纳米颗粒层，其位于所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述多个第一凹部和所述多个第一凸部在所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上沿第一方向和第二方向交替布置，所述第一方向垂直于所述第二方向。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述多个第一凸部中的一个在垂直于所述第一基板的平面中的横截面是矩形或正方形形状，并且每条边在约3μm至约5μm的范围内。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述多个第一凹部中的一个在垂直于所述第一基板的平面中的横截面是矩形或正方形形状，且每条边在约3μm至约5μm的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微流控芯片，其中，所述第一电介质层包括氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或有机树脂。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面被配置成在室温下、对去离子水呈现等于或大于约130°的静态接触角。
8.根据权利要求2所述的微流控芯片，其中，第一金属纳米颗粒包括金或铜。
9.根据权利要求2或8所述的微流控芯片，其中，所述第一金属纳米颗粒中的每一个的直径在约30nm至约100nm的范围内。
10.根据权利要求2、8、9中任一项所述的微流控芯片，其中，所述第一金属纳米颗粒层在所述第一基板上的正投影覆盖所述多个第一凹部和所述多个第一凸部在所述第一基板上的正投影。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的微流控芯片，还包括位于所述第一电介质层与所述第一基板之间的多个驱动电极和多个公共电极，
其中，所述多个驱动电极位于所述第一基板的面对所述第一电介质层的表面上，并且所述多个公共电极位于所述驱动电极的远离所述第一基板的一侧。
12.根据权利要求2、8、9、10中任一项所述的微流控芯片，还包括：
第二基板，其远离所述第一基板；
第二电介质层，其位于所述第二基板的面对所述第一基板的一侧，所述第二电介质层的远离所述第二基板的表面包括多个第二凹部和多个第二凸部；以及
第二金属纳米颗粒层，其位于所述第二电介质层的远离所述第二基板的表面上。
13.根据权利要求12所述的微流控芯片，其中，具有所述第二金属纳米颗粒层的所述第二电介质层的表面和具有所述第一金属纳米颗粒层的所述第一电介质层的表面彼此分开且相对。
14.一种微流控装置，包括根据权利要求1至13中任一项所述的微流控芯片。
15.一种用于制造微流控芯片的方法，包括：
在第一基板上形成第一介质层；
在所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上形成多个第一凹部和多个第一凸部；以及
用第一金属纳米颗粒层涂覆所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过光刻技术或纳米压印技术在所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面上形成所述多个第一凹部和所述多个第一凸部。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，通过低温蒸发沉积技术、用所述第一金属纳米颗粒层涂覆所述第一电介质层的远离所述第一基板的表面。
18.根据权利要求15所述的方法，在形成所述多个第一凹部和所述多个第一凸部之前，还包括：
在所述第一电介质层与所述第一基板之间形成多个驱动电极和多个公共电极，
其中，所述多个驱动电极位于所述第一基板的面对所述第一电介质层的表面上，并且所述多个公共电极位于所述驱动电极的远离所述第一基板的一侧。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：
远离所述第一基板设置第二基板；
在所述第二基板上形成第二电介质层，
在所述第二电介质层的远离所述第二基板的表面上形成多个第二凹部和多个第二凸部；以及
用第二金属纳米颗粒层涂覆所述第二电介质层的远离所述第二基板的表面；
其中，所述第二电介质层的涂覆有所述第二金属纳米颗粒层的表面和所述第一电介质层涂覆有所述第一金属纳米颗粒层的表面彼此分开且相对。
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