CN114534802A - 一种微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片及其制备方法，包括：芯片层及玻璃片，设置在所述芯片层内同一层的通液通道、凸出部、弹性墙及气动通道，所述气动通道的末端连通凸出部，所述弹性墙设置在凸出部的底端及气动通道的一侧边之间，所述芯片层还开设有气压入口、液体入口及液体出口，所述气压入口与气动通道的始端连通，所述液体入口及液体出口分别与通液通道的两端连通。本发明公开的微流控芯片及其制备方法，相对现有多层结构的气动微阀门，本方案无需制作多层结构对应的阳模，也无需在键合时针对多层结构进行对准，因此加工工艺大为简化，大幅降低该微流控芯片的加工难度。

Description

一种微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及其制备方法，属于微流控芯片技术领域。

背景技术

在微流控芯片中，气动微阀门由软材料的压力驱动变形，进而阻塞或释放液体流入微系统。

微流控芯片的技术路线发展的过程中，其中有研究课题组提出“三文治芯片”以在微通道中形成气动微阀门，该芯片从上至下分别为气动层、薄膜墙和液体芯片层的多层芯片结构。这种芯片的气路与液路中间相隔一层薄膜墙并在俯视方向上垂直交叉分布，交叉部分即为微阀门区域。当气动通道施加压力时，可以选择性地压缩和堵塞流体层的通道，从而实现流体运动控制。还有研究课题组提成的另外的柱塞型微阀门，在该阀门系统中，流体入口和出口位于不同的液路层，其中的微通道由有孔层相连。而气动层则能够控制薄膜墙的变形，从而允许或禁止流体流过有孔层。上述两个阀门系统是常开开关的结构。

再有研究课题组开发出“门垫”式微型阀门同样涉及具有液体通道、气动通道的阀门“三明治结构”，该微型阀是常闭阀，即在静止状态下，液体通道被薄膜墙阻塞。在开启阀门时，须在气动网络中施加负压使中间的薄膜向气动层产生形变，因此移除薄膜墙并使流体流过阀门区域。再有开发者开发出“窗帘”式微阀是另一种常闭阀门设计，与门垫设计的微型阀门相反，该阀门上的通道屏障帘阀是一种与膜层而不是芯片层一体化的微结构。在零压力下，膜与阀门平齐并堵塞流道。通过在气动层上抽真空，膜和屏障向上提起并打开流体通道。

上述开发的各类型气动微阀门被广泛应用于微流控PCR、蛋白质分离和细胞分选领域，然而由于芯片由三层结构组成，加工时需要将芯片对准以及二次键合，对于加工的精度与洁净程度要求较高。同时，在加工气动微阀门过程中，由于底层通道面朝上，通道底部的薄薄膜墙不可避免得会有一定厚度(一般大于1mm)，该芯片不利于高倍镜成像与单细胞水平研究。为了使阀门能够完全关闭，多层微阀门中的微通道通常被设计为具有半圆形截面。半圆形通道会产生圆形的液体水结合薄膜墙连结的界面，充当透镜。该透镜会严重扭曲透射光显微镜模式(例如相差场)中的图像。在实践中，唯一可行的细胞成像选项是不需要光源的荧光显微镜，然而，染料以及紫外线灯和过滤器增加了成本，并且信号会随着暴露在光线下的时间推移而减弱。而对于当前的侧向偏转膜微阀门，该设计本质上不是真正的阀门，因为它没有完全密封流道，而是一个流阻器。此外，内部还存在三种侧壁效应通道腔：顶部、底部和侧面，决定了偏转膜的偏转行为，使得与三层膜微型阀相比，该系统更难建模。

综上所述，现有技术下的各类型气动微阀门具有多个不足之处，概括如下：1、多层气动微阀门加工时需要对准，加工制备过程复杂；2、多层微阀门成像受气动层影响，仅适用于荧光显微镜，价格昂贵；3、多层微阀门具有较厚的底面，不利于高倍镜成像；4、目前的微阀门产生形变小，无法完全关闭液体通道；5、目前的微阀门具有不同的侧壁效应，难以建模。针对上述的技术不足，有必要提出新的微流控芯片及制备该芯片的方法。

发明内容

本发明提供一种一种微流控芯片，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案为一种微流控芯片，其包括：芯片层及玻璃片，设置在所述芯片层内同一层的通液通道、凸出部、弹性墙及气动通道，所述气动通道的末端连通凸出部，所述弹性墙设置在凸出部的底端及气动通道的一侧边之间，所述芯片层还开设有气压入口、液体入口及液体出口，所述气压入口与气动通道的始端连通，所述液体入口及液体出口分别与通液通道的两端连通，其中，所述芯片层与涂覆有PDMS涂层一面的所述玻璃片键合连接，当气压入口通入气体经过气动通道到凸出部的底端，气体挤压弹性墙扩张弹性形变，以截断通液通道的一侧边闭合。

进一步，所述芯片层及弹性墙均采用PDMS薄膜材料制作。

进一步，所述凸出部的从顶端到底端的内径尺寸逐渐增大。

进一步，所述弹性墙的长度尺寸与厚度尺寸的比例范围从6∶1至15∶1。

进一步，所述气压入口与气压泵互相连接。

本发明还公开了一种微流控芯片的制备方法，所述方法包括上述所述的微流控芯片，其制备方法包括：步骤1)：将PDMS材料与固化剂混合配制成PDMS溶液；步骤2)：提供玻璃片，将步骤1)中的部分PDMS溶液倾倒在硅片上，将所述硅片转动将PDMS溶液在玻璃片的一面旋涂，使玻璃片的一面涂覆有PDMS涂层；步骤3)：提供阳模，所述阳模上制作带有微阀门图案，将步骤1)中的部分PDMS溶液倒入微阀门图案上，除去PDMS溶液中的气泡；步骤4)：将步骤2)处理完的玻璃片及步骤3)处理完的阳模加热处理，加热PDMS涂层在所述玻璃片上固化，使PDMS溶液在所述阳模上凝固成芯片层，所述芯片层的内部同一层成型有通液通道、凸出部、弹性墙及气动通道；步骤5)：将步骤4)中的所述芯片层从阳模中脱模，使用打孔工具在芯片层的气动通道的始端开设气压入口、在芯片层的通液通道的两端分别开设液体入口及液体出口；步骤6)：将步骤4)中处理后涂覆有PDMS涂层一面的玻璃片及步骤5)中的芯片层以高功率清洗后，将芯片层与玻璃片涂覆PDMS涂层的一面键合，使通液通道、凸出部及气动通道的底侧与一部分的PDMS涂层形成空腔。

进一步，步骤1)中的PDMS材料与固化剂混合的比例为10∶1至25∶1；步骤3)中使用真空泵除去PDMS溶液中的气泡；步骤4)中将阳模及玻璃片放在平板加热器上以100℃加热1小时；步骤6)中将玻璃片及芯片层放置在等离子清洗机中清洗30秒。

进一步，步骤3)中所述阳模上设有第一凸起部、第二凸起部及梯形部，所述第二凸起部的中部一端连接梯形部，所述梯形部的末端与第一凸起部的一侧面之间设有凹槽。

进一步，步骤4)中的所述芯片层从第一凸起部、梯形部、凹槽及第二凸起部中脱模形成通液通道、凸出部、弹性墙及气动通道。

进一步，步骤3)中的所述梯形部的底面的长度尺寸与凹槽宽度尺寸可以按任意比例进行组合，该比例组合取决于加工精度与所需形变程度。优选地，该比例的范围可以从6∶1至15∶1。

本发明的有益效果为：

1、相对现有多层结构的气动微阀门，本方案无需制作多层结构对应的阳模，也无需在键合时针对多层结构进行对准，因此加工工艺大为简化，大幅降低该微流控芯片的加工难度。

2、现有的多层结构的气动微阀门会产生光路透射，该微流控芯片只有一层结构，消除光线对微阀门成像的影响。

3、相对多层结构的气动微阀门产生较厚的PDMS层，产生光路折射并影响成像，本微流控芯片的制备方法中在玻璃片旋涂的PDMS涂层大大减少了底面厚度，进而便于高倍镜成像。

4、相对现有技术中侧向流阻器形变量比较小，无法完全截断通液通道，本发明通过调节弹性墙的比例尺寸，大大提高了阀门区域的变形能力，使其可以完全关闭通液通道。

5、芯片层及玻璃片采用相同的PDMS材料，两者键合时具有相同的材料性质，因此两者边界条件更为简单，给与阀门建模获取解析解的条件。

附图说明

图1是根据本发明实施例的微流控芯片的分解示意图。

图2是根据本发明实施例的单层微流控气动微阀门的仰视图。

图3是根据本发明实施例的阳模的立体图。

图4是根据本发明实施例的阀门区域形变的第一状态图。

图5是根据本发明实施例的阀门区域形变的第二状态图。

图6是根据本发明实施例的阀门区域形变的第三状态图。

图7是根据本发明实施例的阀门区域形变的第四状态图。

图8是根据本发明实施例的阀门区域形变的第五状态图。

图9是根据本发明实施例的微流控芯片的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。还应注意，以下所有实施例中涉及的数值范围或者比例值范围，皆涵盖所述数值范围或者比例值范围的上限值或者下限值。

参照图1至8，在一些实施例中，本发明公开了一种单层微流控气动微阀门，其包括：芯片层100，设置在芯片层100内同一层的通液通道110、凸出部120、弹性墙130及气动通道140。

参照图1结合图2，上述的几个部件均是芯片层的一部分，主要的通液通道110及气动通道140分别独立集成在同一层的芯片层100内。气动通道140的末端连通凸出部120，弹性墙130设置在凸出部120的底端及气动通道140的一侧边之间。如图2所示，弹性墙130分隔开通液通道110及气动通道140。弹性墙130本身具备变形弹性的性质，如图2所示，弹性墙130的上方的凸出部120及下方的通液通道110的阀门区域起关闭或启动的作用，该微阀门是常开阀门结构。

参照图1结合图2，芯片层100还开设有气压入口141、液体入口111及液体出口112，气压入口141与气动通道140的始端连通，液体入口111及液体出口112分别与通液通道110的两端连通。

参照图1至8，在一些实施例中，本发明公开了一种微流控芯片，其包括：芯片层100及玻璃片200。设置在芯片层100内同一层的通液通道110、凸出部120、弹性墙130及气动通道140。气动通道140的末端连通凸出部120，弹性墙130设置在凸出部120的底端及气动通道140的一侧边之间。该芯片同样地，通液通道110及气动通道140分别独立集成在同一层的芯片层100内。芯片层100还开设有气压入口141、液体入口111及液体出口112，气压入口141与气动通道140的始端连通，液体入口111及液体出口112分别与通液通道110的两端连通。

参照图1，玻璃片200的表面涂覆有PDMS涂层210，芯片层100与涂覆有PDMS涂层210一面的玻璃片200键合连接，使通液通道110、凸出部120、弹性墙130及气动通道140的一侧面与PDMS涂层210配合形成密闭的腔体。PDMS涂层210均匀涂覆在玻璃片200的表面，与PDMS制作相同材质的芯片层100及弹性墙130更加容易键合，以及使玻璃片200上的PDMS涂层210更加容易产生形变，因此该阀门区域中的弹性墙130及其周边底部PDMS涂层210和顶部的小部分芯片层100几个方向达到大尺度的形变，进而使弹性墙130封闭通液通道110。

气压入口141与气压泵的进气口连通，采用精密气压泵控制输入气压。该微流控芯片是常开阀结构，当需要微阀门开启时，气压入口141不施加气压使弹性墙130产生形变，通液通道110内流体正常流动，通液通道110处于畅通的状态即图4中阀门区域中弹性墙并未发生弹性形变的状态；当需要微阀门闭合时，调整精密气压泵给气压入口141通入气体，当气压入口141通入气体经过气动通道140到凸出部120的底端，使得弹性墙130两边的凸出部120及通液通道110存在压力差，气体挤压弹性墙130向通液通道110方向扩张弹性形变，以截断通液通道110的一侧边闭合，以阻碍流体的流动即图5至8中阀门区域中弹性墙逐渐发生弹性形变的状态变化。

整个芯片层选用具有弹性的膜材料，芯片层100及弹性墙130均采用PDMS薄膜材料制作。PDMS薄膜材料的弹性墙130的长度尺寸与厚度尺寸的比例范围从6：1至15：1。其中，优选地，图4至图8中弹性墙130的长度尺寸与厚度尺寸比例为6：1。结合气动通道140输入的气压，弹性墙130在上述尺寸范围内变化均可实现侧向形变。除上述弹性墙130的材料采用PDMS外，弹性墙130还可以采用其他热塑或冷塑的弹性材料制作。

参照图1结合图2，凸出部120的从顶端到底端的内径尺寸逐渐增大，具体的形状，凸出部120的横截面形状为梯形，凸出部120的下底一侧边与弹性墙130的顶面连接，凸出部120的两侧腰线的顶部与气动通道140两侧壁互相连接。弹性墙与气动通道之间通过凸出部进行过度，相对气动通道的末端较小口径的开口直接连接弹性墙的设计，凸出部底端相对较大口径的连接弹性墙，两者的方案对比，后者弹性墙的长度更长，使弹性墙形变的幅度较大，能够如图8那样，更加彻底截断通液通道。

参照图2，气压入口141、液体入口111及液体出口112的开口形状为圆形，圆形的入口分别对接常见圆形的进气口及液体出入口，连接位的密封性更加良好。

参照图2，气动通道140包括第一弯折通道142及第二弯折通道143。第一弯折通道142的一端与第二弯折通道143的一端互相垂直连通，第一弯折通道142的另一端与凸出部120的顶端互相连通，第二弯折通道143的另一端与气压入口141连通。该处的气动通道140可以采用两段弯折的连接结构设计。

本方案的适用但不仅限于微流控芯片中的流体动力学控制，包括流量控制及流阻调节；芯片内形貌改变包括反应腔的开启与关闭，狭窄区域的形成；以及对细胞或颗粒表面施加压力。应用场合包括：流阻器，聚合酶链式反应(PCR)以及细胞筛选。

本发明还公开了一种微流控芯片的制备方法，方法包括制备上述结构的微流控芯片，其制备方法包括：

步骤1：将PDMS材料与固化剂混合配制成PDMS溶液；

步骤2：提供玻璃片200，将步骤1中的部分PDMS溶液倾倒在硅片上，将硅片转动将PDMS溶液在玻璃片200的一面旋涂，使玻璃片200的一面涂覆有PDMS涂层210；

步骤3：提供阳模300，阳模300上制作带有微阀门图案，将步骤1中的部分PDMS溶液倒入微阀门图案上，除去PDMS溶液中的气泡；

步骤4：将步骤2处理完的玻璃片200及步骤3处理完的阳模300加热处理，加热PDMS涂层210在玻璃片200上固化，使PDMS溶液在阳模300上凝固成芯片层100，芯片层100的内部同一层成型有通液通道110、凸出部120、弹性墙130及气动通道140；

步骤5：将步骤4中的芯片层100从阳模300中脱模，使用打孔工具在芯片层100的气动通道140的始端开设气压入口141、在芯片层100的通液通道110的两端分别开设液体入口111及液体出口112；

步骤6：将步骤4中处理后涂覆有PDMS涂层210一面的玻璃片200及步骤5中的芯片层100以高功率清洗后，将芯片层100与玻璃片200涂覆PDMS涂层210的一面键合，使通液通道110、凸出部120及气动通道140的底侧与一部分的PDMS涂层210形成空腔。

上述微流控芯片的制备方法，相对现有普遍的气动微阀门通常由气动层、芯片层及液体层构成制备需要二次键合，多次键合的工序为保证微阀门区域的产生，需要进行对准使气动层与液路层产生理想的重合区域。由于本方案的通液通道、弹性墙及气动通道均设计在同一层的芯片层内，在软光刻加工中同时产生上述部件，只需要与玻璃片一次键合对准，无须二次键合与对准，大大节约了该芯片的加工时间。

具体地，步骤1中的PDMS材料与固化剂混合的比例范围为10∶1至25∶1。优选地，PDMS材料与固化剂混合的比例为20：1，该比例混合物制造的芯片层、PDMS涂层及弹性墙质地偏软，使弹性墙更加容易产生形变，因此可同时在各个方向达到大尺寸的形变进而封闭通道。

步骤3中使用真空泵除去PDMS溶液中的气泡，使芯片层成型及玻璃片上的PDMS涂层涂覆时消除气泡。

步骤4中将阳模300及玻璃片200放在平板加热器上以100℃加热1小时，这样可以加快芯片层成型及PDMS涂层在玻璃片上固化。

步骤6中将玻璃片200及芯片层100放置在等离子清洗机中清洗30秒。

参照图3阳模300的具体结构，阳模300采用光刻制作微阀门图案，步骤3中阳模300上设有第一凸起部310、第二凸起部320及梯形部330。第二凸起部320的中部一端连接梯形部330，梯形部330的末端与第一凸起部310的一侧面之间设有凹槽340，阳模上除两处凸起部及梯形部凸起外，其他区域阳模表面平整，上述凸起高度可以相同也可以不同。

步骤4中的芯片层100从第一凸起部310、梯形部330、凹槽340及第二凸起部320中脱模形成通液通道110、凸出部120、弹性墙130及气动通道140。

为了使阳模的制作的弹性墙复合比例要求，还取决于加工精度与所需形变程度，步骤3中的梯形部330的底面的长度尺寸与凹槽340宽度尺寸可以按任意比例进行组合。优选地，该比例范围可以从6∶1至15∶1。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

芯片层(100)及玻璃片(200)，

设置在所述芯片层(100)内同一层的通液通道(110)、凸出部(120)、弹性墙(130)及气动通道(140)，所述气动通道(140)的末端连通凸出部(120)，所述弹性墙(130)设置在凸出部(120)的底端及气动通道(140)的一侧边之间，

所述芯片层(100)还开设有气压入口(141)、液体入口(111)及液体出口(112)，所述气压入口(141)与气动通道(140)的始端连通，所述液体入口(111)及液体出口(112)分别与通液通道(110)的两端连通，

其中，所述芯片层(100)与涂覆有PDMS涂层(210)一面的所述玻璃片(200)键合连接，当气压入口(141)通入气体经过气动通道(140)到凸出部(120)的底端，气体挤压弹性墙(130)扩张弹性形变，以截断通液通道(110)的一侧边闭合。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述芯片层(100)及弹性墙(130)均采用PDMS薄膜材料同批次制作。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述凸出部(120)的从顶端到底端的内径尺寸逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述弹性墙(130)的长度尺寸与厚度尺寸的比例范围从6∶1至15∶1。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述气压入口(141)与精密气压泵互相连接。

6.一种微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括制备权利要求1至5所述的微流控芯片，其制备方法包括：

步骤1)：将PDMS材料与固化剂混合配制成PDMS溶液；

步骤2)：提供玻璃片(200)，将步骤1)中的部分PDMS溶液倾倒在硅片上，将所述硅片转动将PDMS溶液在玻璃片(200)的一面旋涂，使玻璃片(200)的一面涂覆有PDMS涂层(210)；

步骤3)：提供阳模(300)，所述阳模(300)上制作带有微阀门图案，将步骤1)中的部分PDMS溶液倒入微阀门图案上，除去PDMS溶液中的气泡；

步骤4)：将步骤2)处理完的玻璃片(200)及步骤3)处理完的阳模(300)加热处理，加热PDMS涂层(210)在所述玻璃片(200)上固化，使PDMS溶液在所述阳模(300)上凝固成芯片层(100)，所述芯片层(100)的内部同一层成型有通液通道(110)、凸出部(120)、弹性墙(130)及气动通道(140)；

步骤5)：将步骤4)中的所述芯片层(100)从阳模(300)中脱模，使用打孔工具在芯片层(100)的气动通道(140)的始端开设气压入口(141)、在芯片层(100)的通液通道(110)的两端分别开设液体入口(111)及液体出口(112)；

步骤6)：将步骤4)中处理后涂覆有PDMS涂层(210)一面的玻璃片(200)及步骤5)中的芯片层(100)以高功率清洗后，将芯片层(100)与玻璃片(200)涂覆PDMS涂层(210)的一面键合，使通液通道(110)、凸出部(120)及气动通道(140)的底侧与一部分的PDMS涂层(210)形成空腔。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，

步骤1)中的PDMS材料与固化剂混合的比例范围为10∶1至25∶1；

步骤3)中微阀门的图案直接被设计在阳模上，使用真空泵除去PDMS溶液中的气泡；

步骤4)中将阳模(300)及玻璃片(200)放在平板加热器上以100℃加热1小时；

步骤6)中将玻璃片(200)及芯片层(100)放置在等离子清洗机中清洗30秒。

8.根据权利要求6所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，

步骤3)中所述阳模(300)上设有第一凸起部(310)、第二凸起部(320)及梯形部(330)，所述第二凸起部(320)的中部一端连接梯形部(330)，所述梯形部(330)的末端与第一凸起部(310)的一侧面之间设有凹槽(340)。

9.根据权利要求6所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，

步骤4)中的所述芯片层(100)从第一凸起部(310)、梯形部(330)、凹槽(340)及第二凸起部(320)中脱模形成通液通道(110)、凸出部(120)、弹性墙(130)及气动通道(140)。

10.根据权利要求1所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，

步骤3)中的所述梯形部(330)的底面的长度尺寸与凹槽(340)宽度尺寸的比例组合是根据所需的形变程度而确定。

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