CN115121299A - 热塑性聚合物微流控气阀芯片和键合方法及tpe材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了热塑性聚合物微流控气阀芯片和键合方法及TPE材料的应用，该微流控芯片，自上而下依次包括：顶层盖片、中间弹性层和底层基板；中间弹性层为TPE材料；TPE材料构成的中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。该芯片选用TPE材料作为中间弹性层，性质稳定，具有良好的耐候性、抗疲劳性和耐温性；且加工性能优越，无须硫化，具有良好的微结构复制成型能力。TPE材料在室温下即可与盖片或基板贴合，键合条件温和，无须表面改性且可避免试剂损坏；克服了传统的双面胶等粘胶材料构建微通道时，产生的分子渗透、黏点扩散等问题，大大提升了微流控芯片的键合成型效率，缩短工期和简化制备流程。
Description
技术领域
本发明属于分子键合技术和微流控芯片技术领域，特别涉及热塑性聚合物微流控气阀芯片和键合方法及TPE材料的应用。
背景技术
在微流控芯片的制作过程中，键合技术是关键性技术之一。只有通过键合才能形成基片和盖片之间的封闭微通道，以达到芯片的运作功能和效果。因此，键合方式和质量直接影响微流控芯片的制作质量及功能、使用效果。目前，热塑性聚合物微流控芯片的键合技术与方法在制作效率、质量和方法的适用性等方面尚存在问题，是目前实现芯片批量化制作中的主要瓶颈问题。
现有的具有弹性阀结构的芯片，用的材料以弹性硅胶为主，与玻璃或塑料基材间的键合是个问题。其主要技术难度在于在芯片键合或芯片使用过程中可能遇到以下一个甚至多个问题：
1、芯片在加热加压键合过程中易出现加压基体开裂、断层或微结构的变形和堵塞等问题；
2、在使用双面胶等粘胶材料构建微通道时，易存在分子渗透、黏点扩散等问题，从而导致微通道表面粗糙，难清理、易堵塞。并且在使用过程中易对试剂或反应体系产生影响；
3、因局部键合结构或工艺不合理引起的芯片破损、开裂和漏液问题等。
因此，微通道成型基材及键合方式成为微流控领域首要解决的难题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的热塑性聚合物微流控气阀芯片和键合方法及TPE材料的应用。
第一方面，本发明实施例提供一种热塑性聚合物微流控气阀芯片，自上而下依次包括：顶层盖片、中间弹性层和底层基板；
所述中间弹性层为TPE材料；所述TPE材料构成的中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。
在一个实施例中，所述顶层盖片的顶部具有与外部相通的气体入口：所述顶层盖片内部刻有气体通道，所述顶部盖片的非气体通道部位与所述中间弹性层键合；
所述中间弹性层构成微流控芯片部件间键合层和弹性薄膜气阀封闭层。
在一个实施例中，所述中间弹性层复制有芯片微流体通道；所述基板与中间弹性层之间构建密闭环境，为所述弹性中间层提供形变空间，形成常开阀或常闭阀。
在一个实施例中，所述中间弹性层与所述底层基板之间无需键合的部位表面还设有表面涂层；
所述底层基板内部刻有液体腔室和流体通道。
在一个实施例中，所述顶层盖片与底层基板的材质为硅片、石英、玻璃或高分子化合物；
其中，所述高分子化合物包括：聚苯乙烯、环烯烃共聚物、环状嵌段共聚物、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸酯。
在一个实施例中，所述TPE材料包括：TPS、TPU、TPV、TPEE和TPO。
在一个实施例中，包括：
采用TPE材料作为中间弹性层；
将所述中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合。
第二方面，本发明实施例还提供一种热塑性聚合物微流控气阀芯片键合方法，包括：
采用TPE材料作为中间弹性层；
将所述中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。
第三方面，本发明实施例还提供一种TPE材料在制备微流控气阀芯片中的应用。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的一种热塑性聚合物微流控气阀芯片，自上而下依次包括：顶层盖片、中间弹性层和底层基板；中间弹性层为TPE材料；TPE材料构成的中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。该芯片选用TPE材料作为中间弹性层，性质稳定，具有良好的耐候性、抗疲劳性和耐温性；且加工性能优越，无须硫化，具有良好的微结构复制成型能力。TPE材料在室温下即可与盖片或基板贴合，键合条件温和，无须表面改性且可避免试剂损坏；克服了传统的双面胶等粘胶材料构建微通道时，产生的分子渗透、黏点扩散等问题，大大提升了微流控芯片的键合成型效率，缩短工期和简化制备流程，具有大规模批量芯片键合的能力。
进一步地，该键合层也可以同时包含芯片流体结构，以及作为弹性薄膜气阀封闭层的键合方式。该种键合方式具有功能丰富、键合强度高、键合方式简单的特点，可达到流体通道、键合与封闭层一体化。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的微流控芯片横截面结构与流体作用示意图；
图2为本发明实施例2提供的微流控芯片横截面结构与流体作用示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1-2所示，本发明实施例提供的热塑性聚合物微流控气阀芯片，自上而下依次包括：顶层盖片1、中间弹性层2和底层基板3；其中，中间弹性层2选用TPE材料，由TPE材料构成的中间弹性层2与顶层盖片1和底层基板3之间压力键合、热键合或激光键合；其中，加热键合可以加速键合过程。该TPE材料环保无毒安全，硬度范围广，触感柔软；性质稳定，具有良好的耐候性、抗疲劳性和耐温性；且加工性能优越，无须硫化，具有良好的微结构复制成型能力，亦可单独成型。
在常温加压条件下即可与PMMA、PDMS、PP、PE、PC等基体材料包覆粘合，在加热加压条件下可加速贴合，涉及的工艺条件较为简单。
在顶层盖片1的顶部具有与外部相通的气体入口，顶层盖片1内部刻有气体通道，该顶部盖片的非气体通道部位与中间弹性层键合2；TPE材料作为中间弹性层2，可构成微流控芯片部件间键合层和弹性薄膜气阀封闭层使用，也可以复制有芯片微流体通道。
底层基板3与中间弹性层2之间构建密闭环境，为弹性中间层2提供形变空间，形成常开阀或常闭阀，从而控制液体流通。
进一步地，本发明实施例提供的微流控芯片中，顶层盖片与底层基板的材质可为硅片、石英、玻璃或高分子化合物，可以相同也可以不同；该高分子化合物包括：聚苯乙烯(PS)，环烯烃共聚物(COC)，环状嵌段共聚物(CBC)、聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸酯(PMMA)等。考虑微流控芯片的光学检测要求，优先使用透光率较高的玻璃或聚苯乙烯(PS)，环烯烃共聚物(COC)，环状嵌段共聚物(CBC)、聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸酯(PMMA)等。
进一步地，本发明实施例提供的微流控芯片中的TPE材料包括：热塑性弹性体的苯乙烯类(TPS),热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU),热塑性硫化橡胶(TPV),热塑性聚酯弹性体(TPEE),热塑性聚烯烃弹性体(TPO)等。
为此，本发明实施例提供了利用具有微结构复制成形能力的TPE材料作为微流控芯片的聚合物芯片部件间的键合层。该键合层也可以同时包含芯片流体结构，以及作为弹性薄膜气阀封闭层的键合方式。该种键合方式具有功能丰富、键合强度高、键合方式简单的特点，并且可达到流体通道、键合与封闭层一体化，大大提升了微流控芯片的键合成型效率，缩短工期和简化制备流程，具有大规模批量芯片键合的能力。TPE材料作为键合层，键合前期无须特殊处理(材料表面改性等)，性质稳定，键合条件温和，具备理想性的生物学应用，有望广泛应用于生态、环境、医疗等广泛领域。
下面分别通过两个具体实施例来说明本发明的技术方案：
实施例1：
本发明实施例提供的热塑性聚合物微流控芯片，如图1所示，为该芯片横截面结构，由上至下依次包括：顶部盖片1、中间键合层2和底层基板3。其中，顶部盖片1内部刻有气体通道，气体由气体入口通入，选用PMMA材质；中间键合层2，作为微流控芯片部件间键合层，同时包含液体通道和腔室等芯片流体结构，并作为弹性薄膜气阀封闭层的TPE材料；底层基板3，选用PMMA材质。
TPE材料上含有通道，未向气体入口通入气体时，液体腔室间通过液体通道相连接，该通道与上方顶部盖片1内的气体通道结构共同形成常开阀。
当气体入口有高压气体通入时，气体通过气体通道作用于TPE材料，使TPE材料受压形变从而关闭液体流通阀，达到阀阻断状态。
实施例2：
本发明实施例提供的热塑性聚合物微流控芯片，如图2所示，为该芯片横截面结构，由上至下依次包括：顶部盖片1、中间键合层2、底层基板3和涂层4。其中，顶部盖片1内部刻有气体通道，气体由气体入口通入，选用PMMA材质；中间键合层2，作为微流控芯片部件间键合层，同时作为弹性薄膜气阀封闭层的TPE材料；底层基板3，选用PMMA材质，内部刻有液体腔室/流体通道。其中，涂层4位于中间键合层2和底层基板3之间，具体位于中间弹性层与底层基板之间无需键合的部位表面，用于保持该部位的TPE与底层基板3处于分离状态，形成常闭阀。该涂层用于选择性地防止弹性层与基板之间的不可逆键合，有利于在施加压力的时候形成流体通道或关闭通道；该涂层可以是无机物、有机物和高聚物脱模剂。
TPE材料上不含有通道，未从气体入口抽出气体时，下方底层基板3上的液体腔室间被TPE层阻断，该通道与上方顶部盖片1内的气体通道结构共同形成常闭阀。
通过气体入口抽出气体形成内部负压，导致TPE材料形变，在底层基板3的液体腔室间形成中空通道结构，从而开启液体流通阀，达到流通状态。
上述两个实施例主要描述了TPE(热塑性弹性体)材料及其键合方式在微流控气阀芯片中的应用。由于TPE自身的优异性能，具有与其他材料温和且方便的键合方式，其自身也具有良好的微结构复制成型能力、弹性形变和可塑能力，所以可同时作为键合层、构建流体通道和弹性薄膜气阀封闭层使用，本发明中的两个实例仅为应用的参考实例。
本发明实施例提供的热塑性聚合物微流控气阀芯片具有如下优势：
(1)利用具有微结构复制成形能力的TPE材料作为微流控芯片的聚合物芯片部件间的键合层，该键合层也可以同时包含芯片流体结构，以及作为弹性薄膜气阀封闭层的键合方式。该种键合方式具有功能丰富、键合强度高、键合方式简单的特点，可达到流体通道、键合与封闭层一体化。
(2)克服了传统的双面胶等粘胶材料构建微通道时，产生的分子渗透、黏点扩散等问题。
(3)TPE材料在室温下即可与盖片或基板贴合。键合条件温和，无须表面改性且可避免试剂损坏，具备理想性的生物学应用。
(4)TPE材料质地柔软，加工性能优异，克服了以往工艺上因局部键合结构或工艺不合理而引起的芯片破损、开裂和漏液问题。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种热塑性聚合物微流控气阀芯片键合方法，包括：
采用TPE材料作为中间弹性层；
将所述中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。
本发明的键合方法，可广泛用于微流控芯片的制备领域，可应用到化妆品及环境分析、芯片上的器官培养、诊断、药物发现，医疗设备等多个途径及行业。键合工艺大大提升了微流控芯片的键合成型效率，缩短工期和简化制备流程，具有大规模批量芯片键合的能力。
该方法的具体实施，可参照上述实施例中对热塑性聚合物微流控气阀芯片的具体描述，此处不再赘述。
另外，本发明实施例还提供一种TPE材料在制备微流控气阀芯片中的应用。该TPE材料环保无毒安全，硬度范围广，触感柔软；性质稳定，具有良好的耐候性、抗疲劳性和耐温性；且加工性能优越，无须硫化，具有良好的微结构复制成型能力，亦可单独成型。在常温加压条件下即可与PMMA、PDMS、PP、PE、PC等基体材料包覆粘合，在加热加压条件下可加速贴合，涉及的工艺条件较为简单。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，自上而下依次包括：顶层盖片、中间弹性层和底层基板；
所述中间弹性层为TPE材料；所述TPE材料构成的中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。
2.如权利要求1所述的热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，所述顶层盖片的顶部具有与外部相通的气体入口：所述顶层盖片内部刻有气体通道，所述顶部盖片的非气体通道部位与所述中间弹性层键合；
所述中间弹性层构成微流控芯片部件间键合层和弹性薄膜气阀封闭层。
3.如权利要求2所述的热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，所述中间弹性层复制有芯片微流体通道；所述基板与中间弹性层之间构建密闭环境，为所述弹性中间层提供形变空间，形成常开阀或常闭阀。
4.如权利要求2所述的热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，所述中间弹性层与所述底层基板之间无需键合的部位表面还设有表面涂层；
所述底层基板内部刻有液体腔室和流体通道。
5.如权利要求1所述的热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，所述顶层盖片与底层基板的材质为硅片、石英、玻璃或高分子化合物；
其中，所述高分子化合物包括：聚苯乙烯、环烯烃共聚物、环状嵌段共聚物、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸酯。
6.如权利要求1所述的热塑性聚合物微流控气阀芯片，其特征在于，所述TPE材料包括：TPS、TPU、TPV、TPEE和TPO。
7.热塑性聚合物微流控气阀芯片键合方法，其特征在于，包括：
采用TPE材料作为中间弹性层；
将所述中间弹性层与顶层盖片和底层基板之间压力键合、热键合或激光键合。
8.TPE材料在制备微流控气阀芯片中的应用。
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| CN102459565A (zh) * | 2009-06-02 | 2012-05-16 | 尹特根埃克斯有限公司 | 具有隔膜阀的流控设备 |
| CN106461697A (zh) * | 2014-03-13 | 2017-02-22 | 吉纳帕希斯股份有限公司 | 用于样品制备和分析的微流体装置、系统和方法 |
| CN109894171A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-18 | 大连理工大学 | 一种可逆键合微流控芯片的方法 |
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