CN117463418A - 一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法，用于解决现有制备方法较为繁琐，制备得到的集成芯片中的微光学元件难以实现高质量成像，且耐高温高压性能较差等技术问题。该制备方法为：S1，根据微型细胞检测芯片的外形尺寸要求准备样品；S2，根据微型细胞检测芯片微舱室、微通道的结构及尺寸要求，编译工作台的移动路径；S3，将样品固定在工作台上；S4，启动飞秒激光器和工作台，工作台随预先编译的移动路径进行移动，飞秒激光器通过光学显微镜进行聚焦后在样品上扫描，得到微舱室和微通道的改性区域；S5，对改性区域依次进行蚀刻、抛光处理；S6，将微球置于微舱室内，组成微光学元件；S7，封装得到微型细胞检测芯片。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测芯片的制备方法，尤其涉及一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法。
背景技术
微流控芯片(Microfluidics)技术是将生物、化学、医学分析过程中样品的制备、反应、分离、检测等基本操作单元，集成到一块微米尺度的芯片上，并自动完成分析的技术。而微纳光学(Micro/Nano Optics)元件是指具有微米级/纳米级特征尺寸的光学元件，如光源、光波导、微透镜、检测器等，其可应用于传感与成像、显示与照明、通信与互连等众多领域。
传统生物检测系统中的关键部件，如实现光学成像、荧光检测的光学系统等，因无法有效集成到生物芯片中，从而使得整个生物检测系统的制造成本较高，同时，因集成度不高，而导致生物检测系统的体积较为庞大。
随着微纳加工技术的不断发展，将微纳光学元件和微流控芯片集成形成的集成芯片受到广泛关注，其有效解决了生物检测系统体积庞大、集成度不高的问题。该类集成芯片可通过光刻胶热回流法、光聚合喷墨打印法、超精密金刚石铣削法等方法制得，但上述方法均较为繁琐，且制备得到的集成芯片中的微光学元件难以实现高质量成像。此外，上述方法一般以聚合物作为基底，其虽然具备良好的化学惰性，但制备得到的集成芯片的耐高温高压性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法，用于解决现有制备方法较为繁琐，制备得到的集成芯片中的微光学元件难以实现高质量成像，且耐高温高压性能较差等技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法，所述微型细胞检测芯片包括基底、设置在基底上部的微舱室、设置在微舱室内的微球以及设置在基底下部的微通道，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，根据微型细胞检测芯片的外形尺寸要求，预先准备基底样品；
S2，根据微型细胞检测芯片微舱室、微通道的结构及尺寸要求，在五轴加工系统中预先编译工作台的移动路径；所述工作台为五轴加工系统的五轴工作台；所述移动路径包括在改性微舱室和微通道时工作台的移动路径；所述改性采用飞秒激光器通过光学显微镜聚焦后进行扫描改性；
S3，将步骤S1的基底样品固定在步骤S2的工作台上，并使光学显微镜的焦点位于基底样品上微舱室改性区的初始位置；
S4，启动飞秒激光器和工作台，工作台随预先编译的移动路径进行移动，飞秒激光器通过光学显微镜进行聚焦后在基底样品上扫描，并在基底样品上依次得到微舱室和微通道的改性区域；
S5，对步骤S4微舱室和微通道的改性区域依次进行蚀刻、抛光处理，得到光滑的微舱室和微通道；
S6，将预先准备的微球置于步骤S5得到的微舱室内，组成微光学元件；所述微球的尺寸与微舱室的底部尺寸相匹配；
S7，对步骤S6得到的微光学元件进行封装，得到微型细胞检测芯片。
进一步地，S1中，所述基底样品为石英玻璃样品。
进一步地，S2中，所述微舱室的截面呈U型，改性该微舱室时工作台的移动路径为：自下至上进行的移动半径为Ri，移动高度为hi的圆形路径，其中，
Ri＝R-i*x
上式中，R为微舱室U型结构顶部的半径，i为根据微舱室尺寸要求设定的改性层数，i≥0，x为改性时每层的半径减少量，x取值为0.5～5μm；
所述微通道为直通道或螺旋状通道。
进一步地，S5中，所述蚀刻是将经步骤S4改性的基底样品浸泡于浓度为5～8％的氢氟酸溶液中，通过超声刻蚀，刻蚀时间为2～3h。
进一步地，S5中，所述抛光采用氢氧退火热抛光工艺，具体为：
a)将刻蚀后的基底样品在800℃～1100℃的温度下预热12～17s；
b)采用热抛光系统的火焰喷枪对预热后的基底样品在1200～1300℃的温度下进行抛光处理；所述抛光时间为12～15s；
c)抛光结束后将基底样品在自然环境下降温固化，待温度将至室温后，通过共聚焦显微镜进行测试，判断微舱室和微通道的内表面粗糙度是否符合预期要求，若符合，则进入步骤S6；否则，返回步骤a)。
进一步地，步骤S6具体为，将预先准备的微球置于微舱室内，并将去离子水溶液逐滴滴入微舱室的内表面，直至微球随去离子水溶液陷入微舱室的底部，之后将微舱室内表面及微球表面的去离子水溶液烘干，即可得到微光学元件。
进一步地，步骤S6中，所述微球选用钛酸钡固体微球，其折射率为1.8～2.2。
进一步地，步骤S7中，所述封装的过程为：
7.1)将透明薄膜覆盖在基底样品改性微舱室的一面，并在微舱室上方的透明薄膜上预留灌液入口；
7.2)在微通道的入口端和出口端分别连接一根导管，用于待检测细胞液的输入及输出。
进一步地，所述透明薄膜选择薄石英玻璃片、PMMA薄膜、PDMS薄膜中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用五轴加工系统及飞秒激光器，并通过提前编译好工作台的移动路径，从而实现了微舱室和微通道的高精度一体化加工，加工方式简单，且得到的微型细胞检测芯片集成度较高。
2、本发明选择在石英玻璃作为基底样品，石英玻璃具有耐高温高压，以及耐腐蚀性能，不仅实现了微光学元件的高质量成像，同时也实现了在硬脆材料上完成微舱室和微通道的一体化制备，提高了微光学元件和微流控芯片的集成度。
3、本发明通过飞秒激光器对微舱室和微通道进行改性，飞秒激光具有超短脉冲时间、超高峰值功率、可控性强、加工精度高等特点，从而可提高加工效率以及加工质量。
4、本发明通过合理的控制蚀刻、抛光工艺的工艺参数，进一步提高了微型细胞检测芯片的加工质量，从而提高了检测芯片的检测精度。
附图说明
图1为本发明实施例中飞秒激光器逐层扫描的径向路径示意图。
图2为本发明实施例中飞秒激光器逐层扫描的轴向路径示意图。
图3为本发明实施例中微舱室和微通道改性区域示意图。
图4为本发明实施例中抛光后的微舱室和微通道结构示意图。
图5为本发明实施例中封装后的微型细胞检测芯片结构示意图。
图6为本发明实施例制备得到的微型细胞检测芯片使用状态参考图。
图7为使用本发明实施例制备得到的微型细胞检测芯片观察生物细胞的示意图。
附图标记如下：
1-基底，2-微舱室，3-微球，4-微通道，5-透明薄膜，6-灌液入口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
目前，将微纳光学元件和微流控芯片集成形成的集成芯片，为生物学研究提供核心优势，为实现细胞计数、细胞观测、核酸与蛋白检测等提供重要支撑。但现有的集成芯片的制备一般以聚合物作为基底，尚未有将石英玻璃作为基底的，这是由于石英玻璃腐蚀时会出现各向异性，导致在石英玻璃上制备微光学元件存在困难。本实施例主要研究基于飞秒激光微纳加工技术，实现将石英基微光学元件与微流控一体化集成于生物检测芯片的高效、高质量的制备方法。
本实施例提供的一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其中，微型细胞检测芯片包括基底1、设置在基底1上部的微舱室2、设置在微舱室2内的微球3以及设置在基底1下部的微通道4，该微型细胞检测芯片的制备方法包括以下步骤：
S1，根据微型细胞检测芯片的外形尺寸要求，预先准备基底样品。本实施例采用的基底样品为石英玻璃样品，石英玻璃具有耐高温，以及耐腐蚀性，能进一步提高芯片的检测性能。
S2，根据微型细胞检测芯片微舱室2、微通道4的结构及尺寸要求，在五轴加工系统中预先编译TCL程序，该程序即包含工作台的移动路径。
本实施例采用的工作台为五轴加工系统的五轴工作台；移动路径包括在改性微舱室2和微通道4时工作台的移动路径；改性采用飞秒激光器通过光学显微镜聚焦后进行扫描改性；光学显微镜可采用五轴加工系统的显微镜。
如图1和图2所示，本实施例微型细胞检测芯片的微舱室2截面呈U型，改性该微舱室2时工作台的移动路径为自下至上进行的移动半径为Ri，移动高度为hi的圆形路径，其中，
Ri＝R-i*x
上式中，R为微舱室U型结构顶部的半径。i为根据微舱室2尺寸要求设定的改性层数，i≥0；当i＝0时，工作台位于初始高度，Ri＝R0＝R，即激光扫描器在基底样品上扫描出半径为R的圆形改性区；当i＝0时，工作台上移一层，依次类推，层数越多，加工的精度就越高。x为改性时每层的步进减少量(即半径减少量)，x取值为0.5～5μm。
而微通道4可为直通道或螺旋状通道，当为直通道时，工作台的移动路径为直线型；当为螺旋状通道式，工作台的移动路径为螺旋状。工作台的具体移动路径根据实际加工需求进行相应设定。
S3，将步骤S1的基底样品固定在步骤S2的工作台上，并使光学显微镜的焦点位于基底样品上微舱室2改性区的初始位置。将基底样品固定后，一般需通过五轴加工平台的Rx、Ry旋转轴调整基底样品的平整度，进而保证其加工精度。
S4，启动飞秒激光器和工作台，工作台随预先编译的移动路径进行移动，飞秒激光器通过光学显微镜进行聚焦后在基底样品上扫描，并在基底样品上依次得到微舱室2和微通道4的改性区域，如图3所示。
S5，对步骤S4微舱室2和微通道4的改性区域依次进行蚀刻，蚀刻是将经步骤S4改性的基底样品浸泡于浓度为8％的氢氟酸溶液中，通过超声刻蚀2h，将改性区域定域去除，从而形成U型微舱室2以及贯通的微通道4。
微舱室2和微通道4由于刻蚀后，其表面结构粗糙，影响微光学元件的成像质量，因此需要进行抛光处理，降低微舱室2及微通道4的表面粗糙度，抛光后即得到光滑的微舱室2和微通道4，如图4所示。
本实施例的抛光工艺采用氢氧退火热抛光工艺，具体为：
a)将经步骤3刻蚀后的基底样品在800℃～1100℃的温度下预热15s。
b)采用热抛光系统的火焰喷枪对预热后的基底样品在1200～1300℃的温度下进行15s的抛光处理。
c)抛光结束后将基底样品在自然环境下降温固化，待温度将至室温后，通过共聚焦显微镜进行测试，判断微舱室2和微通道4的内表面粗糙度是否符合预期要求，若符合，则进入步骤S6；否则，返回步骤a)。
S6，将预先准备的微球置于步骤S5得到的微舱室2内，组成微光学元件。
微球3选用钛酸钡固体微球，其折射率可达2.2，微球3的具体尺寸需保证与微舱室2的底部尺寸相匹配。
放置微球3的具体方法为：将预先准备的微球3置于微舱室2内，并将去离子水溶液逐滴滴入微舱室2的内表面，通过去离子水溶液的流动性，微球3随去离子水溶液陷入微舱室2的底部，之后将微舱室2内表面及微球3表面的去离子水溶液烘干，即可得到微光学元件。
目前，微舱室2的结构尺寸仅可容纳一个微球3，微舱室2加工的结构尺寸可以根据微球3大小进行调整。通过该方法可将直径为50μm-1mm的微球3与对应微舱室2组合构成微光学元件。
同时，使用该方法，也可以在石英玻璃样品上制备多个微舱室2(具体方法同上述步骤)，并匹配对应尺寸的微球3，组成多个微光学结构，以便同时检测微通道4内的生物样品，扩大检测范围，提高检测效率。
S7，对步骤S6得到的微光学元件进行封装，得到微型细胞检测芯片(如图5所示)。
具体的封装方法为：
7.1)将透明薄膜5覆盖在基底样品改性微舱室2的一面，并在微舱室2上方的透明薄膜5上预留灌液入口6。透明薄膜5可选择薄石英玻璃片、PMMA薄膜、PDMS薄膜中的一种，也可根据实际情况进行相应选择。透明薄膜5可以通过胶黏剂、键合等方式紧贴于石英玻璃加工有微舱室2的一面。
7.2)在微通道4的入口端和出口端分别连接一根导管，用于待检测细胞液的输入及输出。
结合图6和图7所示，使用本实施例制备得到的微型细胞检测芯片对微生物细胞进行观察的方法如下：
图6为使用该微型细胞检测芯片观察微生物细胞的示意图。首先通过微通道入口注入待检测生物样品，由微球3以及微舱室2组成为微光学元件可以将微通道4内的待检测生物样品放大，此时，配合简易数码显微镜或低倍显微镜，即可实现用低倍物镜对待检测生物样品中细微生物细胞甚至病毒细胞的检测。
本实施例通过使用该微型细胞检测芯片(即由本发明的制备方法所制得)，配合低倍(10倍)物镜实现了对直径为5-7μm血红细胞的观察与检测分析。实测微光学元件可以将微通道内生物样品放大2-5倍(图7所示)，配合显微镜10倍镜头便可将生物样品放大20-50倍。
本实施例还可通过灌液入口6向微舱室2内灌注不同折射率液体(如水，或不同浓度的蔗糖溶液、乙醇溶液等)，从而改变微球3接触介质的折射率，进而实现微光学元件焦距可调谐的功能。
此外，基于上述微型细胞检测芯片观察到的结果，还可通过CCD相机等设备对微生物细胞在不同位置处的形态进行拍摄并获取其二维图像，并综合运用图像处理、视觉计算等技术，用计算机重建物体的三维信息，实现对微生物细胞的3D形貌观测。
Claims (9)
1.一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法，所述微型细胞检测芯片包括基底、设置在基底上部的微舱室、设置在微舱室内的微球以及设置在基底下部的微通道，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据微型细胞检测芯片的外形尺寸要求，预先准备基底样品；
S2，根据微型细胞检测芯片微舱室、微通道的结构及尺寸要求，在五轴加工系统中预先编译工作台的移动路径；所述工作台为五轴加工系统的五轴工作台；所述移动路径包括在改性微舱室和微通道时工作台的移动路径；所述改性采用飞秒激光器通过光学显微镜聚焦后进行扫描改性；
S3，将步骤S1的基底样品固定在步骤S2的工作台上，并使光学显微镜的焦点位于基底样品上微舱室改性区的初始位置；
S4，启动飞秒激光器和工作台，工作台随预先编译的移动路径进行移动，飞秒激光器通过光学显微镜进行聚焦后在基底样品上扫描，并在基底样品上依次得到微舱室和微通道的改性区域；
S5，对步骤S4微舱室和微通道的改性区域依次进行蚀刻、抛光处理，得到光滑的微舱室和微通道；
S6，将预先准备的微球置于步骤S5得到的微舱室内，组成微光学元件；所述微球的尺寸与微舱室的底部尺寸相匹配；
S7，对步骤S6得到的微光学元件进行封装，得到微型细胞检测芯片。
2.根据权利要求1所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
S1中，所述基底样品为石英玻璃样品。
3.根据权利要求2所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
S2中，所述微舱室的截面呈U型，改性该微舱室时工作台的移动路径为：自下至上进行的移动半径为Ri，移动高度为hi的圆形路径，其中，
Ri＝R-i*x
上式中，R为微舱室U型结构顶部的半径，i为根据微舱室尺寸要求设定的改性层数，i≥0，x为改性时每层的半径减少量，x取值为0.5～5μm；
所述微通道为直通道或螺旋状通道。
4.根据权利要求1或2或3所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
S5中，所述蚀刻是将经步骤S4改性的基底样品浸泡于浓度为5～8％的氢氟酸溶液中，通过超声刻蚀，刻蚀时间为2～3h。
5.根据权利要求4所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
S5中，所述抛光采用氢氧退火热抛光工艺，具体为：
a)将刻蚀后的基底样品在800℃～1100℃的温度下预热12～17s；
b)采用热抛光系统的火焰喷枪对预热后的基底样品在1200～1300℃的温度下进行抛光处理；所述抛光时间为12～15s；
c)抛光结束后将基底样品在自然环境下降温固化，待温度将至室温后，通过共聚焦显微镜进行测试，判断微舱室和微通道的内表面粗糙度是否符合预期要求，若符合，则执行步骤S6；否则，返回步骤a)。
6.根据权利要求5所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
步骤S6具体为，将预先准备的微球置于微舱室内，并将去离子水溶液逐滴滴入微舱室的内表面，直至微球随去离子水溶液陷入微舱室的底部，之后将微舱室内表面及微球表面的去离子水溶液烘干，即可得到微光学元件。
7.根据权利要求6所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
步骤S6中，所述微球选用钛酸钡固体微球，其折射率为1.8～2.2。
8.根据权利要求7所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
步骤S7中，所述封装的过程为：
7.1)将透明薄膜覆盖在基底样品改性微舱室的一面，并在微舱室上方的透明薄膜上预留灌液入口；
7.2)在微通道的入口端和出口端分别连接一根导管，用于待检测细胞液的输入及输出。
9.根据权利要求8所述的微型细胞检测芯片的一体化制备方法，其特征在于：
所述透明薄膜选择薄石英玻璃片、PMMA薄膜、PDMS薄膜中的一种。
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311530252.0A CN117463418A (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法 |
Publications (1)
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311530252.0A Pending CN117463418A (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 一种微型细胞检测芯片的一体化制备方法 |
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2023
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