CN1271215C - 塑料微流控分析芯片的封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种塑料微流控分析芯片的封装方法，首先利用微复制技术将模板上的微通道图案复制到塑料片上，然后将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按比例混合，经真空脱气、浇铸固化后制成的聚二甲基硅氧烷薄片放置到塑料基片上，在塑料基片外围涂上紫外固化粘合剂后，再贴一片塑料片组成三层结构来增强封装强度，经紫外光照后，完成塑料芯片的封装。本发明工艺简单，微通道保真度高，没有微通道的变形和堵塞现象，得到的塑料微流控芯片具有很高的封装强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种塑料微流控分析芯片的封装方法，利用聚二甲基硅氧烷(PDMS：Polydimethylsiloxane)与塑料之间的自然亲和性，无需粘接剂而完成芯片的封装，属于微机电系统(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems)和分析检测技术领域。
背景技术
微流控分析(Microfluidic analysis)又称为芯片实验室(Lab on a chip)，是近年来迅速崛起的一种微分离分析方法。这种新方法的核心技术在于微流控分析芯片的制备。早期人们主要采用一些无机材料(如硅、石英、玻璃和陶瓷等)，利用光刻和化学蚀刻技术制备微流控分析芯片(Seiler K.，et al，Anal.Chem.，1993，65，1481-1488.)。这种芯片散热和光学性能好，分离效率高，已用于DNA序列分析，多肽和蛋白质分析，药物和环境污染物分析。但是，无机基质芯片制备步骤繁多，通道形状及尺寸难以准确的控制，封装难度大，不能批量生产，故价格昂贵。近年来，人们将微流控分析芯片制备材料转向高分子化合物(如聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯和硅橡胶等)，主要利用微复制技术(如热压和浇铸等)制备芯片(Martynova L.，et al.，Anal.Chem.，1997，69，4783-4789.；Duffy DC.，et al.，Anal.Chem.，1998，70，4974-4984.)。
塑料材料价格便宜，有良好的绝缘性，可施加高电场实现快速分离，成形容易，批量生产成本低，易获得高深宽比的微结构，且电渗流与溶液的pH值基本无关，具有广阔的应用前景，已引起国内外极大的关注。但其热封装后微通道变形仍是没能很好解决的难题，虽然可以采用粘接方法，但粘接剂易堵塞微通道。
目前已有硅橡胶(PDMS)与玻璃进行封装的相关专利，如“硅橡胶-玻璃永久粘合型微流控分析芯片的制备方法”(任吉存等，中国发明专利申请号：02 1 45102.8)。该发明没有使用任何粘合剂实现了硅橡胶-玻璃芯片永久性粘合，具有制备工艺简单，微通道保真度高，能批量生产等特点。但PDMS微流芯片采用浇铸方法制备，其加工成本和加工周期均高于热塑性塑料材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塑料微流控分析芯片的封装方法，以克服目前热封装方法微通道变形的问题和粘接方法的微通道堵塞问题。
为实现上述目的，本发明首先利用微复制技术将模板上的微通道图案复制到热塑性塑料片上，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按比例混合，经真空脱气、浇铸固化后制成PDMS薄片，然后利用聚二甲基硅氧烷与塑料之间的自然亲和性，将复制了微通道的塑料基片和PDMS片贴合，在塑料基片外围涂上紫外固化粘合剂后再贴一片塑料片组成三层结构来增强封装强度，经紫外光照后，完成塑料芯片的封装，得到永久封合的塑料微流控芯片。
本发明的方法具体包括如下步骤：
1、微通道图案复制：
将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上，基板上放置一片0.8-2mm厚的热塑性塑料基片，塑料基片每条边的尺寸大于模具8-10mm，升温至140-170℃，施加1-5kN的压力对塑料基片进行模压，保持60-120秒，冷却至40-80℃脱模，取出复制有微通道图形的塑料基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，得到含有通孔和微通道图案的塑料基片。
本发明采用的热塑性塑料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA：Polymethylene methacrylate)、聚苯乙烯(PS：Polystyrene)、聚氯乙烯(PVC：Polyvinylene chloride)、聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)等材料。
2、聚二甲基硅氧烷(PDMS)片的制备：
将PDMS预聚体与固化剂按10-15∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在65-80℃下固化2-3小时后，将固化后的PDMS片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具大小备用。
3、封装：
将含有通孔和微通道图案的塑料基片清洗、干燥，然后将PDMS薄片放置于塑料基片上并去除气泡，在塑料基片外围涂上紫外固化粘合剂，然后再贴一片塑料片组成三层结构并固定，经紫外光照5-10分钟后，完成塑料芯片的封装。
本发明工艺简单，由于在室温下进行封装，微通道保真度高，没有微通道的变形现象，PDMS薄片既作为密封材料，又阻止了粘合剂进入微通道，无微通道堵塞现象，得到的塑料微流控芯片具有很高的封装强度。
具体实施方式
以下通过几个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
(1)微通道图案的复制
将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上部，底部放置0.8mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片，PMMA基片每条边的尺寸大于模具8mm，首先升高温度到150℃，在1000N压力下保持60秒，然后冷却，降温至60℃时脱模，打开腔体，取出复制有微通道图形的PMMA基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，得到具有通孔和微通道图案的PMMA基片。
(2)PDMS片的制备
将PDMS预聚体(罗地亚公司产，V-3040A)与固化剂(V-3040B)按10∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在65℃度下固化3小时后，将固化后的PDMS片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具大小备用，PDMS片的厚度约为0.6mm。
(3)封装
将复制有微通道的PMMA基片和PDMS片用丙酮、酒精、去离子水清洗干净后，干燥，然后将PDMS薄片放置到PMMA基片上，再在PDMS薄片以外的PMMA基片上(PMMA基片外围)涂上紫外固化粘合剂，将一片PMMA片贴到上面组成三明治结构，并用夹子夹紧，置于低压汞灯(6mW)下照射5分钟，完成芯片封合。
实施例2：
(1)微通道图案的复制
将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上部，底部放置1.2mm厚的聚苯乙烯(PS)基片，PS基片每条边的尺寸大于模具9mm。首先升高温度到140℃，施加2000N力并保持90秒，然后冷却至50℃时脱模，打开腔体，取出复制有微通道图形的PS基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，得到具有通孔和微通道图案的PS基片。
(2)PDMS片的制备
将PDMS预聚体(罗地亚公司产，V-3040A)与固化剂(V-3040B)按12∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在70℃下固化2.5小时后，将固化后的PDMS片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具大小备用，PDMS片的厚度约为0.8mm。
(3)封装
将复制有微通道的PS基片和用酒精、去离子水清洗干净后，干燥，然后将PDMS薄片放置到PS基片上，再在PS基片外围涂上紫外固化粘合剂，将另一片PS贴到上面组成三明治结构，并用夹子夹紧，置于低压汞灯(6mW)下照射7分钟，完成芯片封合。
实施例3：
(1)微通道图案的复制
将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上部，底部放置1.5mm厚的聚碳酸酯(PC)基片，PC基片每条边的尺寸大于模具10mm。首先升高温度到170℃，施加5000N力并保持120秒，然后冷却至80℃时脱模，打开腔体，取出复制有微通道图形的PC基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，得到具有通孔和微通道图案的PC基片。
(2)PDMS片的制备
将PDMS预聚体(罗地亚公司产，V-3040A)与固化剂(V-3040B)按15∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在80℃下固化2小时后，将固化后的PDMS片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具大小备用，PDMS片的厚度约为0.5mm。
(3)封装
将复制有微通道的PC基片和用酒精、去离子水清洗干净后，干燥，然后将PDMS薄片放置到PC基片上，再在PC基片外围涂上紫外固化粘合剂，将另一片PC贴到上面组成三明治结构，并用夹子夹紧，置于低压汞灯(6mW)下照射10分钟，完成芯片封合。
实施例4：
(1)微通道图案的复制
将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上部，底部放置2mm厚的聚氯乙烯(PVC)基片，PVC基片每条边的尺寸大于模具10mm。首先升高温度到140℃，在2000N压力下保持80秒，然后冷却，降温至40℃时脱模，打开腔体，取出复制有微通道图形的PVC基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，得到具有通孔和微通道图案的PVC基片。
(2)PDMS片的制备
将PDMS预聚体(罗地亚公司产，V-3040A)与固化剂(V-3040B)按13∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在75℃度下固化2.5小时后，将固化后的PDMS片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具大小备用，PDMS片的厚度约为0.7mm。
(3)封装
将复制有微通道的PVC基片和PDMS片用丙酮、酒精、去离子水清洗干净后，干燥，然后将PDMS薄片放置到PVC基片上，再在PVC基片外围涂上紫外固化粘合剂，将一片PVC片贴到上面组成三明治结构，并用夹子夹紧，置于低压汞灯(6mW)下照射8分钟，完成芯片封合。
Claims (2)
1、一种塑料微流控分析芯片的封装方法，其特征在于包括如下步骤：
1)微通道图案复制：将含有微通道凸图形的硅或金属模具安装在模压机上，基板上放置一片0.8-2mm厚的热塑性塑料基片，塑料基片每条边的尺寸大于模具8-10mm，升温至140-170℃，施加1-5kN的压力对塑料基片进行模压，保持60-120秒，然后冷却至40-80℃脱模，取出复制有微通道图形的塑料基片，然后根据微通道图案在相应位置钻孔，并用去离子水超声清洗干净，得到含有通孔和微通道图案的塑料基片；
2)聚二甲基硅氧烷片的制备：将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按10-15∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到不锈钢模具上，再压上一片玻璃片，在65-80℃下固化2-3小时后，将固化后的聚二甲基硅氧烷片从不锈钢模具上揭下，切割成略小于模具尺寸备用；
3)封装：将含有通孔和微通道图案的塑料基片清洗、干燥，然后将聚二甲基硅氧烷片放置于塑料基片上并去除气泡，在塑料基片外围涂上紫外固化粘合剂，然后再贴一片塑料片组成三层结构并固定，经紫外光照5-10分钟后，完成塑料芯片的封装。
2、如权利要求1的塑料微流控分析芯片的封装方法，其特征在于所述的热塑性塑料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯。
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