CN1811421A - 一种微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，首先进行底面和侧面均带有亚微结构的玻璃母模芯片的制作，利用玻璃母板芯片制备三面或全通道均具有亚微结构的全玻璃芯片或全玻璃混合芯片，或通过浇注聚合物翻模得到与玻璃母板微结构互补的阳模，利用该阳模再次浇注复制得到具有玻璃母板结构的聚合物基材的芯片，进而通过封合制得全聚合物混合芯片或复合芯片。本发明方法可以用玻璃为基础材料，基材成本低，机械强度高，光学透明，对制作环境无特殊要求，只需一次曝光和一次刻蚀，形成的混合通道中的亚微结构具有一定的流线型，在微流控分析芯片及微流动化学反应器工程中有广泛的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及微流控分析芯片化测试技术领域和微型化学反应工程领域，具体涉及一种微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法。
背景技术
试剂和物料的混合是分析测试和不同反应物进行化学反应的基本条件和操作。混合是一个自发过程，可以通过分子扩散的方法自然进行。然而，自然混合效率很低，表现为需要的时间长，或者运行距离长，很难满足需要。为了提高效率，需要引入自然混合之外的其他方法加以改进。对于宏观反应器，混合可通过强制搅拌的方法得到有效改善。对于管道中的流动混合和反应，通常利用湍流来改善混合效率。
微流控芯片技术的一个重要目标是在微型化的平台上实现高效快速的分析测试，同时达到节省试剂的目的。在微型化平台进行快速化学反应研究及某些特种化合物的合成及生产也日益受到人们的关注。尺度的缩小对利用分子扩散提高混合效率有利(Einstein定律)，但其效率仍不能满足微流控芯片技术的要求。宏观体系中常用的旨在提高混合效率的方法在微系统中难以直接照搬。特别是在微流控芯片尺度和工作环境下，流体均处在层流状态，在此状态下使混合更加困难，流动状态下自然达到完全混合需要的距离尺度远远超过芯片的尺度。针对微流控系统中流动混合效率低的难题已经有了大量的研究。通常采用两种方法：一是主动混合，一种是和本发明相关的被动混合。前者通过在系统中引入动力的方法改善传质，促进混合。例如外加磁场和微磁性粒子的使用，模拟宏观体系的磁力搅拌(Manipulation ofSelf-Assembled Structures of Magnetic Beads for Microfluidic Mixing and Assaying，Rida，A.；Gijs，M.A.M.Anal.Chem.2004；76(21)：6239-6246)。该法效果虽好，但是实施技术难度高。后者则利用通道的结构变化对处于层流状态的物料流体加以扰动达到促进混合的目的。该法无需外部动力，利用系统本身的几何结构资源和自身的流动为动力即可使混合效率得到显著的提高。一个成功的例子是利用微通道底面上的亚微结构扰流，使层流变为混沌流，混合效率得到显著改善(Chaotic Mixer for Microchannels，Stroock，A.D；Dertinger，S.K.W.；Aidari，A.；Howard，I.M.，Science，2002，295：647-651)。为了在微混合和反应通道中形成亚微结构，现有方法均涉及二次曝光，为了在通道中形成三面具有亚微结构的微通道甚至需要三次曝光(PDMS microchannels with slanted grooves embedded in three walls to realize efficient spiralflow，Sato，H.；Ito，S.；Tajima，K.；Orimoto，N.；Shoji，S.，Sensors andActuators4，2005，119：365-371)，工艺过程复杂，对设备和材料条件要求高，而且均涉及经聚合物再复制才能最终得到聚合物混合芯片。
发明内容
针对现有微流控芯片中流动混合技术的不足之处，本发明提供一种微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法。
制作过程主要分为三个部分，一是母板芯片的制作，二是由母板芯片打孔后与盖片封合得到混合芯片，三是玻璃母板芯片经翻模制成阳模后再复制得到复制芯片，然后再与盖片封合得到混合芯片。盖片用于与带有开放微结构的母板芯片或复制芯片封合形成微混合通道，盖片可以用平片，也可以用带有微结构的芯片面对面与芯片封合形成微混合通道。与微通道连通的孔用于流体物料的引入和导出。具有微通道和亚微结构的玻璃母板芯片的制作是直接制作芯片和通过复制制作混合芯片的基础，制作流程参见图1。首先根据混合器的布局和内部结构的要求设计由黑白组成的掩模，将掩模图形以胶片等介质形式输出，一次曝光将掩模图形转移到涂有光胶的基材上，利用所用基材(玻璃，石英等)及刻蚀剂的各向同性特征，一次刻蚀得到所需深度的微通道及微通道内的亚微结构。微通道内的亚微结构用于促进流体的横向流动，从而在流动过程中促进混合和反应。微通道的布局及混合通道内的亚微结构形状可根据需要进行设计和变化。去掉基材表面的光胶及保护层后得到母板芯片。基于玻璃母板芯片制作微混合器的流程如图2所示。在母板玻璃芯片上微通道端点打孔后，与玻璃平片或其他材质的平片封合得到全玻璃或复合材料的微混合芯片。两个或两个以上的孔用于混合物或反应物料流体的引入，一个或两个以上的孔用于混合流体引出。孔也可以打在平片的相应位置上。两片均有微通道和亚微结构的玻璃母板芯片对齐封合形成全通道内均有亚微结构的全玻璃混合芯片。基于玻璃母板的复制制作微混合器的流程如图3所示。以玻璃母板芯片作为阴模，用原位聚合方法制作与母板芯片微结构互补的阳模，再用聚合物原位聚合的方法复制该阳模，剥离后得到与母板微结构相同的聚合物复制芯片。复制芯片经打孔后与同质或不同材质的平片封合制得全聚合物或复合材料芯片。两片均有微通道和亚微结构的复制芯片之间对齐封合形成全通道内均有亚微结构的全聚合物混合芯片。
以铬版玻璃为基材的制作方法结合图4详细介绍如下。(1)掩模设计和制作：利用图形生成软件(例如CorelDrawTM)根据微混合器设计要求生成完全由黑白(透光和不透光)区域组成的掩模图形，由激光照排机(分辨率大于2400dpi)打印到聚酯胶片上。(2)光胶曝光显影：利用紫外光光刻的方法一次完全曝光20～50秒，将掩模上的图形转移到铬板玻璃基材上，经0.5％NaOH溶液显影40～60秒后，将未曝光部分去掉，暴露出牺牲层；然后转移到烘箱中110℃加热15～30分钟。(3)去显影区铬层：将上述步骤基材在去铬液(70％HClO4104ml+(NH4)2Ce(NO3)6400g+1760ml H2O)中晃动约2分钟，洗掉显影图形上的铬保护层。(4)刻蚀：于含有氢氟酸(1∶1v/v 1mol/L NH4F-HF或1∶2∶7v/v/v HF-HNO3-H2O)的刻蚀液中，对暴露的玻璃基底进行各向同性刻蚀，控制刻蚀温度(室温到40℃)、时间(1～160分钟)和刻蚀条件(静止或摇动)，一次性刻蚀得到一定深度(1～500um)的微通道，同时得到通道内亚微结构，亚微结构的形状及尺寸特征根据需要由掩模图形形状和各向同性的刻蚀程度决定。(5)去光胶：将上述步骤得到的基材置于2％的NaOH溶液或无水乙醇中，在室温下晃动约3分钟去掉基材上残余的光胶。(6)去铬层：用去铬液去掉所有的铬保护层，得到具有微通道和通道内亚微结构的玻璃母模芯片。(7)原位聚合阳模制作：将甲基丙烯酸甲酯(MMA)与交联剂1∶0.001～0.003w/w混合，在加热或紫外光照条件下固化完成原位固化，形成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)阳模。(8)脱模：将聚合固化的PMMA与玻璃母板剥离，得到与母板微结构互补的PMMA阳模。(9)原位聚合芯片复制：将商品化聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体和交联剂(Sylgard 184型，Dow Corning Corp.，USA)混合浇注在PMMA阳模上，在60～100℃下加热30分钟～2小时完成PDMS的原位聚合。(10)脱模复制芯片：将聚合的PDMS与PMMA阳模剥离得到与玻璃母板微结构相同的PDMS复制芯片。(11)封合：在玻璃母板芯片或复制得到的PDMS芯片的微通道端点打孔后，将玻璃母板芯片或复制得到的PDMS芯片与盖封合得到微混合芯片。对于PDMS芯片，用打孔器打孔后，置于氧等离子清洗器中，在0.1MPa空气条件下处理20～120秒进行表面活化，与PDMS或玻璃盖片封合得到混合芯片。表面活化也可以用紫外灯照射2～6小时进行。玻璃芯片用金刚砂钻头打孔用于物料的出入。玻璃芯片封合前经丙酮、洗涤剂去油污，去离子水清洗，烘干后将玻璃芯片置于硫酸或硫酸-双氧水中，于加热条件下(80～120℃)进行表面水化处理15分钟到2小时，再用去离子水清洗，然后在流动的去离子水中将玻璃芯片贴合，热风吹干后在马福炉中升温(升温速度1～3℃/分钟)到420～550℃，保持3小时后自然冷却到室温进行封合得到全玻璃芯片。
本发明的突出特点在于：(1)利用各向同性刻蚀特点，通过掩模设计和刻蚀程度控制，一次曝光一次刻蚀即可在得到微通道的同时，在通道内形成具有一定立体和流线型的亚微结构，该亚微结构可有效促进微通道内流体的流动混合；(2)利用聚合物原位聚合的方法可方便的实现翻模和混合芯片的复制；(3)该法即可用于全玻璃混合芯片的制作，又可用于全聚合物和复合材料混合芯片的制作。
本发明针对微流控芯片中的被动微混合/反应器的制作难题，提供了一种快速简便制作微通道和在微通道中形成促进混合和反应的多层次亚微结构的方法。该法既可以制作全玻璃混合芯片，又可以经转化为阳模进而进行大量复制，用于聚合物或复合材料的微混合芯片制作。如上方法形成的具有多层次微结构的微通道可用于促进流动过程中的被动混合，用作涉及试剂混合和多个物料化学反应的微型混合/反应器的制作。本法加工的微混合器无论是在压力驱动下的物料流体还是电渗/电泳运动中的物料分子的混合均很有效。本发明方法可以用玻璃为基础材料，基材成本低，机械强度高，光学透明，对制作环境无特殊要求，只需一次曝光和一次刻蚀，形成的混合通道中的亚微结构具有一定的流线型，在微流控分析芯片及微流动化学反应器工程中有广泛的应用潜力。
附图说明
图1为玻璃母板芯片加工流程图。
图2为基于玻璃母板芯片封合的芯片加工流程图。
图3为以母板芯片为阴模制成阳模后再进行复制的芯片加工流程图。
图4为以铬版玻璃基材的母板芯片制作及PMMA和PDMS复制过程示意图，其中(a)掩模；(b)曝光显影；(c)显影区去牺牲层；(d)刻蚀；(e)去光胶；(f)去牺牲层(玻璃母板芯片)；(g)PMMA原位聚合；(h)PMMA阳模；(i)PDMS原位聚合；(j)脱模(PDMS复制芯片)；(k)封合；(l)图例说明。
图5为玻璃母板芯片图，其中(a)掩模示意图，主通道宽150um，亚微结构宽度50微米，间距100微米；(b)玻璃母板微通道及内部亚微结构扫描电镜俯视图(放大倍数100)；(c)玻璃母板微通道内亚微结构扫描电镜俯视图(放大倍数240)；(d)玻璃微通道显微CCD截面图(25倍显微物镜)。
图6为打孔封合后得到的全玻璃混合芯片照片。
图7为聚合物芯片复制结果显微CCD图，10倍显微物镜，(a)PMMA阳模俯视图；(b)PMMA阳模截面图；(c)PDMS复制芯片截面图；(d)PDMS复制芯片与PDMS盖片封合后的截面图。
图8为混合效果图，其中(a)压力流下的混合效果图，(b)电渗流下的混合效果图，(c)电泳运动下的混合效果图。
具体实施方式
图5展示了一个Y形微混合器玻璃母板的制作过程。该混合器有两个物料引入通道，主混合通道中有鱼骨状亚微结构。掩模用分辨率3000dpi激光照排机打印到聚酯胶片。采用商品化有铬层和AZ1805正光胶的玻璃基材(长沙韶光微电子总公司SG2506型，铬版铬厚145nm，胶厚550nm)，用100W高压汞灯紫外光源，用JKG-2A光刻机型(上海学泽光学机械有限公司)曝光30秒。于0.5％ NaOH中轻轻摇动显影45秒，烘箱中110℃20分钟后，在去铬液(70％HClO4 104ml+(NH4)2Ce(NO3)6400g+1760ml H2O)中晃动2分钟去掉暴露的铬保护层。用1∶2∶7体积比的HF-HNO3-H2O刻蚀液水浴35℃静态一次刻蚀20分钟后，用2％NaOH溶液晃动3分钟去掉光胶后，再于去铬液中晃动3分钟去掉铬保护层。图5(a)为所用的Y形混合器掩模示意图，掩模微通道宽度150um，亚微结构宽度50um，间距100um。图5(b)为刻蚀后得到的微通道截面显微CCD图(25倍显微物镜)，微通道宽度260um，深度53um，脊形亚微结构高度8um。图5(c)为Y形混合通道交汇处扫描电镜俯视图(放大倍数100)。图5(d)为微混合通道内亚微结构的扫描电镜俯视图(放大倍数240)。如上表征图表明，通过掩模的设计和刻蚀程度的控制，一次曝光，一次刻蚀，在得到微混合通道的同时在通道内也形成了促进流动混合的亚微结构。
利用以上制作的母板玻璃芯片和平片玻璃封合得到的全玻璃芯片，如图6照片所示。在母板芯片上通道端点处用直径1mm的金刚砂钻头打孔。盖片为长沙韶光微电子总公司SG2506型抛光片玻璃。玻璃母板芯片和平片玻璃先用丙酮和洗涤剂进行去油处理，去离子水清洗后烘干，于7∶3(v/v)H2SO4-H2O2混合液100℃处理45分钟，去离子水清洗后贴合，手持电热吹风机吹干后于马福炉中在3小时内从室温升温到450℃，保持3小时后自然降温到室温。
图8给出了用不同示踪剂显示的利用本发明制作的全玻璃混合芯片在不同流动状态下的混合效果显微CCD图片。该试验系用玻璃母板和平片玻璃封合得到的图6全玻璃混合芯片进行的。混合微通道总长5.5cm，微通道内亚微结构同图5(d)，微通道宽260um，深53um。混合效果用IBE2000倒置荧光显微镜(重庆光电仪器有限公司)观测，CCD摄取图片，利用图像采集卡和计算机将图像以文件形式记录。将待混合的两个物料分别置于两个进口储液池中，在注射泵或直流高压电的驱动下使两个物料在流动过程中于微混合通道中进行混合。在两个液流混合点的下游1.5cm和3.0cm处观测混合效果。压力流下的混合试验(图8(a))用注射泵在混合芯片的出口以一定流量(1.25ul/min)吸动分别置于两个进口的染料溶液和无色溶液进行。电渗流下的混合试验(图8(b))是在两个进口和出口间施加1500V高电压条件下(出口接负极)，以10mM Na2CO3-NaHCO3缓冲溶液(pH 9.3)中1mM的罗丹明B荧光染料在50W高压直流汞灯光源的激发下观测得到的。两个进口分别加入相同体积的荧光试剂和背景缓冲溶液，出口储液池也加入等体积的背景缓冲溶液。罗丹明B在该体系中的荷电为零，在电场中随微通道中的电渗流一起沿电场方向运动。电泳运动条件下的混合(图8(c))是用1mM荧光素分子观测的。将等体积的荧光素溶液和背景缓冲溶液分别置于两个进口储液池中，出口储液池也加入等体积的背景缓冲溶液。在进口和出口间施加2500V的直流高电压(出口接正极)，以高压汞灯为激发光源观测记录混合通道上不同位置的荧光图像。在所用缓冲介质中，荧光素分子带负电，且其淌度大于微通道中的电渗淌度，在玻璃微通道中运动方向与电场方向相反。由提供的图片可见，本法加工的微混合器无论是在压力驱动下的物料流体还是电渗/电泳运动中的物料分子的混合均很有效。
将25ml甲基丙烯酸甲酯(MMA)和0.07g交联剂(过氧化苯甲酰)混合，83℃水浴加热40分钟后浇注在上述方法制备的玻璃母板有微结构一侧，通风厨中40℃沙浴24小时，再于烘箱中100℃下加热2小时，在烘箱中自然冷却到室温后剥离，得到与玻璃母板微结构互补的PMMA阳模。图7(a)为用如上PMMA原位聚合翻模得到和玻璃母板微结构互补的PMMA阳模显微CCD俯视图，图7(b)为该PMMA阳模的截面图，可见母板玻璃上的微通道及通道内的亚微结构被成功翻模。将双组分PDMS预聚体及固化剂(Sylgard 184型，Dow Corning Corp.，USA)按重量比1∶10混合后浇注在PMMA阳模上，于烘箱中75℃加热40分钟，在烘箱外自然冷却到室温后剥离，得到PDMS复制芯片，图7(c)为PDMS复制芯片的截面图。PDMS复制芯片经氧等离子体清洗器(PDC-32G型，HARRICK，USA)于18W、真空度0.1MPa条件下处理60秒后，直接与用同法处理的PDMS平片贴合，实现了全PDMS混合芯片的制作，图7(d)为封合后的PDMS混合芯片截面图。由该实施例可见，玻璃母板芯片用聚合物原位聚合的方法，成功实现PMMA翻模和PDMS复制，用等离子体表面活化方法成功实现了封合。
上述方法得到的PDMS复制芯片置于氧等离子体清洗器(18W，真空度0.1MPa)中处理60秒，取出后直接与长沙韶光微电子总公司SG2506型抛光片贴合得到满意的封合，得到PDMS-玻璃复合材料混合芯片。
Claims (7)
1、一种微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于以铬版玻璃为基材，工艺步骤如下：
(1)设计和制作掩模；
(2)光胶曝光显影：利用紫外光光刻的方法一次完全曝光20～50秒，将掩模上的图形转移到铬板玻璃基材上，经NaOH溶液显影40～60秒后，将未曝光部分去掉，暴露出牺牲层；然后转移到烘箱中110℃加热15～30分钟；
(3)去显影区铬层；
(4)刻蚀：于含有HF的刻蚀液中对暴露的玻璃基底进行各向同性刻蚀，控制刻蚀温度室温～40℃、时间1～160分钟，静止或摇动，一次性刻蚀得到深度1～500um的微通道，同时得到通道内亚微结构；
(5)去光胶：将上述步骤得到的基材置于NaOH溶液或无水乙醇中，在室温下晃动去掉基材上残余的的光胶；
(6)去铬层：用去铬液去掉所有的铬保护层，得到具有微通道和通道内亚微结构的玻璃母模芯片；
(7)原位聚合阳模制作：将甲基丙烯酸甲酯与交联剂1∶0.001～0.003重量比混合，在加热或紫外光照条件下固化完成原位固化，形成聚甲基丙烯酸甲酯阳模；
(8)脱模：将聚合固化的聚甲基丙烯酸甲酯与玻璃母板剥离，得到与母板微结构互补的聚甲基丙烯酸甲酯阳模；
(9)原位聚合芯片复制：将商品化聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂混合浇注在聚甲基丙烯酸甲酯阳模上，在60～100℃下加热30分钟～2小时完成PDMS的原位聚合；
(10)脱模复制芯片：将聚合的PDMS与PMMA阳模剥离得到与玻璃母板微结构相同的PDMS复制芯片；
(11)封合：在玻璃母板芯片或复制得到的PDMS芯片的微通道端点打孔后，将玻璃母板芯片或复制得到的PDMS芯片与盖片封合得到微混合芯片。
2、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(1)所述设计和制作掩模的方法为：利用图形生成软件根据微混合器设计要求生成完全由黑白区域组成的掩模图形，由分辨率大于2400dpi的激光照排机打印到聚酯胶片上。
3、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(3)所述去显影区铬层的方法为：将经步骤(2)处理的基材在配方为70％HClO4104ml+(NH4)2Ce(NO3)6400g+1760ml H2O的去铬液中晃动120±20秒，洗掉显影图形上的铬保护层。
4、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(7)、(8)所述方法具体为：将25ml甲基丙烯酸甲酯和0.07g过氧化苯甲酰交联剂混合，83℃水浴加热40分钟后，浇注在步骤(6)得到的玻璃母模芯片有微结构一侧，通风厨中40℃沙浴24小时，再于烘箱中100℃下加热2小时，在烘箱中自然冷却到室温后剥离，得到与玻璃母板微结构互补的PMMA阳模。
5、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(9)、(10)所述方法具体为：将Dow Corning Corp.，USA的Sylgard 184型双组分PDMS预聚体及固化剂，按重量比1∶10混合后浇注在PMMA阳模上，于烘箱中75℃加热40分钟，在烘箱外自然冷却到室温后剥离，得到PDMS复制芯片。
6、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(11)所述方法具体为：对于PDMS芯片，在通道端点用打孔器打孔后，置于氧等离子清洗器中在0.1MPa空气条件下处理20～120秒进行表面活化，或用紫外灯2～6小时表面活化，与PDMS或玻璃盖片封合得到混合芯片。
7、按照权利要求1所述的微流控芯片中被动微混合器和微反应器的制作方法，其特征在于步骤(11)所述方法中全玻璃芯片的封合方法为：在玻璃芯片通道端点用金刚砂钻头打孔，玻璃芯片封合前经丙酮、洗涤剂去油污，去离子水清洗，烘干后将烘干后将玻璃芯片置于硫酸或硫酸-双氧水中，于80～120℃加热条件下进行表面水化处理15分钟～2小时，再用去离子水清洗，然后在流动的去离子水中将玻璃芯片贴合，热风吹干后在马福炉中升温到420～550℃，控制升温速度1～3℃/分钟，保持3小时后自然冷却到室温进行封合得到全玻璃芯片。
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