CN1865924A - 一种带z型光度检测池的微流控芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，它包括以下步骤：1)利用绘图软件绘制芯片中上、下两层通道的图形并输出；2)采用常规光刻方法制出两张阳模，并进行烷基化处理；3)在两所述阳膜中间垫入一U形垫圈，形成一U形液槽；4)向所述U形液槽内灌入经过真空脱气处理的聚二甲基硅氧烷单体和引发剂，并真空加热固化；5)拆开两侧阳模得到PDMS薄片，并打孔；6)制作两上、下盖片，7)将上、下盖片与PDMS薄片贴合在一起，并用光源进行照射，即得含有Z型光度检测池的微流控芯片。本发明方法无需任何高标准的仪器设备即可随时制作，而且加工过程简便易行，成本低。本发明方法可以广泛用于各种微流控芯片的加工制作中。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片的制作方法，特别是关于一种带Z型光度检测流动池的微流控芯片的制作方法。
背景技术
微流控系统是上世纪九十年代开始发展的一种分析技术，它利用微加工工艺在芯片上制作微通道、微反应器和微检测器等功能单元构成微系统，用来完成传统化学和生物学等分析、检测的操作过程，具有便携、高通量、功能灵活、低样品和低试剂消耗量等特点。
吸光度检测是一种重要的检测方式，在液相系统、毛细管电泳系统中有着广泛的应用，但是目前在微流控芯片上直接进行吸光度检测的研究很少，主要原因是：(1)微流控芯片通道直径很小，有效光程一般只有数十微米，远小于吸光度检测的要求；(2)微流控芯片通道的外壁厚度一般在2mm以上，引入的背景吸收相对非常大，而且会增大光路发散面积；(3)目前使用最多的光刻法制成的光窗为平凹面镜，是非平面的，其表面较为粗糙，易造成光路折射和散射。以上原因造成目前的微流控芯片毛细通道不适合直接作吸收池进行光度检测。
Z型吸光度检测池是微液相系统中发展起来的一种在微小流动池体积下增加光程、提高检测灵敏度的结构，目前很多商品仪器均采用该流动检测池结构，一些仪器可以在数十纳升的流动池体积下做到5mm光程，将这种技术应用于微流控芯片的集成光度检测，可以比较好地解决微流控芯片目前由于光程短而无法进行光度检测的问题。然而将Z型光度检测流动池集成到微流控芯片上的制作有一定的难度：(1)在微流控芯片上制成折线型的通道，在与芯片平行的方向进行检测，不容易实现，因为目前低成本的方法制成的微通道侧壁多为弧形，而且光路需要引入光导纤维等部件，不易加工而且测量重复性也不好；(2)使用离子深刻蚀等技术制作形状规整的吸收池，其成本过高；而且将通道刻蚀在上下盖片上的方法不适合制作Z型流动池，因为用普通的刻蚀方法制成的两面的光窗不易做成平面；(3)采用外接检测池的方法进行微流控芯片光度检测，因增大死体积会造成信号展宽，同时也会因系统复杂而造成成本过高，也不是理想的解决方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低，光窗光洁，加工方便的带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，它包括以下步骤：1)利用绘图软件绘制芯片中上、下两层通道的图形并输出，所述上层图形包括上层通道、储液池凹槽，储液池通孔和Z型池通孔，下层图形包括下层通道、储液池通孔及Z型池通孔；2)采用常规光刻方法制出两张阳模，两所述阳模的一面分别刻有凸起的图形，然后采用常规方法对阳模表面进行烷基化处理；3)将两所述阳模的凸起图形对准，且在两所述阳膜中间垫入一U形垫圈，然后用夹具夹紧所述两阳模垂直加压固定，形成一U形液槽；4)将所述U形液槽开口向上，向所述U形液槽内灌入经过真空脱气处理的聚二甲基硅氧烷单体和引发剂，并将所述U形液槽置于真空烘箱中，在0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热3～5h至完全固化；5)然后取出U形液槽，拆开两侧阳模得到双面刻有凹通道槽和凹储液池通孔槽，顶面刻有储液池凹槽的PDMS薄片，用打孔设备在所述PDMS薄片上打通Z型池通孔连通上下层通道，打通PDMS薄片上的所述储液池通孔；6)用常规方法制作出两片厚度为20～200um的PDMS薄膜，其中一片不含结构的PDMS薄膜作为下盖片，另一片PDMS薄膜作为上盖片，在与所述PDMS薄片上的储液池凹槽和储液池通孔相对应开设通孔；7)将步骤6)制作好的PDMS薄片放置在所述上盖片和下盖片之间作为中间片，采用常规方法将上、下盖片和中间片贴合在一起，并用光源进行照射，即得含有Z型光度检测池的微流控芯片。
在步骤7)中，将所述上、下盖片和中间片贴合在一起后，利用紫外光源，照射时间为2～8h。
在实施步骤7)前，先分别对所述上、下盖片和中间片进行2h以下的紫外光源照射，再将所述上、下盖片和中间片贴合在一起，继续照射2～6h。
在实施步骤7之前，先分别对所述上、下盖片和中间片进行等离子体辐照后再贴合。
在实施步骤4)前，先将聚二甲基硅氧烷单体和引发剂置于敞口容器中，在真空烘箱中0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热30～60分钟。
所述U形垫圈的厚度为100～2000um。
所述上、下盖片的厚度分别为20～200um。
至少在所述上、下盖片之一上设置一薄片作为固定芯片的支撑架，并至少对应所述Z型光度检测池在所述薄片上打孔。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于采用本发明方法在微流控芯片上制作的吸光度检测池具有Z型光度检测池结构，因此检测池体积小，光程可以做到较长；检测池的尺寸不受通道的形状和尺寸影响，可根据需要设计制作；同时由于采用贴合透光薄片的方法制作光窗，因此光窗光洁、平整、厚度薄且互相平行；以上特性使本发明制作的Z型光度检测池具有良好的性能，适合用于微流控芯片吸光度检测。2、采用本发明方法制作的微流控芯片，含有垂直芯片平面的吸光度检测池，可以使检测光路垂直于微流控芯片穿越Z型光度检测池，因此光源和检测器可以垂至于芯片平面设置，方便吸光度检测仪器的设计与制作。3、本发明由于在加工(聚合)过程中使用了低温慢速聚合、抽真空排气的方法，因此加工出的双面带有通道的PDMS薄片，厚度最薄可以达到100um，克服了常规方法在如此薄的液池中PDMS聚合过程中产生的气泡不易排出的问题。4、本发明方法可根据需要，设计立体微流控芯片通道，无需任何高标准的仪器设备即可随时制作，而且加工过程简便易行，成本低，速度快，特别是采用本发明方法，既可以方便灵活地制作出各种形状的双层或多层立体通道，又可以在同一PDMS薄片上制作出多条双层立体通道，满足高通量的检测要求。本发明方法可以广泛用于各种微流控芯片的加工制作中。
附图说明
图1是普通芯片在芯片厚度方向的截面示意图
图2是本发明在芯片厚度方向的截面示意图
图3是本发明上层玻璃阳膜结构示意图
图4是本发明下层玻璃阳膜结构示意图
图5是本发明制作流程示意图
图6是本发明整体芯片结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法进行详细说明。
如图1所示，普通芯片1的通道2在芯片1厚度方向上看是水平的；如图2所示，本发明的通道2在芯片1厚度方向看是Z型的，本发明带Z型光度检测池的制作方法与现有技术不同，其包括以下步骤：
1、制作光刻用胶片
如图3、图4所示，依需要分别设计芯片1中上、下两层通道图形，上层图形包括一个十字型通道3、三个储液池凹槽4，一个储液池通孔5和一个Z型池通孔6，下层图形包括一个直通道7、一个储液池通孔5及Z型池通孔6，上下两层通道3、7的图形在两Z型池通孔6处重合，且两储液池通孔5亦重合。利用绘图软件(如CorelDraw等)分别绘制出上、下两层图形，并输出(如用激光照排机打印)到两张胶片上作为光刻用版；
2、光刻制模
利用上述胶版，采用常规的光刻方法分别制成两片玻璃或石英或硅材料阳模8、9，在每一片阳模8、9中的一面分别刻有凸起的通道3、7，以及储液池凹槽4、储液池通孔5和Z型池通孔6的凸起，并采用常规技术对阳模8、9表面进行烷基化处理，如用异辛烷涂抹阳模表面；
3、组装铸造池
如图5所示，将两张阳模8、9具有凸起的面相对，凸起的图形按照预先设计好的通道位置对准，保证上、下两层通道3、7的Z型池通孔6和储液池通孔5位置重合，以便铸造后形成对应的双层通道。在两玻璃片阳膜8、9中间垫入一U形垫圈10，然后用夹具11夹紧两张阳模8、9后垂直加压固定。由于U形垫圈10只密封了两张阳模8、9三个边，第四个边空出，所以夹紧两张阳模8、9后，其中间垫入的U形垫圈10内形成一U形液槽，U形垫圈10的厚度与Z型光度检测池所需光程长度相同；U形垫圈10的材料为塑料、尼龙、橡胶或金属等均可。
4、铸造
将U形液槽开口向上放置，向U形液槽内小心灌入经过真空脱气处理的聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和引发剂(常规引发剂)，小心操作尽量不要带入气泡。将此U形液槽置于真空烘箱中，在0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热3～5h至完全固化，加热温度越高固化速度越快，但是固化速度过快时不利于小气泡的排出。
上述方法也可先将聚二甲基硅氧烷单体和引发剂置于一敞口容器中，在真空烘箱中0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热30～60分钟，再进行上述浇铸固化操作，可以更好地保证气体排出，只要保证混合液体的粘度不至于过大影响灌注即可。
5、拆模(拆除铸造池)
取出U形液槽，拆开两侧阳模8、9得到双面刻有凹通道槽和凹储液池通孔槽，且顶面刻有三个储液池凹槽4的PDMS薄片12。最后用准分子激光器或其他打孔设备在PDMS薄片12上打通Z型池通孔6形成本发明的Z型光度检测池，并连通上下层通道3、7，形成一连通的本发明的Z型通道2(如图2、图6所示)，打通PDMS薄片12上的储液池通孔5。
6、制作上下盖片
用常规方法制作出两片厚度为100～200um的PDMS薄膜，其中一片不含结构的PDMS薄膜作为下盖片13，另一片PDMS薄膜作为上盖片14。在上盖片14上与PDMS薄片12上的储液池凹槽4相对应的位置处设置三个通孔15，以便将各通孔15与各储液池凹槽4共同组成通道2进口储液池，同时在与PDMS薄片12上的储液池通孔5相对应的位置处设置一个通孔16，以便将通孔16与储液池通孔5共同组成通道2出口储液池。上述上盖片14和下盖片13亦可以用玻璃或石英薄片制作，且石英片强度大可以做得更薄，其厚度为20～200um，而且无紫外吸收，效果更好。
7、组装
将步骤5制作的双面刻有凹通道槽的PDMS薄片12放置在上盖片14与下盖片13之间作为中间片，将上盖片14的各结构与中间片(即PDMS薄片12)相应的结构对准，采用常规方法将上盖片14、下盖片13和中间片贴合在一起，然后利用普通10～40W紫外灯管产生的紫外光照射2～8h，完成贴合，即得含有Z型光度检测流动池的立体通道微流控芯片。
上述步骤7也可先用紫外光预照射上盖片14、下盖片13和中间片2h以内，然后再将其贴合在一起，继续照射2～6h。上述步骤7还可采取先用等离子体辐照表面再贴合的方式完成，其可以取得更好的效果。上述普通紫外灯管也可以换成氙灯或其它能产生紫外光的光源。
从上述各步骤可以看出，本发明芯片1中的Z型光度检测池的光程长和容积都是可以根据需要控制的。利用U形垫片10的厚度，控制中间片(PDMS薄片12)的厚度，便可以控制Z型光度检测池的光程长，该光程长一般在100～2000um；Z型光度检测池的容积可以通过光程长和直径控制，Z型光度检测池的直径一般在30～300um。
为使用更加方便，可以切割与芯片1大小匹配的玻璃或有机玻璃或塑料等材料的薄片，在薄片上对应上盖片14的通孔15、16和中间片的Z型池通孔6的位置打孔，并将该薄片贴在上盖片14顶部，作为固定芯片1的支撑架。还可以在一薄片上对应Z型池通孔6的位置打孔，并把薄片固定在下盖片13底部。更可以在上、下盖片14、13上分别设置上述薄片。
本发明可以在一张芯片1上可以具有多个Z型通道2，即在一张芯片1上同时设计和制作多个组成Z型上、下双层通道，用于高通量分析使用。另外采用本发明还可以制作多层立体通道，该多层立体通道可由多层PDMS薄片组成，由多个Z型池通孔和储液池连通。同时本发明双层通道的图形可以是十字线形、直线形、曲线型(如图5所示的上层通道)等各种通道形状。这些变化属于本领域技术人员根据本发明很容易想到的，这些变换不应排除在本发明的保护范围之外。另外本发明的两阳模8、9也可以采用其它方法制作，两阳模8、9制作方法的改变应看作本发明的等同替换，不应排除在本发明的保护范围之外。
本发明进行检测时，将光源和检测器分别设置在芯片1的Z型光度检测池的两端，使光源发出的光通过Z型光度检测池(如图2所示)，当液体流过检测池的时候，便可以通过检测器进行吸光度检测。
Claims (14)
1、一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，它包括以下步骤：
1)利用绘图软件绘制芯片中上、下两层通道的图形并输出，所述上层图形包括上层通道、储液池凹槽，储液池通孔和Z型池通孔，下层图形包括下层通道、储液池通孔及Z型池通孔；
2)采用常规光刻方法制出两张阳模，两所述阳模的一面分别刻有凸起的图形，然后采用常规方法对阳模表面进行烷基化处理；
3)将两所述阳模的凸起图形对准，且在两所述阳膜中间垫入一U形垫圈，然后用夹具夹紧所述两阳模垂直加压固定，形成一U形液槽；
4)将所述U形液槽开口向上，向所述U形液槽内灌入经过真空脱气处理的聚二甲基硅氧烷单体和引发剂，并将所述U形液槽置于真空烘箱中，在0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热3～5h至完全固化；
5)然后取出U形液槽，拆开两侧阳模得到双面刻有凹通道槽和凹储液池通孔槽，顶面刻有储液池凹槽的PDMS薄片，用打孔设备在所述PDMS薄片上打通Z型池通孔连通上下层通道，打通PDMS薄片上的所述储液池通孔；
6)用常规方法制作出两片厚度为20～200um的PDMS薄膜，其中一片不含结构的PDMS薄膜作为下盖片，另一片PDMS薄膜作为上盖片，在与所述PDMS薄片上的储液池凹槽和储液池通孔相对应开设通孔；
7)将步骤6)制作好的PDMS薄片放置在所述上盖片和下盖片之间作为中间片，采用常规方法将上、下盖片和中间片贴合在一起，并用光源进行照射，即得含有Z型光度检测池的微流控芯片。
2、如权利要求1所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：在步骤7)中，将所述上、下盖片和中间片贴合在一起后，利用紫外光源，照射时间为2～8h。
3、如权利要求1所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：在实施步骤7)前，先分别对所述上、下盖片和中间片进行2h以下的紫外光源照射，再将所述上、下盖片和中间片贴合在一起，继续照射2～6h。
4、如权利要求1所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：在实施步骤7之前，先分别对所述上、下盖片和中间片进行等离子体辐照后再贴合。
5、如权利要求1或2或3或4所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：在实施步骤4)前，先将聚二甲基硅氧烷单体和引发剂置于敞口容器中，在真空烘箱中0.005～0.02MPa真空度下，50～55℃加热30～60分钟。
6、如权利要求1或2或3或4所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述U形垫圈的厚度为100～2000um。
7、如权利要求5所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述U形垫圈的厚度为100～2000um。
8、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述上、下盖片的厚度分别为20～200um。
9、如权利要求5所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述上、下盖片的厚度为20～200um。
10、如权利要求6所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述上、下盖片的厚度为20～200um。
11、如权利要求1或2或3或4或7或9或10所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：至少在所述上、下盖片之一上设置一薄片作为固定芯片的支撑架，并至少对应所述Z型光度检测池在所述薄片上打孔。
12、如权利要求5所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：至少在所述上、下盖片之一上设置一薄片作为固定芯片的支撑架，并至少对应所述Z型光度检测池在所述薄片上打孔。
13、如权利要求6所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：至少在所述上、下盖片之一上设置一薄片作为固定芯片的支撑架，并至少对应所述Z型光度检测池在所述薄片上打孔。
14、如权利要求8所述的一种带Z型光度检测池的微流控芯片的制作方法，其特征在于：至少在所述上、下盖片之一上设置一薄片作为固定芯片的支撑架，并至少对应所述Z型光度检测池在所述薄片上打孔。
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