CN101510518B - 一种微流控芯片的封接方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微流控芯片的封接方法及其应用。该封接方法，包括如下步骤：1)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜紧密贴合于刻蚀有通道的基片上，保证PDMS薄膜与刻蚀有通道的基片之间没有气泡；2)将真空处理过的PDMS与固化剂的混合液涂敷在刻蚀有通道的基片表面未被PDMS薄膜覆盖的部分，再加盖一层基片，热固化后，完成所述微流控芯片的封接。该方法操作简单，成本低廉，制作周期短，重现性好；非常适宜于加工数十微米的微观结构，特别是对于水相介质芯片完全不会发生泄漏，成品率达到100％。当芯片需要清洗或发生堵塞的情况时，PDMS可与微流控芯片基片可逆拆分。利用本发明提供的封接方法制备微流控芯片，可很容易地实现混合、分离等单元操作，可用于制作共轭聚合物传感芯片。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片的封接方法及其应用，特别是一种微流控芯片的两步可逆封接方法及其应用。
背景技术
微流控技术(microfluidic)定义为在微尺度与介观尺度上研究流体行为，以及相关系统的设计与应用的，由物理、化学、微加工与生物技术等学科组成的交叉领域。微流控芯片(Microfluidic Chip)就是将微流控技术集成在几厘米的玻璃、石英等平台上，将生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离、检测等基本操作单元集成或部分集成起来，用来实现常规实验室下物理、化学、生物实验的微型化集中分析。
玻璃微流控芯片的通用制作方法是采用标准光刻技术，利用湿法刻蚀和高温键合的方法，该方法要求超净环境，复杂的加工设备与技术，以及烦琐的、成功率不高的高温键合程序；而且，一旦芯片堵塞往往就会报废，因而成为微流控分析技术普及的主要障碍之一。方群等提出了一种简单的室温键合制作玻璃微流控芯片的方法，克服了高温键合成品率极低、操作耗时的缺点。但是该方法制得的芯片容易泄漏，芯片不可逆键合，操作条件苛刻(Zhi Jian Jia，Qun Fang，and Zhao lun Fang.Analytical chemis-try.2004，76，5597-5602)。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流控芯片的封接方法及其应用。
本发明提供的一种微流控芯片的封接方法，包括如下步骤：
1)将聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)薄膜紧密贴合于刻蚀有通道的基片上，保证所述聚二甲基硅氧烷薄膜与所述刻蚀有通道的基片之间没有气泡；
2)将真空处理过的PDMS预聚体与固化剂的混合液涂敷在聚二甲基硅氧烷薄膜和刻蚀有通道的基片表面未被聚二甲基硅氧烷薄膜覆盖的部分，再加盖一层基片，热固化后，完成所述微流控芯片的封接。
上述封接方法中，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为50微米至1厘米，优选1毫米；刻蚀有通道的基片上，通道的宽度为10-2000微米；构成基片的材料为玻璃、硅或石英。步骤2)中，聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的质量比为10∶1，聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合液是在真空度为5×10-4托的条件下保持30min时间，热固化的温度为80℃，热固化时间为1h。
另外，本发明提供的上述微流控芯片的封接方法在制作微流控芯片中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明提供的微流控芯片的封接方法操作简单，成本低廉，制作周期短，重现性好；非常适宜于加工数十微米的微观结构，特别是对于水相介质芯片完全不会发生泄漏，成品率达到100％。当芯片需要清洗或发生堵塞的情况时，PDMS可与微流控芯片基片可逆拆分，即疏通或清洗通道后，可用同样的方法再次封接芯片，实现了芯片的可逆封接。利用本发明提供的封接方法制备微流控芯片，很容易实现混合、分离等单元操作，可用于化学反应、细胞培养等领域中，用于制作共轭聚合物传感芯片。该方法对微流控分析技术的普及及产业化，具有重要的意义。
附图说明
图1为玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片的制作流程示意图。
图2为玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片的封接流程示意图。
图3a和图3b分别为染色剂进样前后对比实物图。
图4为联乙炔(PDA)共轭聚合物传感芯片示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本发明提供的微流控芯片的封接方法，当所用芯片基片为玻璃基片时，即玻璃-聚二甲基硅氧烷(PDMS)-玻璃微流控芯片的两步可逆封接方法，包括第一步PDMS-玻璃的可逆封接(如图1中步骤G所示)和第二步PDMS-PDMS-玻璃芯片可逆封接(如图1中步骤H所示)。具体描述如下：
第一步、PDMS-玻璃基片可逆封接：将PDMS薄膜用保鲜膜保护，裁剪成适当的尺寸，该尺寸应小于芯片基片的大小但要求能够完全覆盖住微通道，之后用保鲜膜保护好存储待用。在超净台中将PDMS薄膜直接贴合于刻蚀有通道的芯片基片上，隔着保鲜膜小心地撵出气泡并用适当的压力压紧覆盖有图形的部分约5min，即完成了第一步的PDMS-玻璃可逆封接。
第二步、PDMS-PDMS-玻璃芯片的可逆封接：
该步骤的流程示意图如图2所示，其中，2为玻璃基片，5为PDMS薄膜，6为玻璃盖片，7为真空处理过的聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的混合液。
超净台中去掉上述步骤得到的PDMS-玻璃芯片上的保护膜。用真空处理过的聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的混合液浇筑到PDMS膜上及其未覆盖的玻璃基片部分上，再用干净的玻璃片封盖住PDMS预混合黏稠液，用保鲜膜包裹好防止PDMS预混合黏稠液外溢，置于80℃的烘箱中烘烤1小时，完成第二步PDMS-PDMS-玻璃芯片可逆封接，得到三明治式微流控芯片。
该步骤也可为：用真空处理过的聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的混合液浇筑到干净的玻璃片上，再封盖上PDMS薄膜-玻璃芯片，固化后也可得到同样效果的三明治式微流控芯片。
这种浇筑法封接芯片利用了PDMS表面的活性硅羟基与酸洗处理的玻璃表面的硅羟基的缩合反应和分子间的范德华作用力，使得PDMS封接紧密；另外，预聚体PDMS本身的黏稠性，使得二次封接既不会堵塞微通道，又填充上PDMS膜和基片的未封接部分增强了一次封接的强度。同时，当需要清洗微通道或微通道发生堵塞的时候，PDMS又可以从玻璃夹片间剥离，用新的PDMS薄膜可以实现多次可逆封接。如果通道内压力太大而使芯片泄漏，可以外加刚性夹具增加三明治式芯片的垂直压力以加强芯片的封接强度。本发明中所用PDMS和固化剂，均购自“道康宁(上海)有限公司”，产品名称为“SYLGARD@184 SILICONE ELASTOMER KIT”。
实际操作中，第一步中所用的刻蚀有通道的芯片基片，是按照常规方法进行制备的：
1)玻璃片用Piranha洗液(98％(wt)H2SO4∶30％(wt)H2O2体积比为3∶1)加热煮沸清洗30min，蒸馏水冲洗后吹干备用。用Freehand软件设计图形，微通道图形宽度设计为100um，激光高分辨打印出掩模备用。
2)将步骤1)洗干净的玻璃片置于KW-4A型均胶机中，以2000r/min的匀胶速度涂一层厚约2um的正性光刻胶(RZJ-304)。如图1中步骤A(涂胶)所示，其中，1为正性光刻胶，2为玻璃基片。
将涂好胶的玻璃片置于恒温热板烘箱中于100℃活化90sec，冷却致室温待用。将掩模置于光胶保护的玻璃片上，用500W的紫外光源曝光30sec，立即投入显影液(2.38％TMAN四甲基氢氧化铵)中显影至曝光部分光胶完全脱落，蒸馏水冲洗，吹干后，置于恒温热板烘箱中于120℃坚膜90sec，冷却致室温待用。上述操作均是在超净间中进行。该步骤如图1中步骤B(曝光)和步骤C(显影)所示，其中，3为500nm紫外光，4为光刻掩模。
3)将步骤2)得到的玻璃片光胶朝下置于中空塑料盒中，接着浸入HF酸刻蚀液(HF∶NH4F＝1∶1mol∶mol)中，50℃恒温搅拌，通风避光刻蚀20min；该步骤如图1中步骤D(酸刻蚀)所示。
将上述玻璃片光胶水洗吹干，接着用丙酮或乙醇洗掉残留光胶，水洗吹干。该步骤如图1中步骤E(除胶)所示。
接着用超声波打孔器在刻蚀好通道的芯片上加工出直径3mm的进样口和出样口。Piranha洗液加热煮沸清洗芯片，水洗吹干，备用。该步骤如图1中步骤F(打孔)所示。
在第二步之后，上述封接完毕的芯片需在微注射泵的正压驱动下进行工作。所述微注射泵正压驱动是以内外径1×2mm的硅胶管为导管输送样品，以内外径为2×3mm的聚氨酯塑料管为进样连接口，以环氧AB胶(1∶1 v∶v)黏合聚氨酯管和玻璃芯片进样口，使用500um和1000um的微量进样器进样，用硅胶管直接连接进样器针头，用TS-1A微注射泵控制输入流量(流速)直接驱动进样。
实施例1、制作玻璃-PDMS-玻璃微流控芯片
1)玻璃片在薄层色谱展开缸中用Piranha洗液(98％(wt)H2SO4∶30％(wt)H2O2体积比为3∶1)加热煮沸清洗30min，蒸馏水冲洗后吹干备用。用Freehand软件设计图形，微通道图形宽度设计为100um，激光高分辨打印出掩模备用。
2)将步骤1)洗干净的玻璃片置于KW-4A型均胶机中，以600r/min的匀胶速度，2000r/min的甩胶速度涂一层厚约2um的正性光刻胶(RZJ-304)。
将涂好胶的玻璃片置于恒温热板烘箱中于100℃活化90sec，冷却致室温待用。将掩模置于光胶保护的玻璃片上，用500W的紫外光源曝光30sec，立即投入显影液(2.38％TMAN四甲基氢氧化铵)中显影至曝光部分光胶完全脱落，蒸馏水冲洗，吹干后，置于恒温热板烘箱中于120℃坚膜90sec，冷却致室温待用。
3)将步骤2)得到的玻璃片光胶朝下置于中空塑料盒中，接着浸入HF酸刻蚀液(HF∶NH4F＝1∶1mol∶mol)中，50℃恒温搅拌，通风避光刻蚀20min，水洗吹干，接着用丙酮或乙醇洗掉残留光胶，水洗吹干。接着用超声波打孔器在刻蚀好通道的芯片上加工出直径3mm的进样口和出样口。Piranha洗液加热煮沸清洗芯片，水洗吹干，备用。
4)PDMS薄膜制备：PDMS预聚体和固化剂(Dow Corning Corp，USA)按10∶1(m∶m)的比例混合均匀后，抽真空处理30min，将PDMS混合黏稠液缓慢倒在两个玻璃片之间，中间用订书钉等作角料，保鲜膜包裹保护，高温固化后，拆除玻璃片即得到PDMS薄膜。
5)将步骤4)得到的PDMS薄膜裁剪好，贴合到步骤3)得到的芯片进行第一步PDMS-玻璃芯片的可逆封接。再将如步骤4)所述的PDMS预混合黏稠液浇筑到裁剪的PDMS薄膜上，补上裁剪膜的空缺后，用干净的玻璃片贴到PDMS-玻璃芯片上，80℃固化2h，完成PDMS-PDMS-玻璃芯片可逆封接封装，最终得到玻璃-PDMS-玻璃三明治式微流控芯片。该芯片的结构如图1所示。
实施例2、采用实施例1的微流控芯片用于混合单元操作
在试样管中分别吸取红墨水和蓝墨水2ml，分别加入8ml的双蒸水稀释5倍，作为指示剂来观察微混合。Freehand软件设计成混合结构的微流路，按照实施例1提供的方法制作微流控芯片。用1000ul微量进样器分别取1000ul的红、蓝指示剂，安装到微注射泵上。以硅胶管为导管，聚氨酯管为连接管，接通微流控芯片和微注射泵。以相同的20nl/min～200nl/min的进样速率注入指示剂，该流速范围流体在微流路中按照层流的方式流动，红蓝指示剂相交混合出现一层紫色流路。可以看到，处在两种指示剂交界面的储液室中存储了紫色的混合液，未处于指示剂交界面的储液室中分别存储了红色和蓝色的指示剂。以不同的速率注入指示剂，可以明显的看到红蓝界面的移动，并且在不同的储液室中指示剂发生了更新，颜色改变，如图3a和图3b所示。其中，图3a和图3b分别为染色剂进样前后对比实物图。
该混合单元的操作同时适用于细胞的培养和检测，通过更新不同的营养液或注入不同的药物，来对细胞选择性地培养和识别。
实施例3、制作联乙炔(PDA)共轭聚合物传感芯片
联乙炔是一种重要的传感分子，它在254nm的紫外照射下可以发生聚合呈现出蓝色，在pH、压力、温度、特定分子等的扰动下，聚合物的线性骨架发生扭动，蓝色的PDA会变为红色，并有荧光出现。本实施例采用10，12-二十五烷基二炔酸(PCDA)做变色分子，取10ml 1mM的PCDA氯仿溶液加入到25ml的圆底烧瓶中，以50℃，65r/min的速度旋转蒸发除去氯仿，加入等体积的的双蒸水，在100℃水浴中超声15min，得到半透明的囊泡水溶液。冷却至室温后置于4℃的冰箱中放置12h以上。254nm的紫外照射30sec，得到蓝色的PDA囊泡溶液。
Freehand设计的流动汇聚式微流控结构，按照实施例1提供的方法制作微流控芯片。用1000ul微量进样器分别取500ul的PDA囊泡溶液和1000ulpH值为10的NaOH溶液，安装到微注射泵上。用200nl/min的速率注射NaOH溶液，用100nl/min的速率注射PDA囊泡溶液，可以清晰地看到两个液流的交界处出现红色的区带液流，如图4所示，该红色区域为变色的PDA囊泡识别区域，在倒置荧光显微镜下可以看到微弱的荧光出现。利用这种微流路中平行的层流特征，可以得到用PDA传感微流控芯片能够方便地检测不同的识别分子，并且这种方法也适用于其它能够发生荧光增强、淬灭、选择性发光或其它变色响应的共轭聚合物体系。
Claims (9)
1.一种微流控芯片的封接方法，包括如下步骤：
1)将聚二甲基硅氧烷薄膜紧密贴合于刻蚀有通道的芯片基片上，保证所述聚二甲基硅氧烷薄膜与所述刻蚀有通道的芯片基片之间没有气泡；
2)将真空处理过的聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的混合液涂敷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜和所述刻蚀有通道的芯片基片表面未被聚二甲基硅氧烷薄膜覆盖的部分，再加盖一层基片，热固化后，完成所述微流控芯片的封接；
所述聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的质量比为10∶1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为50微米至1厘米。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为1毫米。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述刻蚀有通道的芯片基片上，通道的宽度为10-2000微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述构成芯片基片的材料为玻璃、硅或石英。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂的混合液是在真空度为5×10-4托的条件下保持30min时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热固化的温度为80℃，热固化时间为1h。
8.权利要求1所述微流控芯片的封接方法在制作微流控芯片中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述微流控芯片为共轭聚合物传感芯片。
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