CN103055975A - 一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，通过温度响应性分子对微通道表面进行改性，在外场温度刺激下，微通道的表面形貌和化学构型的可逆性变化导致表面浸润性的变化，控制微流体在微通道表面的从下往上运动，从而实现微流体的自发流动，主要应用于电泳分离、色谱分离、免疫分析、反应等相关领域。该微流控芯片操作简单、实现了微流体的自下往上的自驱动，极大降低了微流体驱动的成本，具有便携、经济、快速、高效的特点，为微流体无驱动的流动提供了一种全新的微流体流动控制技术。

Description

一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，通过温度响应性分子对微通道表面进行改性，在外场温度刺激下，微通道的表面形貌和化学构型的可逆性变化导致表面浸润性的变化，控制微流体在微通道表面的从下往上运动，从而实现微流体的自发流动，主要应用于电泳分离、色谱分离、免疫分析、反应等相关领域。

背景技术

创新分析测试技术在人类发展的历史上对全世界的科学技术与经济发展起到了极其重要的推动作用。微流控分析芯片作为一种新型的分析平台具有微型化、自动化、集成化、便捷和快速等优点，已经在很多领域获得了广泛的应用，例如细胞生物学、分析化学、环境监测与保护、司法鉴定和药物合成筛选。在微流控分析芯片中，微量液体的精确进样是样品处理和分析的关键，例如微流控芯片电泳分离、色谱分离、免疫分析中就需要这样的操作，这是由于微流控分析芯片的特点就要对微观尺度下的微流体进行操作和控制，而作为操作和控制对象的流体量又极其微小，导致微流体的流动特性与宏观有很大的不同，在宏观尺度下可以忽略的现象在微观尺度下成为流体流动的主要影响因素。近年来，在微流控分析芯片上如何实现对微流体的驱动和控制，已经成为微流控分析芯片技术中的研究难题和热点。

对微流控芯片中微流体的驱动和控制可通过微泵实现。近年来，随着微流控技术的发展和成熟，研发了很多方法和器件，在一定程度上实现了对微流控芯片中微流体的驱动，同时也存在一些局限性。在微泵研究方面，包括机械微泵和非机械微泵。例如，压力泵(机械或注射泵)操作简单、容易实现、成本低廉，但不易在芯片上实现小型化。热气动力微泵制动机理简单、条件要求低、适合批量生产，但由于热延迟，制动频率较低。静电微泵的特点是制动频率高、结构简单，但制动力较低。电磁微泵具有较大的制动力，工作电压低，但体积上没有优势。电流体动力微泵结构简单、容易加工、成本低，但对液流的介电性质要求苛刻。电渗驱动是目前微流控分析芯片中使用最广的微流体驱动和控制技术，具有流速平稳、无脉冲、可实现无阀的液流切换，但要求材料表面能提供电荷，高压电源不易微型化，以及存在发热和气泡问题。目前，研究液滴在固体表面的浸润性和运动成为研究热点，通过外场响应性分子以及自组装分子层对表面进行改性，在外场刺激下，表面形貌和化学构型的可逆性变化导致表面浸润性的变化，从而控制液滴在表面的浸润状态和运动。因此，通过控制表面浸润性的变化来驱动和控制微流控芯片中的微流体，因是微流控芯片上微泵的研究方向之一。

然而，常规技术很难在微通道中完成对微流体的智能驱动和控制，因此，通过控制表面浸润性的变化来驱动微流控芯片中的微流体，发展一种便捷、快速、高效、低成本的微流体驱动技术，应是微流控芯片上如何控制微流体的研究方向之一，目前尚未有实质性的突破。

发明内容

本发明的目的是提供了一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，通过温度响应性分子对微通道表面进行改性，在外场温度刺激下，微通道的表面形貌和化学构型的可逆性变化导致表面浸润性的变化，控制微流体在微通道表面的从下往上运动，从而实现微流体的自发流动，主要应用于电泳分离、色谱分离、免疫分析、反应等相关领域。

为实现上述目的，本发明采用以下的操作步骤：

(1)用计算机辅助设计软件设计和绘制微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。

(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括进样孔、分离主通道和分离分通道。

(3)利用双层粘性薄膜，将各层微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成微滴流动可控的微流控芯片。

(4)在微通道进行温度响应性分子对微通道的表面改性。

(5)开启电源，在微流体入口和出口之间切换温度，微通道表面的浸润性从亲水至疏水进行转换。

本发明中，基于微流控芯片的温度响应微泵的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃圆片，也可是市售的各类普通CD光盘。

本发明中，温度响应的微流体自驱动的微流控芯片和粘性薄膜的微结构和微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀制备，也可用软刻蚀技术制备。

本发明中，温度响应的微流体自驱动的微流控芯片是由两层芯片组成，各层芯片之间用粘性薄膜贴合，粘性薄膜可以是双层力致粘性薄膜，也可是普通双面胶薄膜。

本发明中，温度响应的微流体自驱动的微流控芯片的微通道是用温度响应性分子进行表面修饰的。

本发明中，温度响应的微流体自驱动的微流控芯片的温度响应性分子在不同的温度产生亲水和疏水的变化。

本发明中，温度响应的微流体自驱动的温度控制系统采用的是低压电源，范围是0-200伏，温度控制在0-100度。

本发明提出的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，操作简单、实现了微流体的自下往上的自驱动，极大降低了微流体驱动的成本，具有便携、经济、快速、高效的特点，在电泳分离、色谱分离、免疫分析、分析等相关领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1.温度响应的微流体自驱动微流控芯片的结构示意图。

a.溶液入口，b.溶液分入口，c.溶液分入口，d.溶液分入口，e.溶液出口，b、c、d至e是温度响应性分子修饰的微通道和微结构，f.微流体的流动方向。

具体实施方案

实施例1

用计算机辅助设计软件设计和绘制微流体流动可控的微流控芯片的两层芯片的微结构和微通道图形。利用数控CNC系统加工制备两层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。在双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。将两层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成基于微流控芯片的温度响应性微泵。将样品溶液加入微流控芯片的进样注入孔，溶液在外置蠕动泵的驱动下进入微通道中，利用外置温度控制系统进行温度调控，在微通道的微结构表面的温度响应性分子发生亲水和疏水的浸润性变化，溶液随着微通道和微结构表面性能的变化发生自驱动式的流动，最后实现了微流体自下往上的无驱动的流动。

实施例2

用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的两层芯片的微结构和微通道图形。利用数控CNC系统加工制备两层圆片状聚碳酸酯(PC)芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。在双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。将两层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成基于微流控芯片的温度响应性微泵。将样品溶液加入微流控芯片的进样注入孔，溶液在外置蠕动泵的驱动下进入微通道中，利用外置温度控制系统进行温度调控，在微通道的微结构表面的温度响应性分子发生亲水和疏水的浸润性变化，溶液随着微通道和微结构表面性能的变化发生自驱动式的流动，最后实现了微流体自下往上的无驱动的流动。

Claims (10)

1.一种温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片表面有微结构和微通道，通过温度响应性分子对微通道表面进行改性，在外场温度刺激下，微通道的表面形貌和化学构型的可逆性变化导致表面浸润性的变化，控制微流体在微通道表面的从下往上运动，从而实现微流体的自发流动。

2.按权利要求1所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，其制作步骤如下：

(1)用计算机辅助设计软件设计和绘制微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。

(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括进样孔、分离主通道和分离分通道。

(3)利用双层粘性薄膜，将各层微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成微滴流动可控的微流控芯片。

(4)在微通道进行温度响应性分子对微通道的表面改性。

(5)开启电源，在微流体入口和出口之间切换温度，微通道表面的浸润性从亲水至疏水进行转换。

3.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片的核心功能器件是微流控芯片，此芯片可以批量生产、多次利用、灵活设计与组装。

4.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片的微结构和微通道是通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀技术的微加工方法在芯片基材表面制备，尺寸在微米级别。

5.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片是由两层芯片叠加而成，构成三维立体的微结构和微通道网络。

6.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片可以在一块芯片上制作多组微结构和微通道，构成多组分流控制单元，可选择性控制微流体流动的分支方向。

7.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片在微通道表面进行了温度响应性分子的表面修饰。

8.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片通过施加温度控制，在微通道表面进行亲水和疏水转换调控。

9.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片可实现微流体的无驱动式的自下往上流动。

10.按权利要求1或2所述的温度响应的微流体自驱动微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种温度响应的微流体自驱动微流控芯片具有便携、经济、快速、高效，在电泳分离、色谱分离、免疫分析、反应所涉及的众多相关领域具有广泛的应用前景。