一种基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法及其应用与流程

本发明属于微流控技术领域，涉及一种基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法及其应用。

背景技术：

近年来，微流控芯片作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，是当前发展最活跃的领域之一。制作微流控芯片的材料主要有硅片、玻璃、石英和高分子聚合物等。其中聚二甲基硅氧烷(polydimethyl siloxane，PDMS)以其加工成形方便、价格便宜、耐用且化学惰性、生物相容性好等优点，在微流控芯片的加工制作中得到广泛应用。但是传统的基于聚二甲基硅氧烷材料的微流控芯片制作工艺，通常是先通过母模浇注聚二甲基硅氧烷，制作具有微管道结构的聚二甲基硅氧烷结构层，并在聚二甲基硅氧烷结构层对应进样口和出样口处打孔，最后通过直接贴合或等离子体处理，将聚二甲基硅氧烷微结构层键合于玻片或另一片聚二甲基硅氧烷片上。这一工艺需要转移并键合聚二甲基硅氧烷结构层，导致其在制作集成聚二甲基硅氧烷薄膜微结构的微流控器件方面的应用受到很大局限，因为剥离转移聚二甲基硅氧烷薄膜结构层必须克服聚二甲基硅氧烷薄膜与模具之间存在的范德华力、氢键等粘附作用力，而聚二甲基硅氧烷薄膜本身厚度小、机械强度较低，剥离过程中极易出现撕裂、皱折、微结构损坏等情况，操作非常困难，产率较低。虽然可以在聚二甲基硅氧烷薄膜结构层剥离前通过等离子体处理，使其与另一片厚的聚二甲基硅氧烷结构块体不可逆键合，以叠加支撑层提高强度的方式实现聚二甲基硅氧烷薄膜结构层的高效剥离[M.A.Unger,H.-P.Chou,T.Thorsen,A.Scherer,and S.R.Quake.Monolithic Microfabricated Valves and Pum聚苯乙烯by Multilayer Soft Lithography.Science,2000,288:113-116.]。但是这种方法需要通过等离子体处理聚二甲基硅氧烷表面实现两层聚二甲基硅氧烷的键合，而等离子体处理的聚二甲基硅氧烷表面活性基团维持时间较短，因此此键合过程需要在几分钟内快速完成，否则易导致键合失败，这样对于需要多层结构精确对准、对准过程耗时较长的情况，该方法往往无能为力。

另外，由于聚二甲基硅氧烷材料具有较大的通透性，普通的基于“聚二甲基硅氧烷-聚二甲基硅氧烷”或“聚二甲基硅氧烷-玻璃”等结构的微流控芯片中微管道或微腔体内的水分容易通过聚二甲基硅氧烷挥发散失，大大限制了其在细胞培养、蛋白质结晶、聚碳酸酯R反应等需要长期观测和高温条件的场合的应用；因此需要通过制作“玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃”夹心式结构来抑制微流控芯片中微管道或微腔体内水分的挥发，但是传统的“玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃”夹心式微流控芯片的制作方法具有很大局限性，它通常是在母模上浇注聚二甲基硅氧烷后，直接在聚二甲基硅氧烷上盖压一片玻璃基片，待聚二甲基硅氧烷结构层固化后，通过刀片钻撬的方式将“玻璃-聚二甲基硅氧烷”从母模上剥离，这种方式需要施加很大的作用力才能克服聚二甲基硅氧烷薄膜与模具之间的粘附力，往往极易破坏模具硅片或玻璃，成品率极低。

因此，为了适应多层复杂微流控芯片系统以及低通透性微流控芯片系统的应用需求，迫切需要发展一种易于操作、快速简单、具有高可靠性和高产率的集成聚二甲基硅氧烷薄膜微结构层微流控器件的制作方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于：(1)提供的一种基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法；(2)提供的一种基于焦糖倒模制作微流控芯片方法的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法，包括如下步骤：首先制作母模；随后基于所述母模制作聚二甲基硅氧烷反转模；然后基于所述聚二甲基硅氧烷反转模制作焦糖模具；最后于所述焦糖模具上浇注聚二甲基硅氧烷，固化后，溶解焦糖模具，制得聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

进一步，具体包括如下步骤：

(1)所述母模通过微加工工艺制作；

(2)于步骤(1)中制得的母模上浇注聚二甲基硅氧烷，经固化、剥离制得聚二甲基硅氧烷反转模；所述二甲基硅氧烷反转模具有结构面；所述结构面上设置有进样口和出样口；

(3)将步骤(2)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模的结构面与设置有孔的基体对准，贴合密封，形成一个聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构，其中结构面上的进样口和出样口与基体上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构置于真空容器中，进行脱气处理；

(5)将焦糖溶液从基体上的打孔处注入经步骤(4)处理后的聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构中；

(6)将步骤(5)中的聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构进行加热除水处理至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构中的聚二甲基硅氧烷反转模，制得焦糖模具；

(8)于步骤(7)中的焦糖模具上浇注聚二甲基硅氧烷，经聚二甲基硅氧烷固化后，溶解焦糖模具，制得聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

进一步，步骤(1)中，所述微加工工艺为硅片通过微电子光刻工艺结合等离子体深刻蚀工艺、光刻胶通过微电子光刻工艺在硅片上图形化中的一种。

进一步，步骤(3)中，所述基体为基片、微流控结构层中的一种。

进一步，所述基片、微流控结构层为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷中的一种。

进一步，步骤(4)中，所述真空容器中绝对压强为5～25kPa；所述脱气处理，处理时间为0.5～24h。

进一步，步骤(6)中，所述加热除水处理为经热板或烘箱处理。

进一步，步骤(8)中，所述聚二甲基硅氧烷固化为在25℃下静置24～48h或先在25℃下静置8～12h至聚二甲基硅氧烷半固化，再在60℃～120℃下静置1～2h至聚二甲基硅氧烷固化。

进一步，步骤(8)中，所述溶解焦糖模具通过50～100℃热水辅助超声实现。

2、将上述基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法用于制作玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃夹心式微流控芯片、多层微流控芯片中任一种芯片的应用。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法及其在制作玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃夹心式微流控芯片、多层微流控芯片中任一种芯片的应用。制备的芯片中聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度范围为10μm～300μm。该方法易于操作，快速简单且成本低，同时，与传统微流控芯片制备工艺相比，避免了微流控结构转移、键合等步骤，提高了集成聚二甲基硅氧烷薄膜微结构层微流控器件的可靠性和产率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例1实施过程中聚二甲基硅氧烷反转模与玻璃基片贴合组装示意图。

图2为本发明实施例1实施过程中焦糖溶液灌注填充“聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃”组合体微结构示意图。

图3为本发明实施例1实施过程中聚二甲基硅氧烷浇注于焦糖模具上并加压盖玻片示意图。

图4为本发明实施例1溶解焦糖模具结构后形成的“聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃”夹心式低通透性微流控芯片结构示意图。

图5为本发明实施例2实施过程中第一层聚二甲基硅氧烷反转模与玻璃基片贴合组装示意图。

图6为本发明实施例2实施过程中聚二甲基硅氧烷浇注于第一层微结构焦糖模具上并加压胶片示意图。

图7为本发明实施例2实施过程中溶解焦糖模具结构后形成的第一层微管道结构示意图。

图8为本发明实施例2实施过程中第二层聚二甲基硅氧烷反转模与已制作的第一层微管道结构贴合组装示意图。

图9为本发明实施例2实施过程中聚二甲基硅氧烷浇注于第二层微结构焦糖模具上示意图。

图10为本发明实施例2溶解第二层焦糖模具结构后形成的多层微流控芯片结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

利用本发明提供的基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法制作聚二甲基硅氧烷微流控芯片，具体步骤如下：

(1)利用硅片通过微电子光刻工艺结合等离子体深刻蚀工艺制作母模；

(2)于步骤(1)中制得的母模上浇注聚二甲基硅氧烷，经固化、剥离制得具有结构面的聚二甲基硅氧烷反转模，且结构面上设置有进样口和出样口；

(3)将步骤(2)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模的结构面上的进样口和出样口与设置有孔的玻璃对准，贴合密封，形成一个聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构，其中结构面上的进样口和出样口与玻璃上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构置于绝对压强为5kPa的真空容器中，脱气处理0.5h；

(5)将焦糖溶液从玻璃上的打孔处注入经步骤(4)处理后的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构中，由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(6)将步骤(5)中的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃放置于热板上至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构中的聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在玻璃上，制得焦糖模具；

(8)于步骤(7)中的焦糖模具上浇注聚二甲基硅氧烷，25℃下静置24h至聚二甲基硅氧烷固化，最后将整体结构浸入50℃热水中，并超声处理至焦糖模具溶解，制得聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

实施例2

利用本发明提供的基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法制作聚二甲基硅氧烷微流控芯片，具体步骤如下：

步骤(1)、(2)如实施例1；

(3)将步骤(2)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模的结构面上的进样口和出样口与设置有孔的聚苯乙烯对准，贴合密封，形成一个聚二甲基硅氧烷反转模-聚苯乙烯结构，其中结构面上的进样口和出样口与聚苯乙烯上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模-聚苯乙烯结构置于绝对压强为15kPa的真空容器中，脱气处理12h；

(5)将焦糖溶液从聚苯乙烯上的打孔处注入经步骤(4)处理后的聚二甲基硅氧烷反转模-聚苯乙烯结构中，由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(6)将步骤(5)中的聚二甲基硅氧烷反转模-聚苯乙烯放置于热板上至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中聚二甲基硅氧烷反转模-聚苯乙烯结构中的聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在聚苯乙烯上，制得焦糖模具；

(8)于步骤(7)中的焦糖模具上浇注聚二甲基硅氧烷，25℃下静置36h至聚二甲基硅氧烷固化，最后将整体结构浸入75℃热水中，并超声处理至焦糖模具溶解，制得聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

实施例3

利用本发明提供的基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法制作聚二甲基硅氧烷微流控芯片，具体步骤如下：

步骤(1)、(2)如实施例1；

(3)将步骤(2)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模的结构面上的进样口和出样口与设置有孔的聚碳酸酯对准，贴合密封，形成一个聚二甲基硅氧烷反转模-聚碳酸酯结构，其中结构面上的进样口和出样口与聚碳酸酯上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模-聚碳酸酯结构置于绝对压强为25kPa的真空容器中，脱气处理24h；

(5)将焦糖溶液从聚碳酸酯上的打孔处注入经步骤(4)处理后的聚二甲基硅氧烷反转模-聚碳酸酯结构中，由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(6)将步骤(5)中的聚二甲基硅氧烷反转模-聚碳酸酯放置于热板上至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中聚二甲基硅氧烷反转模-聚碳酸酯结构中的聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在聚碳酸酯上，制得焦糖模具；

(8)于步骤(7)中的焦糖模具上浇注聚二甲基硅氧烷，25℃下静置48h至聚二甲基硅氧烷固化，最后将整体结构浸入100℃热水中，并超声处理至焦糖模具溶解，制得聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

实施例4

利用本发明提供的基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法制作“玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃”夹心式低通透性微流控芯片，具体步骤如下：

(1)利用硅片通过微电子光刻工艺结合等离子体深刻蚀工艺制作母模；

(2)于步骤(1)中制得的母模上浇注聚二甲基硅氧烷，经固化、剥离制得具有结构面的聚二甲基硅氧烷反转模，且结构面上设置有进样口和出样口；

(3)将步骤(2)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模1的结构面上的进样口和出样口与设置有孔的玻璃2对准，贴合密封，形成一个聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构3，如图1、图2所示，其中结构面上的进样口和出样口与玻璃上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构3置于绝对压强25kPa的真空容器中，脱气处理2h；

(5)将焦糖溶液从玻璃上的打孔处4注入经步骤(4)处理后的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构3中，如图2所示。由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(6)将步骤(5)中的聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃放置于热板上至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构中的聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在玻璃2上，制得焦糖模具5，然后在焦糖模具5上浇注聚二甲基硅氧烷6，并在聚二甲基硅氧烷6上加压盖玻片7，25℃下静置24h至聚二甲基硅氧烷6固化，最后将整体结构浸入60℃热水中，并超声处理至焦糖模具5溶解，制得“玻璃-聚二甲基硅氧烷薄膜-玻璃”夹心式低通透性微流控芯片8，如图3、图4所示。

实施例5

利用本发明提供的基于焦糖倒模制作微流控芯片的方法制作多层微流控芯片，具体步骤如下：

(1)利用光刻胶通过微电子光刻工艺在硅片上图形化工艺分别制作第一层微结构母模和第二层微结构母模；

(2)分别于步骤(1)中制得的母模上浇注聚二甲基硅氧烷，经固化、剥离制得具有结构面的聚二甲基硅氧烷反转模，且结构面上设置有进样口和出样口；

(3)将步骤(2)所制备的第一层聚二甲基硅氧烷反转模9结构面对应进样口和出样口的结构处与设置有孔的玻璃10对准，如图5所示，贴合密封，形成第一层聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构，其中结构面上的进样口和出样口与玻璃上的打孔处对应；

(4)将步骤(3)中制得的第一层聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构置于绝对压强25kPa的真空容器中，脱气处理2h；

(5)将焦糖溶液从玻璃上的打孔处注入经步骤(4)处理后的第一层聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构中。由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(6)将步骤(5)中的第一层聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃放置于热板上至焦糖固化；

(7)剥离步骤(6)中第一层聚二甲基硅氧烷反转模-玻璃结构中的第一层聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在玻璃上10，制得焦糖模具11，用等离子体处理玻璃基片10的表面，然后在焦糖模具11上浇注聚二甲基硅氧烷12，并在聚二甲基硅氧烷12上加压盖玻片13，25℃下静置24h至聚二甲基硅氧烷12固化，从聚二甲基硅氧烷12上剥离胶片13，最后将整体结构浸入60℃热水中，并超声处理至焦糖模具11溶解，制得第一层微管道结构14，如图6、图7所示。

(8)将步骤(2)中制得的第二层聚二甲基硅氧烷反转模15结构面上的进样口和出样口与步骤(7)中制得的第一层微管道结构14上的打孔处对准，如图8所示，贴合密封，形成一个第二层聚二甲基硅氧烷反转模-第一层微流控结构层。

(9)将步骤(8)中制得的第二层聚二甲基硅氧烷反转模-第一层微流控结构层置于绝对压强25kPa的真空容器中，脱气处理2h；

(10)将焦糖溶液从第一层微管道结构上的打孔处注入经步骤(9)处理后的第二层聚二甲基硅氧烷反转模-第一层微管道结构中，其中第一层微管道结构上的打孔处与第二层聚二甲基硅氧烷反转模的结构面上的进样口和出样口对应。由于脱气处理后的聚二甲基硅氧烷块体具有吸收空气的能力，在进样口和出样口被焦糖溶液填充后，整个微管道形成封闭体系，其中空气被脱气的聚二甲基硅氧烷吸收后，使得微管道中气压低于外部大气压，在负压作用下，进样口和出样口的焦糖溶液被驱动浸入微管道，直至充满整个微管道网络；

(11)将步骤(10)中的第二层聚二甲基硅氧烷反转模-第一层微流控结构层置于热板上至焦糖固化；

(12)剥离步骤(11)中第二层聚二甲基硅氧烷反转模-第一层微流控结构层中的第二层聚二甲基硅氧烷反转模，灌注的焦糖将留在第一层微流控结构层14上，制得焦糖模具16，然后在焦糖模具16上浇注聚二甲基硅氧烷17，将整体结构25℃静置12小时至聚二甲基硅氧烷17半固化，然后将半固化的聚二甲基硅氧烷17转移至90℃热板1h至聚二甲基硅氧烷17固化，最后将整体结构浸入60℃热水中，并超声处理至焦糖模具16溶解，制得多层微流控芯片，如图9、10所示。

上述实施例中聚二甲基硅氧烷反转模-基体结构中，基体还可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷；步骤(8)中，聚二甲基硅氧烷固化还可在25℃下静置8～12h至聚二甲基硅氧烷半固化，再在60℃～120℃静置1～2h至聚二甲基硅氧烷固化。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。