一种微流控分离芯片及制作方法与流程

本发明涉及一种微流控分离芯片及制作方法。

背景技术：

微流控芯片，又叫“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)，是利用微机电技术在一片面积狭小的芯片上，制作微泵、微阀、微电极、微滤器、微反应器等结构元件，实现宏观的各实验室单元功能的微型化集成，最终实现芯片实验室的功能。微流控芯片技术与传统的生物化学样品检测制备技术相比，该技术的样品损耗少、检测响应快、操作简单，既可以缩短检测时间，又可以提高检测的灵敏度、准确度以及效率，已逐步在生物化学检测领域进行了推广应用，具有非常重要的应用价值。

目前，大多数学者所设计的微流控芯片，其样品检测产物的控制是单方向性，人工干预高，自动化程度低，其不同产物之间的分离和提取存在一定的难度，这也制约了该项技术的应用和推广。

根据科学家的研究表明，一些材料在特定条件下所发生的介电击穿不会造成永久的破坏，具有可恢复性。

击穿分为热击穿和电击穿，其中电击穿是在室温或者低温下，由于电子失稳造成的，属于本征击穿。

固体电介质在高电场下击穿造成介质破坏的因素是：温度和场强达到热击穿，或者电弧放电造成毁坏。在填充导电液体的沟道中进行，密封环境下可以避免电弧放电产生的击穿破坏。为了避免热击穿的损坏，一旦达到本征击穿的场强，便不再增加电压；尽量通过各种手段减少热量的增加，避免热击穿带来的损坏。

电弧放电电弧的形成是电极之间空气中性质子(分子和原子)被游离的过程。Klein实验中，电极两端加上电压，在微秒内产生10安培级别的电流，电流密度能达到10¹⁰A/cm²。由于实验在填充导电液体的沟道中进行，密封环境下可以避免电弧放电产生的击穿破坏。

热击穿有确定的的临界击穿场强，数量级均在10⁸V/m或者更高，大量的热量会导致材料的损坏(熔化)。为了避免热击穿的损坏，一旦达到本征击穿的场强，便不再增加电压；尽量通过各种手段减少热量的增加，避免热击穿带来的损坏。

单位时间内通过表面A由导热系统进入系统的热量Q1，单位时间内单位体积(AL)中内热源(电加热)产生的热量Q2,单位时间内单位体积中热量的增加Q3。

导热体系建立能量平衡方程：Q1+Q2＝Q3。(假设是稳态模型下)稳态下，Q3为0，即内热源产生的热量全部传导出去，不引起内能变化。

热导率的方程式为：

A(m²)——导热横截面截面，L(m)——两热源厚度，ΔT(K)——温度差，单位时间内直接传导的热量，热导率k(W/mK)——材料导热的能力。

由仿真数据得出结论，微流控芯片的通道壁(用于介电击穿控制)厚度设计在5微米以内可以有效防止击穿损坏，相对应的通道直径设计为10微米级别。

PDMS的击穿场强为140kV/cm，所需要的击穿场强低于玻璃。PDMS(polydimethylsiloxane)，聚二甲基硅氧烷在生物微机电系统，软蚀刻(soft lithography)技术大量用于微流道系统。在硅晶板上设计渠道，然后倒入液态的二甲基硅氧烷在这些硅晶板并加热使二甲基硅氧烷变硬。当二甲基硅氧烷移除，即使是微米级的微流道设计细节也会印在PDMS(聚二甲基硅氧烷)板上的。有了这个特殊的硅橡胶板，利用反应离子蚀刻机(RIE)进行亲水性表面改性。一旦表面键结被破坏，通常是一块载玻片放在激活的一侧硅氧烷(侧面的痕迹)。一旦键结回到到正常状态，玻璃则永久和PDMS板结合，从原本硅晶板上设计渠道变成一个防水通道。有了这个技术，低价地制作微流道、微混合器、微泵、微阀门等元件，最小的几何尺寸也能达到纳米等级。

因此，为提高“芯片实验室”产物的分离效果以及效率，从实际应用的角度出发，本发明设计一种基于介电击穿技术的数字式微流控分离芯片，并给出其制作方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种微流控分离芯片及制作方法，其进行介电击穿所需的电压低，能实现样品的自动控制分离，提高实验的安全性以及可操作性，降低实验成本。

发明的技术解决方案如下：

一种微流控分离芯片，包括PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)基片和PDMS盖片，PDMS基片和PDMS盖片都为长方体，底部为边长为6厘米的正方形，高为3毫米，PDMS基片和PDMS盖片键合。

PDMS基片中心处设有一个圆柱筒形的基片进液池，基片进液池高10微米，底面圆直径为3毫米。

PDMS基片上，在基片进液池前方设有一个长方体形主沟道，与基片进液池连接，主沟道与PDMS基片的底面平行，主沟道长度为1.75厘米，宽度为10微米，高度为10微米。

主沟道上设有4个依次相隔0.25厘米的分离支点，最后方分离支点与基片进液池相距1厘米，每个分离支点左右两边设有互相对称的一对分离沟道，最前方分离支点两边的分离沟道与主沟道垂直，其他分离沟道均向前与主沟道呈60度夹角，分离沟道的宽度均为10微米，高度均为10微米。

PDMS基片上，主沟道上最前方分离支点的左右两边横向对称各设有4个大小相等的圆柱筒形基片分离储液池，基片分离储液池依次与分离沟道连接，离主沟道最近的一对基片分离储液池之间相隔0.4厘米，分别与最前方分离支点两边的分离沟道连接，基片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为10微米。

PDMS基片前方设有与8个基片分离储液池相对的8个电渗流控制电极，8个电渗流控制电极与8个基片分离储液池之间设有1层厚度为5微米的PDMS绝缘垻。

PDMS盖片与基片进液池对应位置处设有1个圆柱筒形盖片进液池，盖片进液池底面圆直径为3毫米，高为1毫米。

PDMS盖片与8个基片分离储液池对应位置处设有8个圆柱筒形盖片分离储液池，盖片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为1毫米。

PDMS盖片上胶粘有4组横向紧挨的玻璃小球，每组玻璃小球由3个直径为5微米的玻璃小球组成，每组玻璃小球的正中间的玻璃小球与PDMS基片上的分离支点位置对应。

PDMS基片和PDMS盖片键合包含下述步骤：PDMS基片的基片进液池、分离支点、基片分离储液池和PDMS盖片的盖片进液池、玻璃小球、盖片分离储液池对应面贴合合拢。

一种微流控分离芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)采用硅片光刻工艺，在硅片上得到芯片基片的所有图形，利用ICP等离子刻蚀技术(Inductively Couple Plasma Etch，感应耦合等离子体刻蚀)对硅片进行刻蚀，得到基片进液池、主沟道、分离沟道、基片分离储液池、绝缘垻、电渗流控制电极的结构形状。

b)利用硅片做模具，选用PDMS材料在硅片上进行浇注，进行转模，得到PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)基片，PDMS基片的结构如下：

PDMS基片为长方体，底部为边长为6厘米的正方形，高为3毫米。

PDMS基片中心处设有一个圆柱筒形的基片进液池，基片进液池高10微米，底面圆直径为3毫米。

PDMS基片上，在基片进液池前方设有一个长方体形主沟道，与基片进液池连接，主沟道与PDMS基片的底面平行，主沟道长度为1.75厘米，宽度为10微米，高度为10微米。

主沟道上设有4个依次相隔0.25厘米的分离支点，最后方分离支点与基片进液池相距1厘米，每个分离支点左右两边设有互相对称的一对分离沟道，最前方分离支点两边的分离沟道与主沟道垂直，其他分离沟道均向前与主沟道呈60度夹角，分离沟道的宽度均为10微米，高度均为10微米。

PDMS基片上，主沟道上最前方分离支点的左右两边横向对称各设有4个大小相等的圆柱筒形基片分离储液池，基片分离储液池依次与分离沟道连接，离主沟道最近的一对基片分离储液池之间相隔0.4厘米，分别与最前方分离支点两边的分离沟道连接，基片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为10微米。

PDMS基片前方设有与8个基片分离储液池相对的8个电渗流控制电极，8个电渗流控制电极与8个基片分离储液池之间设有1层厚度为5微米的PDMS绝缘垻。

PDMS基片上的8个电渗流控制电极分别由在对应位置上胶粘直径100微米的铜丝构成，铜丝长度突出PDMS基片边沿1厘米，用于芯片与外部电连接。

c)制作一个大小形状与PDMS基片相同的底部边长为6厘米的正方形、高为3毫米的长方体纸盒，在其对应于PDMS基片进液池位置上胶粘直径为3毫米，高为1毫米的实心圆柱模型，在其对应于PDMS基片8个分离储液池的位置上分别胶粘8个直径为2毫米，高为1毫米的实心圆柱模型，选用PDMS材料注入纸盒，固化，剥离，得到PDMS盖片，PDMS盖片与基片进液池对应位置处设有1个圆柱筒形盖片进液池，盖片进液池底面圆直径为3毫米，高为1毫米，PDMS盖片与8个基片分离储液池对应位置处设有8个圆柱筒形盖片分离储液池，盖片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为1毫米。

PDMS盖片上胶粘有4组横向紧挨的玻璃小球，每组玻璃小球由3个直径为5微米的玻璃小球组成，每组玻璃小球的正中间的玻璃小球与PDMS基片上的分离支点位置对应。

d)将PDMS基片与PDMS盖片键合：将PDMS基片和PDMS盖片放置在6瓦低压汞灯下3厘米处，照射3小时后将PDMS基片与PDMS盖片上滴上去离子水，在1分钟内将PDMS基片的基片进液池、分离支点、基片分离储液池和PDMS盖片的盖片进液池、玻璃小球、盖片分离储液池对应面贴合合拢，合拢后放置于干燥箱内65度下保存2小时，然后拿出，在空气中放置24小时备用。

有益效果：

本发明的电渗流控制电极与分离储液池之间有1层厚度为5微米的绝缘坝进行隔离，样品分离时，所有沟道充满导电液，因而，施加在进液池上的电压可以通过导电液直接传递到分离储液池，这样在电渗流控制电极与分离储液池之间将形成一个电场，也即会在电渗流控制电极与进液池之间形成一个电场，样品的分离将通过施加在进液池与控制电极之间的这个电场所形成的电渗流驱动实现。由于PDMS的击穿场强为140kV/cm，对于5微米宽的PDMS绝缘坝而言，进行介电击穿并在沟道内形成电渗流所需的电压只需70伏左右，远远低于传统方法进行电渗流分离所需的千伏级电压，提高了实验的安全性以及可操作性，降低了实验成本。此外，为实现对样品分离的自动控制，在主沟道的分离支点处分别设有直径为5毫米的玻璃小球，从而可以结合光学透镜放大技术以及图像采集传感技术，对沟道内样品种类进行实时监控，利用数字图像处理技术进行样品图像的特征识别，对所识别的图像与已经保存在计算机内的数据库数据进行对比，确定样品的种类，然后根据样品分离的需要，由计算机输出控制指令到电极切换电子控制开关，实现对不同样品分离通道的切换控制，实现样品的自动控制分离。

附图说明

图1为微流控分离芯片的结构图；

图2为硅片的光刻、刻蚀工艺流程图；

图3为PDMS芯片制作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：一种微流控分离芯片，如图1所示，包括PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)基片和PDMS盖片，PDMS基片和PDMS盖片都为长方体，底部为边长为6厘米的正方形，高为3毫米，PDMS基片和PDMS盖片键合。

PDMS基片中心处设有一个圆柱筒形的基片进液池，基片进液池高10微米，底面圆直径为3毫米。

PDMS基片上，在基片进液池前方设有一个长方体形主沟道，与基片进液池连接，主沟道与PDMS基片的底面平行，主沟道长度为1.75厘米，宽度为10微米，高度为10微米。

主沟道上设有4个依次相隔0.25厘米的分离支点，最后方分离支点与基片进液池相距1厘米，每个分离支点左右两边设有互相对称的一对分离沟道，最前方分离支点两边的分离沟道与主沟道垂直，其他分离沟道均向前与主沟道呈60度夹角，分离沟道的宽度均为10微米，高度均为10微米。

PDMS基片上，主沟道上最前方分离支点的左右两边横向对称各设有4个大小相等的圆柱筒形基片分离储液池，基片分离储液池依次与分离沟道连接，离主沟道最近的一对基片分离储液池之间相隔0.4厘米，分别与最前方分离支点两边的分离沟道连接，基片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为10微米。

PDMS基片前方设有与8个基片分离储液池相对的8个电渗流控制电极，8个电渗流控制电极与8个基片分离储液池之间设有1层厚度为5微米的PDMS绝缘垻。

PDMS盖片与基片进液池对应位置处设有1个圆柱筒形盖片进液池，盖片进液池底面圆直径为3毫米，高为1毫米。

PDMS盖片与8个基片分离储液池对应位置处设有8个圆柱筒形盖片分离储液池，盖片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为1毫米。

PDMS盖片上胶粘有4组横向紧挨的玻璃小球，每组玻璃小球由3个直径为5微米的玻璃小球组成，每组玻璃小球的正中间的玻璃小球与PDMS基片上的分离支点位置对应。

PDMS基片和PDMS盖片键合包含下述步骤：PDMS基片的基片进液池、分离支点、基片分离储液池和PDMS盖片的盖片进液池、玻璃小球、盖片分离储液池对应面贴合合拢。

一种微流控分离芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)采用硅片光刻工艺，在硅片上得到芯片基片的所有图形，利用ICP等离子刻蚀技术(Inductively Couple Plasma Etch，感应耦合等离子体刻蚀)对硅片进行刻蚀，得到基片进液池、主沟道、分离沟道、基片分离储液池、绝缘垻、电渗流控制电极的结构形状。

如图2所示，硅片的光刻、刻蚀工艺流程如下：

清洗：先后分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗硅片各5分钟，用氮气吹干后放在温度为150℃的热板上烘2～5分钟。

匀胶：分两步匀胶，第一步500r/min旋转15s～20秒，第二步以4000r/min旋转30～35s。

前曝光：紫外曝光90s，

后烘：在120℃的热板上烘烤120s，

后曝光：紫外曝光160s，

显影：显影液中显影40～45s，

溅射：射频功率为120W，真空度为4×10^-4Pa，氩气气压为5mTorr，基片冷却方式为水冷。溅射速率约为16nm/min，溅射时间为12min。Cr膜厚为100nm左右。

然后，进行光刻胶剥离，再选用刻蚀仪器的型号为Oxford Instruments Plasma-lab system 100的刻蚀机，采用系统内置的Bosch工艺来进行刻蚀。内置的电感耦合等离子体耦合参数如下表所示：

b)利用硅片做模具，选用PDMS材料在硅片上进行浇注，进行转模，得到PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)基片，PDMS基片的结构如下：

PDMS基片为长方体，底部为边长为6厘米的正方形，高为3毫米。

PDMS基片中心处设有一个圆柱筒形的基片进液池，基片进液池高10微米，底面圆直径为3毫米。

PDMS基片上，在基片进液池前方设有一个主沟道，与基片进液池连接，主沟道与PDMS基片的底面平行，主沟道长度为1.75厘米，宽度为10微米，高度为10微米。

主沟道上设有4个依次相隔0.25厘米的分离支点，最后方分离支点与基片进液池相距1厘米，每个分离支点左右两边设有互相对称的一对分离沟道，最前方分离支点两边的分离沟道与主沟道垂直，其他分离沟道均向前与主沟道呈60度夹角，分离沟道的宽度均为10微米，高度均为10微米。

PDMS基片上，主沟道上最前方分离支点的左右两边横向对称各设有4个大小相等的圆柱筒形基片分离储液池，基片分离储液池依次与分离沟道连接，离主沟道最近的一对基片分离储液池之间相隔0.4厘米，分别与最前方分离支点两边的分离沟道连接，基片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为10微米。

PDMS基片前方设有与8个基片分离储液池相对的8个电渗流控制电极，8个电渗流控制电极与8个基片分离储液池之间设有1层厚度为5微米的PDMS绝缘垻。

PDMS基片上的8个电渗流控制电极分别由在对应位置上胶粘直径100微米的铜丝构成，铜丝长度突出PDMS基片边沿1厘米，用于芯片与外部电连接。

c)制作一个大小形状与PDMS基片相同的底部边长为6厘米的正方形、高为3毫米的长方体纸盒，在其对应于PDMS基片进液池位置上胶粘放置直径为3毫米，高为1毫米的实心圆柱模型，在其对应于PDMS基片8个分离储液池的位置上胶粘分别放置8个直径为2毫米，高为1毫米的实心圆柱模型，选用PDMS材料注入纸盒，固化，剥离，得到PDMS盖片，PDMS盖片与基片进液池对应位置处设有1个圆柱筒形盖片进液池，盖片进液池底面圆直径为3毫米，高为1毫米，PDMS盖片与8个基片分离储液池对应位置处设有8个圆柱筒形盖片分离储液池，盖片分离储液池底面圆直径为2毫米，高为1毫米。

PDMS盖片上胶粘有4组横向紧挨的玻璃小球，每组玻璃小球由3个直径为5微米的玻璃小球组成，每组玻璃小球的正中间的玻璃小球与PDMS基片上的分离支点位置对应。

d)将PDMS基片与PDMS盖片键合：将PDMS基片和PDMS盖片放置在6瓦低压汞灯下3厘米处，照射3小时后将PDMS基片与PDMS盖片上滴上去离子水，在1分钟内将PDMS基片的基片进液池、分离支点、基片分离储液池和PDMS盖片的盖片进液池、玻璃小球、盖片分离储液池对应面贴合合拢，合拢后放置于干燥箱内65度下保存2小时，然后拿出，在空气中放置24小时备用。

PDMS芯片制作流程如图3所示。

本发明中8个电渗流控制电极位置胶粘直径100微米的铜丝，铜丝长度突出PDMS基片边沿1厘米，连接到外部多路模拟控制开关芯片CD4051的输出引脚上。

在主沟道的分离支点处分别设有直径为5毫米的玻璃小球，从而可以结合光学透镜放大技术以及图像采集传感技术，对沟道内样品种类进行实时监控，利用数字图像处理技术进行样品图像的特征识别，对所识别的图像与已经保存在计算机内的数据库数据进行对比，确定样品的种类，然后根据样品分离的需要，由计算机输出控制指令到外部多路模拟控制开关芯片CD4051，利用外部多路模拟控制开关芯片CD4051的ABC三个输入通道选择端实现对不同样品分离通道的切换控制，实现样品的自动控制分离。

本发明的电渗流控制电极与分离储液池之间有1层厚度为5微米的绝缘坝进行隔离，样品分离时，所有沟道充满导电液，因而，施加在进液池上的电压可以通过导电液直接传递到分离储液池，这样在电渗流控制电极与分离储液池之间将形成一个电场，也即会在电渗流控制电极与进液池之间形成一个电场，样品的分离将通过施加在进液池与控制电极之间的这个电场所形成的电渗流驱动实现。由于PDMS的击穿场强为140kV/cm，对于5微米宽的PDMS绝缘坝而言，进行介电击穿并在沟道内形成电渗流所需的电压只需70伏左右，远远低于传统方法进行电渗流分离所需的千伏级电压，提高了实验的安全性以及可操作性，降低了实验成本。