用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片及制作方法与流程

本发明属于微流控制作技术领域，具体是指一种用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片及制作方法。

背景技术：

地球深部多孔裂隙岩体及近地表非饱和岩土孔隙中往往存在多组分、多相流体(例如空气、水、及非水相污染物等)。它们之间的动力学运动特征及与岩土体之间发生的物质交换对研究页岩油(气)开采、co2地质封存及地下水污染物运移等领域都具有非常重要的意义。然而受限于岩石及土体不可光学透视的特性，清晰、实时地监测岩土体孔/裂隙中流体运动及对周围环境影响的问题一直没有得到解决，从而阻碍了我们深刻理解孔/裂隙介质中多相流的运动及物质交换过程。尽管目前有一些手段，诸如ct(数字成像技术)、mri(核磁共振技术)等正在投入使用，但是设备昂贵的价格以及对人体极大伤害等弊端并没有在地球物理研究领域广泛应用。所以，寻找并开发新的技术手段来开展相关研究的需求迫在眉睫。

微流控芯片技术(microfluidics)，指的是把生物、化学医学分析等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块核心单元为微米尺寸的芯片上，自动完成全过程分析的一类技术。它有诸多优点：时间及人工成本低、检测灵敏度高、准确率和重复性好。与此同时，岩土体的孔/裂隙尺度处于微纳米(～μm-～nm)级别，从细观尺度上开展与之相关的实验研究，微流控技术显现出独特的天然优势。借鉴于此，研发适用于地球物理领域的微流控芯片无疑是解决目前该学科发展瓶颈的最优方案。

目前广泛应用于生物、医学等领域的微流控芯片材料多采用晶体硅、玻璃，石英和各种高分子聚合物材料，制作过程所需的条件较为严苛，特别是对芯片进行键合时，需要多种设备进行辅助，例如晶体硅、玻璃以及石英类芯片键合需要高温(～800℃)高压,往往还会因操作技术问题导致玻璃表面出现牛顿环等影响实验观测的缺陷，造成芯片制作良品率降低。因此，选择适用于地球物理领域的微芯片材料至关重要，克服上述现有微流控芯片键合技术中的问题也是本发明的重点目标。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片及制作方法，通过本发明的微流控芯片，能够以较小的试剂消耗量完成测试，易于控制和操作。

为实现上述目的，本发明提供的用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片，其特征在于：包括水平平行布置的含有微通道的微流控芯片主体，还包括上基层，中基层，下基层，上粘涂层，下粘涂层；所述上基层、上粘涂层、中基层、下粘涂层和下基层自上而下依次与微流控芯片主体水平平行布置，所述中基层水平贯穿芯片主体将其分为上半部和下半部，所述上基层、上粘涂层均位于中基层上方；所述下粘涂层和下基层均位于中基层下方；还设有注入口，注出口和置于中基层内且水平布置的引流通道；所述注入口和注出口均垂直贯通上基层、上粘涂层和中基层，并且均与引流通道连通。

作为优选方案，所述圆柱形注入口和注出口的直径均为0.5mm；所述引流通道宽度为0.3mm，长度为8mm；所述上基层、中基层和下基层均采用厚度为0.2mm的硼酸盐玻璃，所述硼酸盐玻璃使用硅烷进行超疏水化处理制得以防止边角流的发生。

进一步地，所述上粘涂层和下粘涂层均采用紫外光敏胶水制得；所述芯片主体的材料为岩石切片，其尺寸为2mm×2mm，厚度为0.2mm。

本发明还提供一种用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片的制作方法，其特征在于：它包括如下步骤：

首先制备含有微通道的微流控芯片主体，再对载玻片的上基层、中基层、下基层进行通道刻蚀，最后利用半固化状态下光敏胶进行基底物理键和封装，即得到所述微流控芯片；

所述微通道采用ct扫面获得岩体内部粗糙壁面裂隙，再通过激光雕刻技术将图形转移到特定岩石切片上，进一步与含有注入孔和引流通道的基层连接，最后键合封装得到所述微流控芯片。

本发明的优点如下：本发明微流控芯片主体的材料可为氯化钠晶体、所测试岩石切片等易获得通用物质，上下基片采用具有透明特性的硅酸盐玻璃载玻片或环氧树脂类的有机玻璃，制备微流体芯片通常只需常温常压条件，整个制作时间为2—3小时。本发明是一种从应用层面特别涉及深部地球物理岩土体化学地质耦合过程研究技术领域技术理念及观测模型的制作方法，该方法使用精选的材料刻蚀微芯片通道，并采用半固化的光敏胶水与基底进行物理键合，一方面微尺寸通道的地质材料适用于研究目的，另一方面克服传统方法中需要诸多设备辅助而直接进行键和封装，最终获得制作用时少、成本低、精度高，良品率高且能承受较大压力的微流控芯片。该方法具有通道制作精度高、芯片封装工艺简单、制备时间短、应用灵活、便于批量化生产等优点，同时该方法将微流控技术从生物医学等领域扩展到了地球物理、能源环境等学科。

附图说明

图1为本发明的微流控芯片的结构示意图。

图2为本发明的微流控芯片示例中掩膜板上的岩石裂隙形微通道图案的示意图。

图3为本发明的微流控芯片上基层示意图。

图4为本发明的微流控芯片中基层示意图。

图中：微流控芯片主体1，上基层2，中基层3，下基层4，上粘涂层5，下粘涂层6，注入口7，注出口8，引流通道9。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。若无特殊说明，所用实验方法为常规实验方法；所使用的试剂和材料等均可通过商业途径获得。

本发明提供的用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片，包括水平平行布置的含有微通道的微流控芯片主体1，还包括上基层2，中基层3，下基层4，上粘涂层5，下粘涂层6；上基层2、上粘涂层5、中基层3、下粘涂层6和下基层4自上而下依次与芯片主体1水平平行布置，中基层3水平贯穿芯片主体1将其分为上半部和下半部，上基层2、上粘涂层5均位于中基层3上方；下粘涂层6和下基层4均位于中基层3下方；还设有注入口7，注出口8和置于中基层3内且水平布置的引流通道9；注入口7和注出口8均垂直贯通上基层2、上粘涂层5和中基层3，并且均与引流通道9连通。

圆柱形注入口7和注出口8的直径均为0.5mm；引流通道9宽度为0.3mm，长度为8mm；上基层2、中基层3和下基层4均采用厚度为0.2mm的硼酸盐玻璃，硼酸盐玻璃使用硅烷进行超疏水化处理制得以防止边角流的发生。

上粘涂层5和下粘涂层6均采用紫外光敏胶水制得；微流控芯片主体1的材料为岩石切片，其尺寸为2mm×2mm，厚度为0.2mm。

本发明的用于地质过程化学溶蚀研究的微流控芯片的制作方法，其特征在于：它包括如下步骤：首先制备含有微通道的微流控芯片主体1，再对上中下层载玻片(上基层2，中基层3，下基层4)进行通道刻蚀，最后利用半固化状态下光敏胶进行基底物理键和封装，即得到微流体芯片；

微通道采用ct扫面获得岩体内部粗糙壁面裂隙，再通过激光雕刻技术将图形转移到特定岩石切片上，进一步与含有注入孔7和引流通道9的基层连接，最后键合封装得到微流控芯片。

其中，微通道图形获取：

使用ct扫描仪对含有原始微裂纹的岩芯进行高进度扫描或者通过位于在德克萨斯州大学奥斯汀分校的共享平台(https://www.digitalrocksportal.org/)获取原始数据，通过计算机处理将其转为可编辑的cad图像，如图2。

根据初始设计，将及注入孔7、注出孔8示意图(图3)、引流通道9示意图(图4)绘制为cad图案，待下一步进行雕刻使用。

微通道芯片主体1和基层通道及注入、出口制作：

使用岩石磨片机将石灰岩岩芯打磨成2mm×2mm，厚度为1mm的薄片，再采用高精度数控仪将薄片进一步抛光，尺寸为2mm×2mm，厚度为0.2mm的薄片，长宽厚误差均为±0.1μm，使用原子力显微镜(afm)测得其表面粗糙度为±5μm。

再通过精密激光雕刻机将上述获得的cad图案雕刻在抛光后的岩石切片上，测量得其精度为±8μm。

微芯片键合封装：

将紫外光刻胶使用旋涂机以100μm的厚度均匀布满上基层2和下基层4，对应的旋涂转速为500r/min，30s。再使用30mw/cm²的紫外固化灯(365nm波长)曝光30s，此时会得到半固化状态的胶水，即胶水牢固与基层粘结，但其表面仍有一定粘结性。

将中基层3对中放置于下基层4旋涂有半固化胶水那面上，然后将含有通道的岩石切片放置于中基层3预先切好的方槽中，再使用紫外固化等曝光90s，胶水完全固化使得中、下基层粘结牢固。

同样的方法，将上一步粘结好的基层与上基层粘结牢固，至此通过键合封装，最终完成微流控芯片的制作。