一种基于交流电热的高通量微混合芯片及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微混合芯片及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002] 微流控芯片(microfludic chip)指的是把生物和化学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几平方厘米(甚至更小）的芯片 上，由微通道形成网络，自动完成分析全过程，已经发展成为多学科交叉(机械、化学、生物、 医学、流体力学等)的一个十分具有应用前景的研究领域，它在疾病的快速检测方面具有优 势。或者在对病毒或者病菌进行快速准确检测的过程中，如何快速高效的让流体进行混合， 对在微流控芯片上进行生物和化学分析具有十分重要的意义。
[0003] 目前对微流体进行混合的方法有多种，包括主动式和被动式微混合器。其中应用 比较多的是电动力式微混合器，利用外加电场改变电势，进而改变流体的运动方向和速度， 加速流体混合流动。在交流动电现象中，交流电热不但可以克服交流电渗只适合操纵低电 导率溶液的局限，而且还可以克服介电泳不适合对亚微米级粒子操纵的缺点。然而，基于交 流电热机理进行微混合器的研究过程中，研究学者们主要是基于交流电热的线性模型进行 微混合器的设计和优化，当溶液电导率过大时会产生一定的偏差。此外，微混合器也主要采 用了平面电极，不能很好的对整个通道高度上的流体进行均匀混合。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决现有微混合器当溶液电导率过大时会产生一定的偏差，且主要采用 了平面电极，不能很好的对整个通道高度上的流体进行均匀混合的问题，而提供一种基于 交流电热的高通量微混合芯片及其制备方法与应用。
[0005] 本发明的一种基于交流电热的高通量微混合芯片，基于交流电热的高通量微混合 芯片由玻璃基底和PDMS盖片组成；
[0006] 所述的玻璃基底表面设有第一组三维电极、第二组三维电极、第三组三维电极、第 四组三维电极及ΙΤ0电极引线；
[0007] 所述的ΙΤ0电极引线由玻璃基底表面的ΙΤ0导电膜腐蚀后留存得到;所述的第一组 三维电极、第二组三维电极、第三组三维电极、第四组三维电极的厚度均为76μπι;所述的ΙΤ0 电极引线的厚度为200nm;
[0008] 所述的PDMS盖片的下表面设有粒子反应流道、第一流道、第二流道、第三流道、第 一入口槽及第二入口槽，粒子反应流道的入口端分别与第一流道的出口端及第二流道的出 口端相连接，粒子反应流道的出口端与第三流道的入口端相连接;且第一流道的入口端设 有第一入口槽，第二流道的入口端设有第二入口槽，第三流道的出口端设有贯穿PDMS盖片 的出口通孔；
[0009] 所述的第一入口槽的中心位置设有贯穿PDMS盖片的第一圆形入口通孔;所述的第 二入口槽的中心位置设有贯穿PDMS盖片的第二圆形入口通孔；
[0010]且PDMS盖片下表面设有与玻璃基底表面的第一组三维电极、第二组三维电极、第 三组三维电极及第四组三维电极相对应的槽；
[0011 ] 所述的PDMS盖片的厚度为5mm~7mm;所述的粒子反应流道深Η为76μL?，长L为3500μ m，宽W为400μπι;第一流道深为76μπι，长为1.5cm，入口端宽为3mm，出口端宽为200μπι ;第二流 道深为76μηι，长为1.5cm，入口端宽为3mm，出口端宽为200μηι;第三流道深为76μηι，长为 1.2cm，入口端宽为400μηι，出口端宽为3mm;第一入口槽深为76μηι ;第二入口槽深为76μηι;
[0012] 玻璃基底设有电极的一侧和PDMS盖片下表面相对密封，且第一组三维电极的一端 和第三组三维电极的一端均与粒子反应流道的一侧相贴合，第二组三维电极的一端和第四 组三维电极的一端均与粒子反应流道的另一侧相贴合;第一组三维电极与第二组三维电极 的水平距离djl为125μπι;第二组三维电极与第三组三维电极的水平距离pj为200μπι;第三组 三维电极与第四组三维电极的水平距离dj2为125μπι;所述的第一组三维电极、第二组三维 电极、第三组三维电极和第四组三维电极的另一端均与ΙΤ0电极引线相贴合；
[0013] 所述的第一组三维电极由第一三维电极和第二三维电极组成;第一三维电极和第 二三维电极之间的水平距离d3为200μπι;所述的第一三维电极与粒子反应流道贴合的一端 宽dl为225μπι;所得第二三维电极与粒子反应流道贴合的一端宽d2为200μπι;
[0014] 所述的第二组三维电极、第三组三维电极和第四组三维电极的结构与第一组三维 电极相同。
[0015] 本发明的一种基于交流电热的高通量微混合芯片的制备方法，是按以下步骤制 备：
[0016] -、PDMS 通道加工：
[0017] (1)、清洗玻璃:首先将玻璃依次置于丙酮和异丙醇中分别超声清洗5min~15min， 再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的玻璃置于温度为80°C~120°C下加热 15min~30min，得到预处理后的玻璃；
[0018] (2)、光刻胶的平铺:首先将干膜光刻胶一侧的保护层揭掉并粘贴于预处理后的玻 璃上，然后置于塑封机中将干膜光刻胶和玻璃压紧，得到粘有一层干膜光刻胶的玻璃，取另 一张干膜光刻胶，将干膜光刻胶一侧的保护层及粘于玻璃上的干膜光刻胶的另一侧保护层 揭掉，相对贴合，然后置于塑封机中将干膜光刻胶和玻璃压紧，得到粘有两层干膜光刻胶的 玻璃；
[0019] 所述的干膜光刻胶为杜邦公司生产型号为SD238的干膜光刻胶，厚度为38μπι;
[0020] (3)、曝光：将经AutoCAD软件辅助设计并打印好的PDMS掩膜贴于粘有两层干膜光 刻胶的玻璃上，得到预曝光的玻璃，将透光板和遮光板依次置于预曝光的玻璃表面上，并置 于金卤导轨射灯下，预热lmin，预热后去掉遮光板，曝光6s，然后去掉透光板、掩膜及玻璃上 的保护层，得到曝光后的玻璃；
[0021] (4)、显影:将曝光后的玻璃置于质量百分数为5%的碳酸钠溶液中，显影5min~ 6min，然后用等离子水冲洗，氮气吹干，并置于温度为80°C的烤箱中烘烤lOmin~20min，得 到PDMS通道模子；
[0022] (5)、浇筑TOMS:将PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空栗中抽真空20min ~30min，得到硅烷化处理剂，用锡箱纸将PDMS通道模子包覆成一个方形开口槽，且TOMS通 道模子的通道一侧朝上放置，然后把锡箱纸包好的PDMS通道模子放置在真空栗中，将50yL ~lOOyL的硅烷化处理剂注入锡箱纸包好的TOMS通道模子，抽真空2min~3min，静置lOmin ~15min，再在硅烷处理后的PDMS通道模子上饶筑PDMS，抽真空20min~30min，最后置于温 度为80°C~100°C的烘烤箱中加热1.5h~2h，固化；
[0023]所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1;
[0024] (6)、PDMS通道处理:将固化后的PDMS从PDMS通道模子上揭下，并用刀片将其切割 成规则的形状，然后用打孔器打好第一圆形入口通孔、第二圆形入口通孔及出口通孔，得到 toms盖片；
[0025] 二、三维电极的加工：
[0026] (1)、清洗ΙΤ0玻璃：首先将ΙΤ0玻璃依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗5min~ 15min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后将氮气吹干后的ΙΤ0玻璃置于温度为80°C~120 °C下加热15min~30min，得到预处理后的ΙΤ0玻璃；
[0027]所述的ΙΤ0玻璃表面的ΙΤ0导电膜厚度为200nm;
[0028] (2)、光刻胶的平铺:将干膜光刻胶一侧的保护层揭掉并粘贴于预处理后的ΙΤ0玻 璃上，得到光刻胶平铺后的ΙΤ0玻璃；
[0029]所述的干膜光刻胶为杜邦公司生产型号为SD238的干膜光刻胶，厚度为38μπι;
[0030] (3)、曝光：将经AutoCAD软件辅助设计并打印好的ΙΤ0掩膜贴在光刻胶平铺后的 ΙΤ0玻璃上，在金卤导轨射灯下，将光刻胶平铺后的ΙΤ0玻璃曝光3s，得到曝光后的ΙΤ0玻璃；
[0031] (4)、显影:将曝光后的ΙΤ0玻璃表面的保护层去掉，然后置于质量百分数为5%碳 酸钠溶液中，显影2min~3min，得到显影后的ΙΤ0玻璃；
[0032] (5)、腐蚀:将显影后的ΙΤ0玻璃置于质量百分数为60%~80%的盐酸溶液与氯化 铁催化剂的混合液中，浸泡40min，得到腐蚀后的ΙΤ0玻璃；
[0033]所述的质量百分数为60%~80%的盐酸溶液的体积与氯化铁催化剂的质量比为 lmL:(10~50)mg;
[0034] (6)、去除光刻胶:将腐蚀后的ΙΤ0玻璃置于质量百分数为5%的NaOH溶液中浸泡， 去除光刻胶，得到表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃；
[0035] (7)、清洗ΙΤ0电极引线:首先将表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃依次置于丙酮和异丙 醇中超声清洗5min~15min，再用等离子水冲洗，氮气吹干，然后置于温度为80°C~120°C下 加热15min~30min，得到预处理后的表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃；
[0036] (8)、光刻胶的平铺:首先将干膜光刻胶一侧的保护层揭掉并粘贴于预处理后的表 面含有ΙΤ0电极引线的玻璃上，然后置于塑封机中将干膜光刻胶和ΙΤ0玻璃压紧，得到粘有 一层干膜光刻胶的表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃，取另一张干膜光刻胶，将干膜光刻胶一侧 的保护层及粘于表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃上的干膜光刻胶的另一侧保护层揭掉，相对 贴合，然后置于塑封机中将干膜光刻胶和玻璃压紧，得到粘有两层干膜光刻胶的表面含有 ΙΤ0电极引线的玻璃；
[0037]所述的干膜光刻胶为杜邦公司生产型号为SD238的干膜光刻胶，厚度为38μπι;
[0038] (9)、曝光:在显微镜下，将经AutoCAD软件辅助设计并打印好的三维电极掩膜贴在 粘有两层干膜光刻胶的表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃上，并置于金卤导轨射灯下，曝光6s~ 7s，去掉掩膜，得到曝光后的表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃；
[0039] (10)、显影:将曝光后的表面含有ΙΤ0电极引线的玻璃置于质量百分数为5%碳酸 钠溶液中，显影5min~6min，然后用等离子水冲洗，氮气吹干，并置于温度为80°C的烤箱中 烘烤1 〇m i η~20m i η，得到三维电极的通道模子；
[0040] (11)、涂抹Ag-PDMS混合物:将Ag、PDMS与固化剂混合，搅拌均匀，然后置于真空栗 中抽真空20min~30min，得到三维电极原料，将三维电极的通道模子置于等离子机的腔室 内，在腔室压力为700毫托及等离子发生器功率为20W的条件下，曝光32s，得到等离子后的 三维电极的通道模子，将三维电极原料均匀涂覆至等离子后的三维电极的通道模子里，压 实，并在温度为150°C的烘烤箱中，加热固化20min;
[00411 所述的PDMS与固化剂的质量比为10:1;所述的PDMS与Ag的质量比为1: (4~6); [0042] (12)、去除光刻胶：固化后，去除表面多余的三维电极原料，然后置于质量百分数 为5%的NaOH溶液中浸泡15min，浸泡后用去离子水清洗，然后在温度为100°C下加热lOmin， 得到玻璃基底；
[0043] 三、芯片的制备：
[0044] 将玻璃基底设有电极的一侧和P