专利名称：基于磁珠固定的微加工、表面修饰方法及微芯片结构的制作方法
技术领域：
本发明属于生物工程和分析化学技术领域，具体涉及微加工及表面修饰方法。
背景技术：
近年来，微流控芯片技术在分析化学和生化检测领域得到越来越广泛的应用。其中， 芯片通道内的微结构加工和芯片内部流动通路的表面修饰是芯片能够实现特定功能的一个 重要的前提条件。用于芯片上微结构加工和表面修饰的方法很多，最常用的是光刻-化学蚀 刻方法和软光刻方法。这些方法可以加工出很高精度的微结构，也可以在微通道表面修饰 微细的图案。但是，这些加工方法通常都需要在芯片封装，即通道完全密闭前完成。最近， 美国哈佛大学的Whitesides等人利用层流条件下的溶液扩散反应，在不同液体反应剂的界面 沉积固体反应物，从而实现封闭微通道中的微加工工艺，但这种方法难以控制，所能加工 的微结构也很简单。另外，现有的方法也都不能实现在封闭的微通道中随意产生、改变或 者移走微结构，尽管这些操作都具有重要的应用意义。例如，可以在需要的时候产生、改 变或者移走微结构，可以大大降低芯片设计的难度，避免某一操作所需要的微结构会对随 后的实验操作带来干扰。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和微流控芯片技术的发展需要，提出了一种以微磁珠固定 为基础的芯片内微结构加工和表面修饰的方法以及实现该方法的微芯片结构，以在需要的 时候产生、改变或者移走微结构，降低芯片设计的难度，避免某一操作所需要的微结构会 对随后的实验操作带来干扰。
本发明的技术方案如下-
该方法是通过在微流控芯片的微通道网络底部外，根据所需要加工的微结构形状或者 表面修饰图案形状，直接加工电磁线圈或结合永磁体，通过永磁体的磁场或者加载电流使 电磁线圈产生特定磁场吸附芯片微通道中流动的磁珠悬浮液中的微磁珠，使其按永磁体或 电磁线圈的磁场控制作用排列，并固定在微通道底部，在微通道内形成所需要的特定三维 微结构或者二维表面修饰图案。这些结构和修饰图案可以随磁场的改变而改变。当不需要
3微结构或表面修饰时，移走永磁体或关闭电磁线圈的控制电源，然后用液体冲洗掉未固定 的磁珠；所述微通道网络通过进、出样口与外界管道连接，用于液体的流动；在加工了电 磁线圈的微通道网络底部外覆盖有绝缘层，绝缘层外由支撑层作支撑。
实现上述方法的微芯片结构通常包括通道层、支撑及电极层、绝缘层及支撑层；如果 采用永磁体产生磁场，可以只有通道层和支撑层。所述通道层上面加工微通道网络，分别 与进出样口相连接，支撑及电极层(在采用永磁体时是支撑层)与通道层通过物理方法结 合，作为芯片中微通道网络的底部，和通道层一起构成封闭的流动网络，微通道网络内通 入有磁珠悬浮液；在所述支撑及电极层中加工有电磁线圈，用来产生特定的磁场。经过加 工处理的永磁体可以设置在微通道网络的底部，也可以用来产生特定的磁场。永磁体或电 磁线圈的形状根据需要加工的微结构形状或者表面修饰图案形状确定。对于采用电磁线圈 产生磁场的芯片，在支撑及电极层表面还覆盖绝缘层，支撑层结合在绝缘层外。
所述微芯片的通道层采用玻璃、有机玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等透明芯片加 工材料制成。
所述微芯片的微通道的底部很薄，小于50微米。
所述磁珠的直径在几十纳米到几十微米之间。磁珠内部为超顺磁颗粒，外面由有机材
料包裹。
利用上述以磁珠固定为基础的微结构加工和表面修饰方法可以在芯片上进行细胞固定 和控制细胞定向生长，通过让大量磁珠按一定方向排列，可以形成微水坝结构，让细胞依 靠微水坝排列固定。也可以让表面用poly-lysine修饰后的、直径很小(l微米或者亚微米) 的磁珠颗粒在通道底部排列成特定图案，以控制细胞的定向生长。
本发明提出的方法和芯片结构具有以下优点-
1) 芯片设计要求低，所需要的加工条件也很低，容易推广；
2) 通道内的微结构和表面修饰图案可以根据要求(如实验进度)而随时改变，增减; 避免某一操作所需要的微结构会对随后的实验操作带来干扰。
3) 芯片内部结构的组合和排列，可以产生很多新的功能。
图1是芯片的剖面结构示意图
图2是采用永磁铁时的芯片的剖面结构示意图3是芯片的通道层示意图；图4是利用磁珠形成的微水坝进行细胞固定及红细胞渗透脆性实验；其中a.图是显示 在电极上通电后，磁珠固定在电极形成的磁场附近，图中箭头表示流动方向；b图是显示 用缓冲液冲洗掉未固定的磁珠；C图是显示在磁珠形成的条带一侧固定一列红细胞；d.图是 显示停止对电极供电，磁场消失，用缓冲液冲洗掉未固定的磁珠；e图是显示红细胞渗透 脆性实验；f.沿红细胞队列上的盐浓度梯度；
图5是利用磁珠修饰的表面来培养细胞并控制细胞定向生长，其中a图是显示两个相 同的微电极线圈，右侧的有电流通过，产生的磁场上有磁珠固定；b图是显示在磁珠固定 的区域有神经细胞生长；C图是.显示神经细胞逐渐向新覆盖的磁珠表面生长)。
具体实施方式
实施例h
参见图1，以磁珠固定为基础的微结构加工和表面修饰方法的芯片包括通道层1、支撑 及电极层2、绝缘层3及支撑层4。通道层l采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，上面加 工了 "H"形状的微通道网络7，分别与四个独立的进出样口9相连接(见图3)。磁珠悬 浮液或者样品溶液可以从任意的进出样口进出芯片通道。支撑及电极层2的绝缘树脂8 — 侧结合在通道层1上加工有微通道网络7的一面，有两个功能 一个是作为芯片中微通道 网络7的底部，和通道层1一起构成封闭的流动网络；二是将微电磁线圈5微加工在这一 层中，用来产生特定的磁场。将硅材料的一侧氧化生成二氧化硅绝缘层3，在未氧化的一 侧用采用光刻及化学蚀刻的方法加工线圈5。然后在线圈5的上表面沉积金以增加导电性。 在线圈5加工完成后，覆盖上很薄的一层树脂8，刚好盖过电极表面。该绝缘层可以防止 通道内液体和电极连通导电。其厚度很薄，有利于磁场穿过。而且，该树脂容易形成非常 平整的表面，易于芯片的密封。支撑层4采用硅材料。
整个芯片的尺寸为20(长)xio(宽)x5(高)mm(请在附图中标出长、宽、高)。 微通道网络7的宽度和深度分别为200 Hm和12pm,电极的厚度为4 pm，树脂层的厚度 是10^un。所有进出样口9的直径为2mm。
另外，这种微芯片也可以采用永磁铁产生磁场，其结构如图2所示，它包括通道层l 和支撑层4;所述通道层1上面加工微通道网络7,分别与进出样口 9相连接，支撑层4 加工在透明硬质材料上面，然后通过物理或者化学作用与通道层1结合，作为芯片中微通 道网络7的底部，和通道层1一起构成封闭的流动网络，微通道网络7内通入有磁珠悬浮 液，图中6微磁珠；在通道网络7底部结合有永磁体10，永磁体IO根据需要加工的微结构形状或者表面修饰图案形状加工成相应的形状。通过永磁体10的磁场吸附芯片微通道网 络7中流动的磁珠悬浮液中的微磁珠6，使其按永磁体的控制作用排列，并固定在微通道 内底部，在微通道内形成所需要的微结构或者表面修饰图案。
实施例2:利用磁珠构成的微水坝结构固定细胞并进行红细胞脆性实验
在实施例1中所述的芯片的一个进出样口9 (图4的a图中A)中加入10pm直径的 磁珠悬浮液，在40Pa压力的驱动下流向另外三个进出样口 9。芯片中间通道下方的支撑及 电极层2中央横穿过一个"U"形的微电磁线圈5，中间的距离为30^m。在微电磁线圈5 上用恒流直流电源加载上200 mA的直流电流。当微磁珠6流过该电极区域时，会与电极 产生的感应磁场作用而固定在微通道网络7的底部(图4的b图)。经过一段时间的微磁珠 6沉积，可以在微通道7的底部沿微电磁线圈5的方向形成一条微磁珠带(微水坝)。然后 用由下向上(该方向应在附图中示出)的流动冲洗掉未固定的微磁珠6。在进出样口 9 (图 4的a图中A)中加入红细胞等渗悬浮液，在40 Pa压力的驱动下流向另外三个进出样口 9。 由于微磁珠6 (10pm直径)与通道7 (12pm)顶部的缝隙是2 pm，红细胞的直径大约是 6-9 pm。有向下流动趋势的红细胞都会被磁珠微水坝阻挡，从而沿该微水坝固定(图4的 c图)。等红细胞固定并吸附在通道底部后，关闭电源，用10Pa压力驱动等渗缓冲液缓慢 冲洗掉所有的微磁珠6 (图4的d图)。在进口 A和B中分别流入等渗液和纯水，等渗液 中的离子会逐渐扩散到纯水中。控制流动速度让沿细胞排列方向的离子浓度形成图4f中所 示的浓度梯度。离子浓度越低，其向细胞内渗透的能力越强，渗入细胞中的液体越多，细 胞膨胀得越厉害。当细胞膨胀到一定程度后会发生破裂(图4的e图)。这就是芯片上的红 细胞渗透脆性实验。
实施例3:利用微磁珠形成的表面来控制细胞的生长
在与实施例l相似的芯片(其中通道的宽度为500 pm，长度为lmm)的通道下加工 两个并列的微电磁线圈(图5中的a图)。每个线圈为12匝，微电磁线圈5的导线宽度为 10pm，间距也是10pm。电源对两个线圈分别供电。
细胞在通道表面的吸附和生长通常需要一定的修饰表面，如poly-lysine修饰的表面。 在本实施例中，我们用poly-lysine修饰1 ^im直径的微磁珠6。然后让微磁珠悬浮液在通道 中流动，这些微磁珠会在通电线圈5上面吸附固定，形成一个矩形的修饰表面。实验中， 先只给右边的线圈供电，让微磁珠6在上面固定，形成修饰表面。然后流入表达绿色荧光 蛋白的神经细胞悬浮液。祌经细胞在修饰的表面吸附，在加入培养液后会生长。等两天后，
6在荧光显微镜下观察，可以看到神经细胞开始在修饰的表面铺展(图5的b图)。此时，给 左边线圈供电，同时加入表面修饰的微磁珠悬浮液，让磁珠也吸附在左侧的线圈上面。再 经过两天的培养，可以发现神经纤维开始向新修饰的表面生长(图5的c图)。
权利要求
1、一种微芯片中基于磁珠固定的微结构、表面修饰方法，其特征在于该方法是通过在微流控芯片的微通道网络底部外，根据所需要加工的微结构形状或者表面修饰图案形状，直接加工电磁线圈或结合永磁体，通过永磁体的磁场或者加载电流使电磁线圈产生特定磁场吸附芯片微通道网络中流动的磁珠悬浮液中的微磁珠，使其按永磁体或电磁线圈磁场控制作用排列，并固定在微通道内底部，在微通道内形成所需要的微结构或者表面修饰图案，这些微结构和修饰图案随磁场的改变而改变；当不需要微结构或表面修饰时，移走永磁体或关闭电磁线圈的控制电源，然后用液体冲洗掉未固定的磁珠；所述微通道网络通过进、出样口与外界管道连接，用于液体的流动。
2、 实现权利要求1所述方法的微芯片结构，其特征在于它包括通道层(1)、支撑 及电极层(2)、绝缘层(3)及支撑层(4);所述通道层(1)上面加工微通道网络(7)， 分别与进出样口 (9)相连接，支撑及电极层(2)加工在表面覆盖了导电材料的透明硬质材料上面，并用绝缘材料(8)覆盖，然后通过物理作用与通道层(1)结合，作为芯片中 微通道网络(7)的底部，和通道层(O —起构成封闭的流动网络，微通道网络(7)内通入有磁珠悬浮液；在所述支撑及电极层(2)中加工有电磁线圈(5)，用来产生特定的磁 场，所述电磁线圈(5)的布局根据需要加工的微结构形状或者表面修饰图案形状确定；所 述绝缘层(3)覆盖在支撑及电极层(2)表面，支撑层(4)结合在绝缘层(3)夕卜。
3、 实现权利要求l所述方法的微芯片结构，其特征在于它包括通道层(1)和支撑层(4);所述通道层(1)上面加工微通道网络(7)，分别与进出样口 (9)相连接，支 撑层(4)加工在透明硬质材料上面，然后通过物理或者化学作用与通道层(1)结合，作 为芯片中微通道网络(7)的底部，和通道层(1) 一起构成封闭的流动网络，微通道网络 (7)内通入有磁珠悬浮液；在通道网络(7)底部结合有永磁体(10),永磁体(10)根 据需要加工的微结构形状或者表面修饰图案形状加工成相应的形状。
4、 根据权利要求1或2所述的微芯片结构，其特征在于所述微芯片的通道层(1)采用玻璃、有机玻璃或聚二甲基硅氧垸PDMS这些透明芯片加工材料制成。
5、 根据权利要求1或2所述的微芯片结构，其特征在于所述微磁珠的直径在几十纳 米到几十微米之间，磁珠内部为超顺磁颗粒，外面由有机材料包裹。
6、 根据权利要求1或2所述的微芯片结构，其特征在于所述芯片的微通道底部的厚度小于50微米。
全文摘要
本发明提出一种在微芯片中进行微结构加工和表面修饰的方法，该方法所采用的芯片上有微通道网络，通过进、出样口与外界管道连接。微通道畅通，用于液体的流动。芯片下方由永磁体或者电磁线圈产生磁场。通道的底部很薄，有利于磁场穿透。芯片通道中流动的磁珠悬浮液中的磁珠在磁场作用下，可以固定在通道的底部。通过加载或者移开磁场可控制磁珠的固定情况。本发明中芯片结构简单，易于加工。产生磁场的结构也容易制作，有利于推广。它可以用于在微芯片上形成特定的微结构来完成一定的功能，也可以利用微小的磁珠颗粒来形成一定的表面修饰图案，用于生化等相关研究。
文档编号G01N27/72GK101477081SQ200810069438
公开日2009年7月8日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者刘向绍, 张丽果, 李圆怡, 军 杨, 敏 王, 翟盛杰, 郑小林, 阴正勤 申请人:重庆大学