一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法

一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，该方法包括如下步骤：1.配制PVC光刻胶；2.布片预处理；3.设计掩膜；4.将PVC光刻胶均匀涂于布片上，经过前烘后，把布片放置于载片平台，掩膜对准，进行紫外曝光；后烘，再将涂胶布片放到丁酮中显影，再放到丙酮中漂洗，用纯净水冲洗后，用SDS溶液洗涤，再用纯净水冲洗；烘干，得到布基微流控芯片。相比于图案蜡模法、纺织法加工，本制备方法能够在布基微流控芯片上加工出高分辨率的疏水区和亲水区，芯片上亲水通道宽度低至500微米，疏水坝宽度低至100微米，高通量、精度高、加工检测效率高。
【专利说明】一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法

【技术领域】
[0001]本发明属于分析检测领域，具体涉及一种布基微流控芯片，特别涉及一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法。

【背景技术】
[0002]20 世纪 90 年代初，微型全分析系统(Micro total analysis systems, μ-TAS)的概念被首次提出，并在此后的二十多年中得到了快速发展，成为当今最前沿的技术之一。μ -TAS的目的是把分析设备微型化、集成化，也就是把传统实验室的功能集成到方寸大小的芯片上，实现分析设备微型化、便携化，从而打破科学分析长期依赖传统实验室分析的格局，使得分析设备能够走进千家万户。μ -TAS具有试样量少、检测速度快、通量高、成本低等特点，使得它比传统分析系统更具优势，因此受到了世界各国科研人员极大关注，在大批科研工作者的努力下，此领域获得了前所未有的发展，并取得了巨大成就。
[0003]微流控芯片是μ -TAS发展中最能体现将分析实验室的功能转移到芯片上的部件。微流控芯片分析是以芯片为操作平台，完成整个分析实验室的功能，包括采样、稀释、力口样、混合、分离、检测等。
[0004]目前，许多科研工作者使用硅、玻璃、高分子聚合物等材料为基材制备微流控芯片。硅具有散热好、强度大、纯度高和耐腐蚀等特点，并得益于成熟的微电子工艺，硅材料首次被用于微流控芯片的制作，在微泵、微阀、微模具等器件的精确制造中得到广泛应用。玻璃具有强度高、散热好、透光性强、绝缘性好等优点，使得其能够制造微通道网络，一般很适合样品分析。高分子聚合物材料具有易于加工成型和批量生产等优点，也常被用于微流控芯片的制造。
[0005]上述硅、玻璃、高分子聚合物等材料在制造上有各自的优点，并都能制造出功能强大的微流控芯片。然而，由于它们成本高、操作复杂等因素而不易被广泛接受使用。
[0006]为了适应市场需求，科研工作者开始寻找一些成本低、生物兼容性好、易处理的材料作为微流控芯片的基材。纸具备了这些特性，使其迅速地引起科研工作者的极大关注，纸基微流控芯片得到了前所未有的发展，并取得了巨大成就。
[0007]近年来，科研工作者已经开始尝试采用布作为基材来制备微流控芯片。布材料具备了纸材料几乎所有的优点，而其自身的柔韧性、编织多样性，使其在一些特定的应用环境中具有极大的应用潜力。然而，到目前为止，布基微流控芯片的制备方法主要有图案蜡模法和纺织法。但是，这两种方法的缺点是制造精度低、复杂程度高、难于高通量检测等。


【发明内容】

[0008]为了克服现有的布基微流控芯片制备方法的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，该方法采用自配的PVC光刻胶，其工艺简单、成本低。
[0009]本发明的另一目的在于提供由上述方法制得的布基微流控芯片，该芯片易于加工、通量高、微流体通道分辨率高。
[0010]本发明的再一目的在于提供上述的布基微流控芯片在分析检测中的应用，上述的布基微流控芯片能够实现对尿样中葡萄糖的高通量检测。
[0011]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0012]一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，包括如下步骤:
[0013](I)配制聚乙烯醇肉桂酸酯(PVC)光刻胶
[0014]将5-50% PVC溶解于49.0-94.9%环己酮中，搅匀，然后加入0.1-1.0% 5_硝基苊，搅匀，得到聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶(PVC光刻胶)，转移到棕色瓶中，避光放置待用；所述的百分比是各原料占光刻胶原料总质量的百分比；
[0015]优选地，PVC的用量占15%，环己酮的用量占84.7%，5-硝基苊的用量占0.3%，所述的百分比是各原料占光刻胶原料总质量的百分比；
[0016]PVC光刻胶的成分比例要根据不同布基材的特性而确定。不同的布基材制造微流控芯片所需的光刻胶性能有所不同，所以应配制相应的PVC光刻胶。影响光刻胶性能的主要参数有固含量、感光度、粘度、固化温度、针孔率、分辨率等，因此不同的PVC光刻胶配制会直接影响布基微流控芯片品质。本发明所采用的布基材是纯棉布片，因此在PVC光刻胶中加入5-硝基苊以提高其感光度?无5-硝基苊的光刻胶感光波长为380nm，有5-硝基苊的光刻胶感光波长范围为260~470nm。另外，为了在纯棉布基材上制造高分辨率微流控芯片，相应增加了 PVC光刻胶的粘度和固含量。
[0017](2)布片预处理
[0018]将纯棉布片在20% NaOH溶液中浸泡5min,取出后用纯净水清洗,然后将布片绷紧以施加张力；绷紧后的纯棉布片用足量(能起清洁作用即可)十二烷基硫酸钠(SDS)洗涤、清水冲洗，使得布片表面干净清洁；接着，用1%冰乙酸溶液中和布片上残留的少量NaOH，最后用清水洗净，烘干；
[0019](3)掩膜的设计
[0020]通过Adobe Illustrator CS4软件来设计布基微流控芯片的掩膜图案；用专业激光打印机打印掩膜图案的Al文件，得到曝光掩膜；
[0021]所述的掩膜图案决定了芯片中亲水区域的分布，更同时决定了芯片的检测方法和检测效率；
[0022]本发明提供了以下几种优选的掩膜图案:
[0023]A、掩膜图案的基本单位是一个几何图形；这种掩膜图案决定了芯片上进样区和检测区是同个区域，如本发明说明书附图图3、图4a所示；
[0024]B、掩膜图案的基本单位是两个几何图形，其间由线条连接；这种掩膜图案决定了芯片上进样区和检测区是不同区域，其间由微通道连通，如本发明说明书附图图2、图4b所示；
[0025]C、掩膜图案的基本单位是一个复杂流路，该复杂流路由多个小的几何图形通过线条与一个大的几何图形连接，这些小的几何图形之间不连接；这种掩膜图案决定了芯片上是一个进样区连通若干个检测区，这有利于提高检测效率，如本发明说明书附图图5、图6所示；
[0026]D、掩膜图案的基本单位是A、B或C中的两种以上；
[0027]所述的几何图形可以是圆形、三角形、矩形或星形中的一种以上；
[0028]掩膜设计必须有对准标记，在大规模集成上没有对准标记会导致难以对准或对准不精确，这也许会直接使得芯片制备失败。另外，丝毫错位可能导致布基微流控芯片中多个功能单元错位，直接导致功能失效或报错。这在医学诊断应用上常表现为误诊、错诊。
[0029](4)布基微流控芯片紫外光刻加工(如图1所示)
[0030]预处理的布片悬空绷紧，将PVC光刻胶均匀涂于布片上；涂胶布片在80°C烘烤20min，完成前烘；待冷却后，把布片放置于载片平台，掩膜对准，在400W紫外曝光系统下曝光3min ;曝光后将涂I父布片在95 C供烤2min,完成后供；冷却后，将涂I父布片放到丁丽中，摇晃浸泡3min，完成显影；然后，将其放到丙酮中摇晃浸泡lmin，完成漂洗；此后，用纯净水冲洗，再用3% SDS溶液洗涤，再次用纯净水冲洗，保证微流控芯片干净清结；最后，把布片在65°C烘烤15min，接着取出布片在室温下冷却，得到布基微流控芯片。
[0031 ] 由上述方法制得的布基微流控芯片可以应用在分析检测中，尤其可以应用在尿样中葡萄糖的高通量检测中。
[0032]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0033]1、本发明的方法中，布片预处理是极其重要的一部分，直接影响微流控芯片制造能否成功。布片预处理一方面是为了保证基材表面清洁，另一方面是为了使PVC光刻胶更好地固化到布基材上，提高布基材对光刻胶的吸附能力，从而使得布基微流控芯片的分辨率提高，性能更稳定，具备一定的分析检测能力，达到微流控芯片的基本要求。在纯棉布基材的预处理过程中，NaOH浸泡处理能使得纯棉的棉纤维螺旋结构遭受破坏，横截面增加，纵向收缩，表面天然疏水蜡质去除，毛细润湿性得到改善，从而导致棉布纤维吸附能力增强，为PVC光刻胶固化于纯棉布上提供更有利的条件。
[0034]2、本发明的方法中，布基微流控芯片的功能单元可以通过Adobe IllustratorCS4软件设计的掩膜图案来确定，并通过紫外光刻技术制备得到相应芯片。然而，现有的图案蜡模法则先要用软件设计功能单元图案，再通过激光切割机切割图案蜡模、最后加热图案蜡模转移蜡到布上完成芯片制造，现有的方法有蜡熔融过程，所以难以得到高分辨率的芯片；另外，激光切割蜡模效率低、成本高。
[0035]3、现有的纺织法制造布基微流控芯片时，其每个不同单元都需要专业软件员设计相应的机械运行程序控制机械完成相应的布基微流控芯片纺织。越复杂的芯片制造需要机械化程度越高，机械制造成本越高，而且其分辨率还受到纺织线粗细和纺织方法影响。因而，复杂多变的芯片设计对于纺织法是难以实现。而本发明的紫外光刻法制造布基微流控芯片只需要设计掩膜图案，并依靠紫外光刻技术体系就能制造出复杂的高分辨率微流控芯片。
[0036]4、相比于图案蜡模法、纺织法加工，本制备方法能够在布基微流控芯片上加工出高分辨率的疏水区和亲水区，芯片上亲水通道宽度低至500微米，疏水坝宽度低至100微米，高通量、精度高、加工检测效率高。
[0037]5、本方法制备布基微流控芯片成本低、操作简单、易降解处理，能够广泛地应用于生物学、分析化学和医学检测等领域中。

【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1是本发明方法中布基微流控芯片紫外光刻加工过程的示意图。
[0039]图2是实施例1中所涉及的掩膜图案和实验结果图。
[0040]图3是实施例2中所涉及的掩膜图案、布基微流控芯片实物图和实验结果图。
[0041]图4基于布基微流控芯片的葡萄糖比色检测结果图；其中，图4a是进样区和检测区共用一个反应池；图4b是进样区和检测区在芯片不同区域上，它们通过一个微通道进行连接。
[0042]图5是具有批量复杂流路的布基微流控芯片图。
[0043]图6是图5的布基微流控芯片中单个复杂流路的放大图；其中，1-微通道，2-进样区，3-检测区。

【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0045]实施例1
[0046]—种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，包括如下步骤:
[0047](I)配制聚乙烯醇肉桂酸酯(PVC)光刻胶
[0048]将15% PVC溶解于84.7%环己酮中，搅匀，然后加入0.3% 5_硝基苊，搅匀，得到聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶(PVC光刻胶)，转移到棕色瓶中，避光放置待用；所述的百分比是各原料占光刻胶原料总质量的百分比；
[0049](2)布基微流控芯片加工
[0050](a)掩膜制作:用Adobe Illustrator CS4软件设计布基微流控芯片微通道宽度分辨率的掩膜图案(如图2a所示)，黑色部分是遮光部分(对应布基微流控芯片上的亲水区域)，白色部分是透光部分(对应布基微流控芯片上的疏水区域)，保存生成掩膜的Al文件；用专业激光打印机打印掩膜的Al文件，制作成曝光掩膜。
[0051](b)纯棉布预处理:纯棉布片基材按设计规格裁剪成块状，块状布片在20% NaOH溶液中浸泡5min后取出冲洗干净；布片绷紧后用足量十二烷基硫酸钠(SDS)溶液洗涤，并冲洗干净；喷洒1%冰乙酸溶液到布片上以中和残留的少量NaOH，冲洗干净后放到65°C预热的鼓风干燥箱中烘干，得到预处理布基材。
[0052](c)预处理的布紫外光刻形成疏水、亲水区域(如图1所示)
[0053]I)将预处理的布片悬空绷紧，使PVC光刻胶均匀地涂于布片上；
[0054]2)涂胶布片放到80°C预热的鼓风干燥箱中，烘烤20min，完成前烘；
[0055]3)冷却后将布片放置于载片平台上，对准掩膜；
[0056]4)在400W紫外曝光系统下曝光3min ；
[0057]5)曝光后将布片放到95°C预热的鼓风干燥箱中烘烤2min，完成后烘；
[0058]6)冷却后将布片放到丁酮中，浸泡并摇晃3min，完成显影；
[0059]7)显影后将布片放到丙酮中，浸泡并摇晃lmin，完成漂洗；
[0060]8)漂洗后用大量纯净水冲洗布片，再用3% SDS溶液洗涤，再次用大量纯净水冲洗；
[0061]9)把布片放到65°C预热的鼓风干燥箱中，烘烤15min ;干燥后取出，并在室温下冷却，即得到布基微流控芯片。
[0062](3)布基微流控芯片微通道宽度分辨率的评价
[0063](a)将0.5克胭脂红食品染料溶解于30毫升I XPBS中，充分搅拌、静置，从而得到测试溶液；
[0064](b)图2a中的黑色大圆形是对应芯片的进样区，黑色大圆形与黑色小圆形相连的称为微通道。从进样区中加入0.5微升的胭脂红测试溶液，得到布基微流控芯片微通道宽度分辨率的测试结果(如图2b所示)，图2a中的数字表示通道的宽度。从图中可以看出基于紫外光刻技术的布基微流控芯片上最小通道宽度为500微米。
[0065]实施例2
[0066]一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，除了以下有特殊交代的，其他步骤和材料均与实施例1相同。
[0067]制备过程中在同一布基微流控芯片上设置若干个疏水坝宽度来研究其分辨率，设计如图3a所示的掩膜，黑色部分对应的是布基微流控芯片上的亲水区域，白色部分对应的是布基微流控芯片上的疏水区域。图3a下方的文字表示对应列疏水坝的宽度。
[0068]对于疏水区域而言，所有外围的白色正方形环宽度是300微米，而内部的白色正方形环宽度(即疏水坝宽度)从左到右依次为100，200，300，400，500和600微米。
[0069]图3b是基于紫外光刻技术加工而成的布基微流控芯片实物图；图3c是胭脂红测试溶液加到内、外环间的亲水区域得到的实验结果图；图3d是胭脂红测试溶液加到内正方形环所围成的亲水区域而得到的实验结果图。从图3c和图3d可以看出基于紫外光刻技术的布基微流控芯片可以得到最小疏水坝宽度100微米。
[0070]实施例3
[0071]一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，除了以下有特殊交代的，其他步骤和材料均与实施例1相同。
[0072]制备过程中在同一个布基微流控芯片上设计加工出阵列圆形反应池(如图4a所示，反应池就是亲水区域，检测区和进样区是同一反应池)用于葡萄糖高通量检测，每个池直径为3晕米。
[0073]葡萄糖检测过程如下:首先在阵列反应池中加入0.3摩尔/升海藻糖和0.6摩尔/升碘化钾混合溶液，室温干燥1min ;接着加入体积比为5:1的葡萄糖氧化酶溶液和辣根过氧化氢酶溶液(葡萄糖氧化酶活性为120单位/毫升，辣根过氧化氢酶活性为30单位/升)，室温干燥lOmin，完成功能化芯片；最后在不同的测试区依次加入含有不同葡萄糖浓度的人工尿液，在保湿环境下反应20min，完成显色(如图4a所示)。
[0074]图4a上的数字表示人工尿液中葡萄糖浓度，每个浓度的葡萄糖做了四个重复检测。在反应池上样含有葡萄糖的人工尿溶液，反应池会变为褐色。葡萄糖浓度不同则显色深浅不同，浓度越高，颜色越深。加入含葡萄糖的人工尿样后，反应池由无色变为褐色。颜色深浅对应相应的葡萄糖浓度，从而确定尿液中葡萄糖的大致含量。
[0075]在同一个布基微流控芯片上设计微流控反应体系(如图4b所示)来进行葡萄糖检测。芯片上检测区为直径3毫米的圆形池(在图4b中即为在上的小圆)，进样区为直径5毫米的圆形区域(在图4b中即为在下的大圆)。每个葡萄糖浓度有2个重复检测。这里同图4a的差别是检测区和进样区不是同一区域，在进样区加入葡萄糖人工尿样后要流经微通道后到达检测区，葡萄糖与检测区中的底物反应并显色。对于检测区和进样区分开的微流控反应体系，其优点之一是减少交叉污染的风险。另外，对于这样的反应体系，在实际应用中芯片的进样区也许能直接插入到待检测溶液中，从而减少加样枪以及枪头的使用。
[0076]葡萄糖检测过程如下:首先在检测区中加入0.3摩尔/升海藻糖和0.6摩尔/升碘化钾的混合溶液，室温干燥1min ;接着加入体积比为5:1的葡萄糖氧化酶溶液和辣根过氧化氢酶混合溶液(葡萄糖氧化酶活性为120单位/毫升，辣根过氧化氢酶活性为30单位/升)，室温干燥lOmin，完成功能化芯片；最后在不同的进样区依次加入含有不同葡萄糖浓度的人工尿溶液。在保湿环境下反应20min，完成显色(如图4b所示)。
[0077]图4b上的数字表于人工尿液中葡萄糖浓度，葡萄糖浓度不同则显色深浅不同，浓度越高，颜色越深。加入含葡萄糖的人工尿样后，由无色变为褐色。颜色深浅对应相应的葡萄糖浓度，从而确定尿液中葡萄糖的大致含量。
[0078]实施例4
[0079]一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，除了以下有特殊交代的，其他步骤和材料均与实施例1相同。
[0080]通过紫外光刻技术制备具有批量复杂流路的布基微流控芯片(如图5所示)，其上的复杂流路的放大图如图6所示，10个微通道I共同连接到一个长为20毫米、宽为5毫米的进样区2，而每个微通道连接着一个直径为1.5毫米的圆形检测区3，连接通道的宽度从100微米变化到1000微米(从右到左，其宽度间隔为100微米)。这样的芯片设计可实现基于时间分辨的高通量检测。
[0081]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)配制聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶 将5-50% PVC溶解于49.0-94.9%环己酮中，搅匀，然后加入0.1-1.0% 5-硝基苊，搅匀，得到PVC光刻胶，转移到棕色瓶中，避光放置待用；所述的百分比是各原料占光刻胶原料总质量的百分比； (2)布片预处理 将纯棉布片在20% NaOH溶液中浸泡5min，取出后用纯净水清洗，然后将布片绷紧以施加张力；绷紧后的纯棉布片用十二烷基硫酸钠洗涤、清水冲洗；接着，用1%冰乙酸溶液中和布片上残留的少量NaOH，最后用清水洗净，烘干； (3)掩膜的设计 通过Adobe Illustrator CS4软件来设计布基微流控芯片的掩膜图案，掩膜设计有对准标记；用激光打印机打印掩膜图案的Al文件，得到曝光掩膜； (4)布基微流控芯片紫外光刻加工 预处理的布片悬空绷紧，将PVC光刻胶均匀涂于布片上；涂胶布片在80°C烘烤20min，完成前烘；待冷却后，把布片放置于载片平台，掩膜对准，进行紫外曝光；曝光后将涂胶布片在95°C烘烤2min，完成后烘；冷却后，将涂胶布片放到丁酮中摇晃浸泡完成显影；然后，将其放到丙酮中摇晃浸泡完成漂洗；此后，用纯净水冲洗，再用3% SDS溶液洗涤，再次用纯净水冲洗；最后，把布片烘干、冷却，得到布基微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，其特征在于:所述步骤⑴中，PVC的用量占15 %，环己酮的用量占84.7%，5-硝基苊的用量占0.3%，所述的百分比是各原料占光刻胶原料总质量的百分比。
3.根据权利要求1所述的基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，其特征在于: 所述的掩膜图案是以下中的一种: A、掩膜图案的基本单位是一个几何图形； B、掩膜图案的基本单位是两个几何图形，其间由线条连接； C、掩膜图案的基本单位是一个复杂流路，该复杂流路由多个小的几何图形通过线条与一个大的几何图形连接，这些小的几何图形之间不连接； D、掩膜图案的基本单位是A、B或C中的两种以上； 所述的几何图形可以是圆形、三角形、矩形或星形中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的基于紫外光刻技术的布基微流控芯片制备方法，其特征在于:步骤(4)所述的紫外曝光是在400W紫外曝光系统下曝光3min。
5.一种布基微流控芯片，其特征在于:是由权利要求1-4任一项所述的方法制备得到。
6.权利要求5所述的布基微流控芯片在分析检测中的应用。
7.权利要求5所述的布基微流控芯片在检测尿液葡萄糖中的应用。
【文档编号】B01L3/00GK104069904SQ201410339906
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】章春笋, 吴培京 申请人:华南师范大学