一种PDMS微流控芯片结构及其制备方法与流程

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种PDMS微流控芯片结构及其制备方法。

背景技术：

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析的全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片作为微流控技术的载体，其材料、结构、加工方法、微流道尺寸和表面性质等因素直接影响着微流控技术的应用和微量分析效果。微流控芯片的常用材料包括硅质材料、高聚物材料和陶瓷材料等，其中硅材料具有电绝缘性较差、价格昂贵且透光性差等众多缺点限制了其广泛应用。近年来，玻璃和石英材料因具有良好的电渗性、透光性和生物相容性等优越性能，已作为硅材料的替代物得到了大量研究和广泛应用。制作微流控芯片的高分子聚合物材料大致可分为热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物，其中聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前微流控芯片领域中使用最为广泛的一种高聚物材料，其透光性能好，对波长300nm以上的紫外光有良好的通透性，加工成型容易，但是存在不耐高温和生物相容性差等缺点，因此作为单一材料成型芯片，其应用受到了较大的限制。此外，在加工工艺上，现有微流控芯片的加工方法不可避免地需要采用光刻和蚀刻等常规工艺，以及模塑法、软光刻、激光切蚀法和LIGA技术等特殊工艺，对于高分子聚合物材料还需要表面改性和键合等工艺，因此，现有加工工艺具有步骤繁琐、污染和设备昂贵等缺点。

此外，在微系统中，当特征尺度接近微米量级时，流体的流动特性与宏观相比，发生很大的变化。作用于流体上的力主要为体积力和表面力，随着尺度的减小，表面力的作用不断加强，在比毫米更小的尺度中，表面力将起主要作用。由于尺度微小，表面积与体积之比值也很大，可达百万倍之大，这更加强化和突出了表面力和其他表面效应的作用。而现有微流控芯片结构因受制备工艺的限制，主要以矩形截面为主，如申请号为201210119050.2的中国发明专利公开的一种含油污水油分浓度快速检测装置，装置内设有微流道芯片，微流道的截面为矩形。与圆形截面相比，在相同截面面积的前提下，矩形截面与流体的接触面积较大，导致微流道内壁对流体的阻力和表面效应也较大，且尺度越小，该现象越明显。而且矩形截面的尺度越小，微流控芯片的加工成本也将大幅提高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种圆截面流道PDMS微流控芯片结构及其制备方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种PDMS微流控芯片结构，包括从下而上依次布设的PDMS微流控下芯片、玻璃毛细管微流道和PDMS微流控上芯片，所述玻璃毛细管微流道的截面为圆形，与现有矩形截面相比，具有流阻小、尺寸均匀可控、成形工艺简单和表面质量好等优点。

一种PDMS微流控芯片结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)将玻璃管拉制成玻璃微流道，并截取预设长度的玻璃微流道，备用；

(2)将PDMS单体和固化剂混合制得PDMS预聚体，并浇入微流控芯片模具中形成下层PMDS预聚体；

(3)加热使下层PDMS预聚体处于半固化状态；

(4)将步骤(1)制得的玻璃微流道按预设形状放置于下层PDMS预聚体的表面形成玻璃毛细管微流道；

(5)向微流控芯片模具中再浇注PDMS预聚体形成上层PMDS预聚体，然后加热使上、下两层PDMS预聚体完全固化；

(6)在微流道进样、出样和玻璃微流道交叉处打孔，并将玻璃微流道交叉处的孔堵塞成盲孔，使PDMS微流控芯片结构内的玻璃微流道之间和玻璃毛细管微流道与外界连通。

优选的，所述步骤(1)截取的玻璃微流道的两端口锻制成盲孔，由于截取的玻璃微流道是通孔，在放置玻璃微流道之前，将玻璃微流道的两端口锻制成盲孔，防止玻璃微流道在液态PDMS环境中吸入少量PDMS材料或杂质而形成堵塞现象。

优选的，所述玻璃管的内径为0.5-5mm，外径为1.0-7.5mm。

优选的，所述玻璃管的拉制采用玻璃热变形工艺，玻璃热变形工艺为采用火焰或电阻丝加热玻璃管的局部，并在轴向拉力作用下产生伸长变形。

优选的，所述微流控芯片模具粘接在玻璃基底上，方便模具的脱离；微流控芯片模具的横截面为圆形、矩形或三角形，可制得不同形状的微流控芯片结构。

优选的，所述下层PDMS预聚体处于半固化状态为处于液态和完全固化的中间状态。

优选的，所述半固化状态的PDMS预聚体的表面为平面，使微流控芯片内的玻璃毛细管微流道呈平直状态，方便后续的分析检测。

优选的，所述预设形状为流体聚焦型结构，适应不同的分析检测条件。

优选的，所述玻璃微流道的材料为硼硅酸盐或石英，具有光学通透性好、耐腐蚀、生物相容性好等优点，适合应用于微量生化分析。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)本发明的PDMS微流控芯片与流体直接接触的微流道材料为硼硅酸盐或石英玻璃，具有光学通透性好、耐腐蚀和良好的生物相容性等优点，适合应用于微量生化分析；

(2)本发明的玻璃毛细管微流道的截面为圆形，与现有矩形截面相比，具有流阻小、尺寸均匀可控、成形工艺简单和表面质量好等优点；

(3)本发明的PDMS微流道芯片的制备方法简单，无需PDMS浇注的阳模和键合等工艺及设备，生产成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例1的玻璃微流道热成型工艺过程示意图。

图2是本发明实施例1的微流控芯片模具和下层半固化状态的PDMS预聚体结构示意图。

图3是本发明实施例1的PDMS微流控芯片制备流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

实施例1：

如图3所示，本实施例的PDMS微流控芯片包括上层PDMS微流控芯片7和下层PDMS微流控芯片9，上层PDMS微流控芯片7与下层PDMS微流控芯片9之间固定T形玻璃毛细管微流道8，玻璃毛细管微流道8的截面为圆形，与现有矩形截面相比，具有流阻小、尺寸均匀可控、成形工艺简单和表面质量好等优点。

本实施例的PDMS微流控芯片的制备方法包括如下步骤：

1)圆形截面玻璃微流道的形成：

如图1所示，将外径为1.0mm、内径为0.6mm、长度为100mm的玻璃毛细管1两端竖直装夹在两个夹具上，两个夹具安装于直线导轨上且其中一个夹具可沿直线导轨滑动。玻璃毛细管1为硼硅酸盐材料，玻璃毛细管1装夹时穿过由加热电阻丝绕制的螺线管2中，加热电阻丝通电并沿毛细管1轴向缓慢施加拉力F(t)，即夹具沿直线导轨滑动，螺线管2中的毛细管1部分逐步发生颈缩形变形成玻璃微流道3。拉制过程使用显微镜实时观测毛细管内径的变化，在玻璃毛细管不断裂的前提下直至毛细管内径达到所需尺寸，本实施例制得的玻璃微流道的内径为200μm，使用石英刀片截取毛细管1的颈缩变形部分，根据所需长度截取得到内径为200μm的圆形截面玻璃微流道。

2)PDMS预聚体注入圆形微流控芯片模具的过程：

取适量PDMS单体和固化剂按体积比为10：1混合成PDMS预聚体，本实施例中PDMS单体体积为30mL，固化剂为3mL在磁力搅拌机上搅拌10min以上得到PDMS预聚体5备用，将装有PDMS预聚体5的容器放入真空干燥箱中抽真空，负压值约0.1MPa，反复多次抽真空，直至PDMS预聚体5中气泡完全消失。静置20min再将PDMS预聚体5倒入圆形微流控芯片模具4和基底6组成的开口圆柱容器中。如图2所示，本实施例的下层PDMS预聚体的厚度为2mm。

3)半固化状态的下层PDMS预聚体的形成：

将步骤2)的圆形微流控芯片模具4和基底6组成的开口圆柱容器放置在真空干燥箱中，设定加热温度为65℃，加热时间为30min，加热时间为真空干燥箱内温度达到65℃恒温后开始计时的时间，加热后形成半固化状态的下层PDMS预聚体，处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面为平面，半固化状态为处于液态和完全固化的中间状态。

4)玻璃毛细管微流道的形成：

将步骤1)制得的圆形截面玻璃微流道按T型形状放置在步骤3)中处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面，具体的将两支长度分别为20cm和40cm的圆形截面玻璃微流道按照T型形状放置在下层PDMS预聚体的表面形成T型玻璃毛细管微流道8。由于圆形截面玻璃微流道是通孔，在液态PDMS环境中易在毛细现象作用下吸入少量PDMS材料或杂质而形成堵塞现象，因此在放置圆形截面玻璃微流道之前，需将圆形截面玻璃微流道的两端口锻制成盲孔。

5)完整PDMS微流控芯片的形成：

将步骤2)制得的PDMS预聚体5继续注入圆形微流控芯片模具4和基底6组成的开口圆柱容器中，新增预聚体层的厚度为3mm。再将整个开口圆柱容器再次放入真空干燥箱中加热固化，设定加热温度为65℃，加热时间为2h，从而形成上层PDMS微流控芯片7、玻璃毛细管微流道8和下层PDMS微流控芯片9组成的完整PDMS微流控芯片。

6)通过打孔和简单清理等步骤即制得圆截面流道PDMS微流控芯片：

为便于将分析试剂引入芯片，需在芯片上的试剂引入位置打孔并组装芯片接头和PTEF导管等附件。在玻璃毛细管微流道进样、出样和玻璃微流道交叉处打孔，将PDMS芯片结构放在显微镜下并将待打孔的位置调整位于显微镜视野中进行精确打孔，玻璃微流道交叉处的孔采用实心钢针堵塞成盲孔，使玻璃毛细管微流道内部通道连通而玻璃微流道交叉处的通孔不与外界连通。打孔过程中，玻璃微流道盲孔部分的玻璃材料被打孔器压碎并再次形成通孔，使用吸枪将玻璃残渣等杂质清除出所形成的芯片孔道10，插上芯片接头和PTEF导管等附件便形成可直接用于液滴发生的T型标准芯片。

本实施例的PDMS微流控芯片的制备方法简单，无需PDMS浇注的阳模和键合等工艺及设备，生产成本较低。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：将外径为5.0mm、内径为2.0mm、长度为100mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉制形成玻璃微流道，截取得到20cm圆形截面玻璃微流道，将三支长度都为20cm的圆形截面玻璃微流道按照Y型形状放置在处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面形成Y型玻璃毛细管微流道；微流控芯片模具的横截面由圆形替换为矩形，其它结构和制备步骤参照实施例1。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：将外径为7.5mm、内径为5.0mm、长度为200mm的石英玻璃毛细管拉制形成玻璃微流道，截取得到30cm圆形截面玻璃微流道，将三支长度都为30cm的圆形截面玻璃微流道按照Y型形状放置在处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面形成Y型玻璃毛细管微流道；微流控芯片模具的横截面由圆形替换为三角形，其它结构和制备步骤参照实施例1。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：采用火焰加热工艺将外径为3.0mm、内径为1.0mm、长度为50mm的石英玻璃毛细管拉制形成玻璃微流道，截取得到10cm圆形截面玻璃微流道，将两支长度都为10cm的圆形截面玻璃微流道按照十字型形状放置在处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面形成十字型玻璃毛细管微流道，其它结构和制备步骤参照实施例1。

实施例5：

本实施例与实施例1的不同之处在于：采用火焰加热工艺将外径为2.0mm、内径为0.5mm、长度为100mm的石英玻璃毛细管拉制形成玻璃微流道，截取得到10cm和20cm的圆形截面玻璃微流道，将两支长度分别为10cm和20cm的圆形截面玻璃微流道按照L型形状放置在处于半固化状态的下层PDMS预聚体的表面形成L型玻璃毛细管微流道，其它结构和制备步骤参照实施例1。

如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。