一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片及其制作方法与流程

本发明涉及一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片及其制作方法，该微流控芯片可以进行固相萃取并与质谱联用、在气液两相流中用于产生微小液滴。

背景技术：

固相微萃取是20世纪90年代初由arthur和pawliszy首次提出并发展起来的用于吸附并浓缩待测物中目标物质的样品处理方法。spme是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体的无溶剂样品前处理技术，是在固相萃取技术基础上发展起来的，由于其固定相的体积远小于样品体积而定义为微萃取。该技术是基于待测分析物在固定相与溶液之间的分配系数的不同而将目标分析物从样品基质中提取出来。传统的固相萃取的过程一般包括吸附剂的预处理，样品吸附，洗涤，洗脱以及洗脱液的蒸发浓缩。固相微萃取也包含其中一些步骤。

近年来基于微流控芯片平台的固相微萃取越来越受到关注，与传统的spe相比，spme平台操作简便、测试快、费用低、取样和富集同步进行、对样本污染小、不破坏样品体系原始平衡、易与质谱、色谱和电泳等高效分析技术联用，实现在线自动化操作，使得样品处理技术及分析、操作简单省时。

微流控芯片(microfluidic)，又称芯片实验室，最早产生于20世纪70年代，由斯坦福大学的terry等人最先研究，他们用硅片制作了早期微流控芯片的雏形，该芯片在当时主要用于空气成分的检测和分析。目前微流控芯片通常以聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等高分子聚合物、玻璃、硅等为材料进行加工。与传统的化学实验和生物学实验相比，微流控芯片具有尺寸微小、比表面积大的特点，通道尺寸在微米级，与细胞尺寸相近，非常适宜用来进行细胞级的研究。而质谱(massspectrometer)作为一种高灵敏度的检测手段，是对未知微量物质进行定性定量分析的最佳选择。两者的联用将对未知物质分析、食品检测、生物化学分析等相关仪器的发展具有非常重要的意义。

质谱分析是测量离子质荷比的一种分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使离子发生偏转，将它们分别聚焦得到质谱图，从而确定其质量。质谱仪正是应用这种原理对未知物质进行分析的仪器。电喷雾质谱(electrosprayion-massspectrometer，esi-ms)联用比较早就应用于物质分析领域，然而在质谱仪具有高灵敏度这一优点的同时，其对离子源的要求往往也很高。传统的喷雾针离子源需要对样品在其他平台上进行前处理、样品消耗量大、分离效率与传输效率不高等问题。联用质谱的微流体电喷雾离子源应运而生，微流体芯片可以集成样品的前处理、预分离、电喷雾等功能，大大提高了检测的灵敏度，降低样品的消耗量。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片及其制作方法，该芯片用来进行固相微萃取，用于前处理试剂，产生微米，甚至纳米级别的微小液滴，串联质谱仪，进行物质成分的检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片，包括上下两层，分别为气路液路层和气路层，或者为具有相同气路液路结构的两层气路液路层；所述气路液路层包含气路流道和与所述气路流道相连的气路储存池，液路流道和与所述液路流道相连的液路储存池，所述液路流道形成有用于存储固相萃取颗粒的瓶颈结构；所述气路层与所述气路液路层中的气路结构相同，包含气路流道和气路流道相连的气路储存池；所述气路液路层中,所述气路流道从所述气路储存池开始形成一条流道，在中途分成两条气路流道，对称分布于所述液路流道两侧，并且最终在所述液路流道处相交相通，形成喷嘴；上下两层合并的所述气路流道的深度大于所述液路流道的深度，且所述液路流道的出口在横向和流道深度方向均位于合并的气路流道的中间位置。

进一步地：

所述液路流道与所述液路储存池相连接的段具有第一宽度，所述液路流道与所述喷嘴相连接的段具有第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述第二宽度大于所述瓶颈结构的宽度。

所述液路流道与所述储液池相连接的段的宽度为235μm，与所述喷嘴相连接的段的宽度为75μm，所述瓶颈结构的宽度为25μm，长度为35μm。

所述三维电聚焦微流体芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即pdms，三维聚焦微流体芯片包括相键合的上下两片pdms，且两片pdms都包含有流道结构；其中一片pdms结构层包含气路流道和液路流道，另外一片pdms衬底层包含气路流道和液路流道，两片pdms上下合并后各自的气路流道和液路流道对应上下合并，或者，其中一片pdms结构层包含气路流道和液路流道，另外一片pdms衬底层包含气路流道，两片pdms上下合并后各自的气路流道对应上下合并。

所述气路流道与所述液路流道夹角在0-90°之间，优选角度在35°和45°之间。

所述喷嘴具有宽度为50μm的收缩喷雾小孔。

由所述气路流道与所述液路流道所形成的所述喷嘴直接从光刻胶形成的模具中脱模成型。

一种制作所述的三维电聚焦微流体芯片的制作方法，包括以下步骤：

使用气路液路层掩膜版和气路层掩膜版进行模具制作；

其中，气路液路层掩膜版的透光区域包括对应于气路流道和气路储存池、液路流道和液路储存池的区域，用于在对硅基片上的光刻胶曝光过程中定义气路流道和气路储存池、液路流道和液路储存池；气路层掩膜版的透光区域包括对应于气路流道和气路储存池的区域，用于在对硅基片上的光刻胶曝光过程中定义气路流道和气路储存池；

模具制作过程中，在第一硅基片上甩最底层光刻胶后，通过气路液路层掩膜版对最底层光刻胶曝光，显影后形成气路液路层；再在第一硅基片上甩上层光刻胶后，通过气路层掩膜版对上层光刻胶曝光，显影后形成气路层，以用来加深第一次曝光形成的气路流道，由此制作出对应于形成pdms结构层的模具；再对第二硅基片重复上述过程，或者，对第二硅基片仅进行针对气路层掩膜版的甩胶、曝光、显影过程，由此制作出对应于形成pdms衬底层的模具；

然后，使用相应模具分别成型出pdms结构层和pdms衬底层；

再后，将pdms结构层和pdms衬底层对齐，键合形成一块完整的三维聚焦微流体芯片；

优选地，气路液路层掩膜版和气路层掩膜版均含有对齐结构，用于曝光时将光刻胶形成的已有结构与在后使用的掩膜版对齐。

进一步地：

气路液路层掩膜版对应的制作完成一次或者两次甩胶、曝光、显影过程，气路层掩膜版对应的制作过程完成至少三次甩胶、曝光、显影过程，以使得气路流道的厚度远大于液路流道厚度，从而有利于液体从液路中喷出后悬浮于气体中，而不与流道壁面接触。

所述光刻胶采用su-8胶。

本发明的有益效果：

本发明实现一种能够进行固相微萃取，能够产生微小喷雾液滴的微流控芯片结构，尤其可用气液两相流形成气包液的流体喷雾形式。尤其解决气液两相流中，形成气包液的流体喷雾形式，产生微米、甚至纳米级别的微小液滴。解决了与质谱联用使微流体芯片微流道制作切割上的困难以及离谱联用微流体芯片流道单一，缺乏气体辅助雾化的功能。采用本发明，可最终实现固相萃取-微流控芯片-质谱检测整个系统的搭建，并实现固相微萃取以及芯片串联质谱检测双重功能。

附图说明

图1示出了本发明实施微流芯片制备方法的流程示意图；

图2a至图2d示出了本发明涉及的两块掩膜版的示意图，其中图2a示出气路液路层掩膜版201，图2b示出气路层掩膜版202，图2c为图2a中局部203的放大图，图2d为图2a中局部204的放大图；

图3示出了图1中多次甩胶、曝光和显影的具体过程图；

图4a至图4f示出了两片pdms成型俯视示意图，其中，图4a示出模制得到的pdms结构层401，图4b示出切割后的pdms结构层402，图4c示出pdms结构层喷雾口的扫描电镜图，图4d示出模制得到的pdms衬底层404，图4e示出切割后的pdms衬底层405，图4f示出pdms衬底结构层喷雾口的扫描电镜图；

图5a示出了键合后的整体pdms芯片俯视示意图；

图5b为图5a中的a-a截面图；

图6示出了用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片与质谱仪联用示意图；

图7a至图7d示出了用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片内填入固相萃取颗粒mcx，电喷雾实验和质谱仪联用示意图，其中图7a示出在液路流道的瓶颈结构中填入固相萃取颗粒mcx；图7b示出用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片内部喷雾效果；图7c为在固相微萃取的上样过程中，芯片与质谱仪联用检测信号图，图7d为在固相微萃取的洗脱过程中，芯片与质谱仪联用检测信号图。

附图标记说明：

硅基片(100)，掩膜板(101)，光刻胶(102)，pdms(103)，载玻片(104)，pdms衬底(105)，气路液路层掩膜板(201)，气路层掩膜板(202)，瓶颈结构(203)，喷嘴(204)，气路储液池(205)，气路流道(206)，液路储液池(207)，气路储液池(208)，气路流道(209)，液路流道(210)，收缩喷雾小孔(211)，对齐标记(212)，光刻胶(300、301、302、303)，pdms结构层(401)，切割后pdms结构层(402)，扫描电镜图(403)，pdms衬底层(404)，切割后pdms衬底层(405)，扫描电镜图(406)，完整用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片(500)，完整用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片a-a截面(501)，质谱仪进样口(600)，固相萃取粒子(700)。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图2a至图6，在一种实施例中，一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片，包括上下两层，分别为气路液路层和气路层，或者为具有相同气路液路结构的两层气路液路层；所述气路液路层包含气路流道206和与所述气路流道206相连的气路储存池205，液路流道210和与所述液路流道210相连的液路储存池207，所述液路流道210形成有用于存储固相萃取颗粒的瓶颈结构；所述气路层与所述气路液路层中的气路结构相同，包含气路流道209和气路流道209相连的气路储存池208；所述气路液路层中,所述气路流道206从所述气路储存池205开始形成一条流道，在中途分成两条气路流道，对称分布于所述液路流道210两侧，并且最终在所述液路流道210处相交相通，形成喷嘴204；上下两层合并的所述气路流道206、209的深度大于所述液路流道210的深度，且所述液路流道210的出口在横向和流道深度方向均位于合并的气路流道的中间位置，用来形成三维聚焦电喷雾。

参阅图2c，在优选的实施例中，所述液路流道210与所述液路储存池207相连接的段具有第一宽度，所述液路流道210与所述喷嘴204相连接的段具有第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述第二宽度大于所述瓶颈结构的宽度。

在优选的实施例中，所述液路流道210与所述储液池相连接的段的宽度为235μm，与所述喷嘴204相连接的段的宽度为75μm，所述瓶颈结构的宽度为25μm，长度为35μm。

参阅图4a至图4f，在优选的实施例中，所述三维电聚焦微流体芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即pdms，三维聚焦微流体芯片包括相键合的上下两片pdms，分别为pdms结构层401和pdms衬底层404，且两片pdms都包含有流道结构；其中一片pdms结构层401包含气路流道206和液路流道210，另外一片pdms衬底层404包含气路流道和液路流道，两片pdms上下合并后各自的气路流道和液路流道对应上下合并，或者，其中一片pdms结构层包含气路流道206和液路流道210，另外一片pdms衬底层404包含气路流道209，两片pdms上下合并后各自的气路流道206、209对应上下合并。

在优选的实施例中，所述气路流道206与所述液路流道210夹角在0-90°之间，优选角度在35°和45°之间。

在优选的实施例中，所述喷嘴204具有宽度为50μm的收缩喷雾小孔211。

在优选的实施例中，由所述气路流道206与所述液路流道210所形成的所述喷嘴204直接从光刻胶形成的模具中脱模成型。

参阅图1至图3，在另一种实施例中，一种制作所述的三维电聚焦微流体芯片的制作方法，包括以下步骤：

使用气路液路层掩膜版和气路层掩膜版进行模具制作；

其中，气路液路层掩膜版的透光区域包括对应于气路流道206和气路储存池205、液路流道210和液路储存池207的区域，用于在对硅基片上的光刻胶曝光过程中定义气路流道206和气路储存池205、液路流道210和液路储存池207；气路层掩膜版的透光区域包括对应于气路流道209和气路储存池208的区域，用于在对硅基片上的光刻胶曝光过程中定义气路流道209和气路储存池208；

模具制作过程中，在第一硅基片上甩最底层光刻胶后，通过气路液路层掩膜版201对最底层光刻胶曝光，显影后形成气路液路层；再在第一硅基片上甩上层光刻胶后，通过气路层掩膜版202对上层光刻胶曝光，显影后形成气路层，以用来加深第一次曝光形成的气路流道206，由此制作出对应于形成pdms结构层的模具；再对第二硅基片重复上述过程，或者，对第二硅基片仅进行针对气路层掩膜版202的甩胶、曝光、显影过程，由此制作出对应于形成pdms衬底层的模具；

然后，使用相应模具分别成型出pdms结构层401和pdms衬底层404；

再后，将pdms结构层401和pdms衬底层404对齐，键合形成一块完整的三维聚焦微流体芯片。

在优选的实施例中，气路液路层掩膜版201和气路层掩膜版202均含有对齐结构，如对齐标记212，用于曝光时将光刻胶形成的已有结构与在后使用的掩膜版对齐。

在优选的实施例中，气路液路层掩膜版201对应的制作完成一次或者两次甩胶、曝光、显影过程，气路层掩膜版202对应的制作过程完成至少三次甩胶、曝光、显影过程，以使得最终合并的气路流道206、209的厚度远大于液路流道210厚度，从而有利于液体从液路中喷出后悬浮于气体中，而不与流道壁面接触。

在优选的实施例中，所述光刻胶采用su-8胶。

以下结合附图进一步描述本发明的具体实施例的特征及其优点。

图2a至图2d示出实施例涉及的两块掩膜版，气路液路层掩膜版201含有对应气路储液池205及气路流道206、液路储液池207及液路流道210的区域，其用于最底层光刻胶的曝光，用来形成气路液路层；气路层掩膜版202主要包含对应气路储液池208和与气路储液池208相连的气路流道209的区域，用于上层光刻胶的曝光，用来加深气路流道。根据气路液路层掩膜版201的定义，液路储液池207直径2.16mm，液路流道210与储液池相连接段宽235μm，与喷嘴处相连接的宽度75μm，瓶颈结构203宽度25μm，长度35μm，由气路流道形成的收缩喷雾小孔211宽50μm；根据气路层掩膜版202的定义，气路储液池208直径2.16mm，气路流道209与气路储液池208连接的地方宽100μm；当两块掩膜版按标记结构212对齐定位后，液路流道210出口恰好位于气路流道209中间位置，气路流道209对称分布于液路流道210两侧，保证了芯片核心结构的实现。

根据本发明实施例的制备方法，光刻胶采用su-8胶，它是一种负性、近紫外线光刻胶，即紫外线照射部分会产生交联反应，显影过程会保留下来，形成空间上与芯片沟道恰好互补的结构，它适于制超厚、高深宽比的微结构。

甩胶过程包括三个步骤：烘干、甩胶、前烘。首先将3寸硅片晶圆100放于氧等离子机中，打上等离子；随后将硅片晶圆100固定在匀胶机的真空吸盘上，用滴管将适量稀薄状su-8胶滴在晶圆中心，以转速2500转/分钟甩胶30秒；转至热板上以65℃烘5分钟后再以95℃烘10分钟，完成前烘，空冷至室温。

曝光过程包括两个步骤：曝光、后烘。将前烘空冷后的硅片晶圆100放入紫外线光刻机的硅片台上，将气路液路层掩膜版201轻轻贴放于光刻胶上，保持硅片晶圆100与气路液路层掩膜版201大致对中，卡紧后设置曝光时间为18秒，开始曝光；完成后小心将硅片晶圆100转至热板上，以65℃烘15分钟后再以95℃烘10分钟，完成后烘过程。

显影过程：将冷却的硅片晶圆100转移到盛有显影液的大培养皿中，保证显影液能完全浸没硅片，显影5分钟后取出，用乙醇冲洗干净。

至此，对于气路液路层掩膜版201的甩胶、曝光、显影过程完成，其产生的是微流体芯片中的气路液路层，包括瓶颈结构203。

对于气路层掩膜版202的甩胶、曝光、显影过程，大体与上述的过程一致。然而为了得到较厚的光刻胶层，甩胶速度降为1000转/分钟；曝光过程中则是将气路层掩膜版202放置于光刻胶上，利用其上的标记结构212与硅片晶圆100上已经交联固化的光刻胶标记结构212对准，即可保证产生的气路流道209对称分布于液路流道210两侧，液路流道210出口恰好位于气路流道209相交处，从而保证了气体从气路流道205中流出后，恰好被气路流道209中的气体包裹悬空喷出。

如图3所示，气路液路层掩膜版201对应的制作只完成一次甩胶、曝光、显影过程，气路层掩膜版202对应的制作过程完成三次甩胶、曝光、显影过程。这样使得气路流道209的厚度远大于液路流道210厚度，从而有利于液体从液路流道210流出后悬浮于气体中，而不与流道壁面接触。在此硅片晶圆100上成型的pdms结构作为pdms结构层401，pdms结构层喷雾口204扫描电镜图403清晰展示了液路流道210和气路流道209的相对位置和深度关系。

再次取第二片硅片晶圆，此次仅对掩膜板202进行甩胶、曝光、显影，实验过程与上述过程大体一致，最终形成第二片仅包含有连续相层的su-8结构。在此硅片晶圆上成型的pdms结构作为pdms衬底层404，pdms衬底层喷雾口204扫描电镜图406清晰展示了连续相流道209。

根据本发明实施例的制备方法，分别用不同比例混合好的pdms聚合物制作两片pdms，成型后的pdms结构如图4所示。将其放置在显微镜下，用刀片沿微流体芯片外轮廓线进行切割，得到切割后pdms结构层402和切割后pdms衬底层405，由于所设计微流体芯片，无需通过切割来形成喷雾尖端，所以很容易完成芯片切割制作。然后将两片pdms在显微镜下对齐，键合形成一块完整的三维聚焦微流体芯片，如图5a和图5b所示。

根据本发明实施例的制备方法，将最终制得的三维聚焦微流体芯片放置在烘箱中，120℃烘烤24小时，或者更长时间。

本实施例中的pdms芯片的整个制作过程如上所述，制备方法也在本实施例进行了体现。本实施例中的用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片主要用来萃取相关目标化合物和产生微小雾化液滴，供质谱仪进行检测，微芯片与质谱仪联用示意图如图6所示。液体样品从用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片喷出后，经质谱仪进样口600进入质谱仪进行样品分析。图7a展示了从用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片瓶颈中填充固相萃取粒子显微图，以及图7b展示喷出的液体样品外部喷雾效果，固相萃取的上样过程萃取饱和后质谱图和固相萃取洗脱开始瞬间质谱图。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。