专利名称：一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法
技术领域：
本发明涉及微流控芯片的制备及应用，尤其是一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法。
背景技术：
目前，随着微流控芯片的研制和开发，其应用领域已不仅仅局限于生物化学、生物医学领域，它还逐渐渗透到临床、医药、食品和环境卫生监测等领域。微流控芯片有望取代常规实验室的功能，通过分析过程的集成化和微型化，最终实现微流控芯片的“个人化”和 “家用化”，因此，其研究应用的实用化只是个时间问题。微流控芯片从问世至今刚刚经历十几年的时间，目前已有商业化的玻璃芯片出现，而且其产业化的进程将显著加速。现在，国外一些知名大学和研究机构正在积极开展集成微流控芯片的研究和开发工作。如哈佛大学、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、马里兰大学、路易斯安娜州立大学、密歇根州立大学、伦敦帝国理土大学、加拿大阿尔伯达大学、美国劳伦斯 (Lawrence livemore)国家实验室等以及其他一些国家，如日本、韩国、澳大利亚、德国等大学和研究机构也开展了该领域的研究工作。国内对于微流控芯片的研究尚处于实验室阶段，开展这方面的研究也只局限于一些高等院校和中科院系统研究院所。浙江大学和清华大学先后研究成功了玻璃微流控芯片的制作；中科院电子学研究所也研制出玻璃-玻璃、硅-玻璃、玻璃-PDMS等三种材料和结构的微流控芯片；中国科学院大连化学物理所开发成功了 PMMA微流控芯片，申请了一种新结构的微流控芯片专利；大连理工大学研制出了塑料微流控芯片，同时也在试做玻璃、 硅-玻璃芯片，并与其他科研机构合作研究，已取得了初步成果。虽然就总体情况而言，我国在此领域的研究与国外相比有很大差距，但也应看到， 微流控芯片在更理想的芯片材料选取及其制作工艺、微通道的网络结构和沟道尺寸的优化设计、功能单元的集成、扩大芯片的通量、相应的高灵敏度检测器制作、相应的理论方面的研究等诸多方面，还有很多问题没能得到很好的解决，这些都给我们在这一领域里的创新研究留下了很大的空间。目前，分离技术已经被广泛的应用于生化分析中，基于该技术的微流控芯片是微全分析系统(y-TAS)中必不可少的部件之一。传统的分离方法包括毛细管电泳和层析法， 它是利用了微流体层流的特点，直接通过扩散实现分离；而基于微球的分离方法主要是依靠外加电场控制不同带电粒子使之分离，特别是在流式细胞仪中，利用动电聚焦技术实现了微球的单通。然而，实验中所需的电场强度往往很高，可达到0. 1 10kV/mm，这势必会引起较高的费用和温度。因此，一种廉价、高效的分离微球的方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，基于目前大多数微流孔芯片都是细胞的操纵，而微载体控制性的微流控芯片的研究与制作却很少报道的现状，本发明致力于利用微流控芯片操纵悬浮微球阵列芯片，发明一种廉价、高效、快速、 集成化的生物样品分离检测微流控芯片系，本发明将纳米热压印技术与软光刻技术相结合，设计并实现了基于PDMS材料的微流控芯片的制备。本发明的技术方案一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于它包括以下步骤(1)微流控芯片模具的制作制作玻璃基金属掩模板，得到微流控芯片图形；再用光刻转移图形至旋涂有光刻胶的基底上，通过干法刻蚀，在该基底上得到具有柱状图形的微流控芯片模具；(2)聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备溶融的聚二甲基硅氧烷于步骤 (1)制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化，脱模后得到含有图形的PDMS基片；(3)玻璃盖片和PDMS基片的键合玻璃盖片和PDMS基片一起经由仏反应离子刻蚀操作，之后将玻璃盖片和PDMS基片对准封接。上述所说的步骤(1)微流控芯片模具的制作的具体步骤为①利用MEMS专用设计软件htelliSuite仿真软件中的htelliMask模块设计版图用于制版，将光刻胶悬涂于两寸硅片上，胶厚为Iym;②将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟， 温度为90°C ；极紫外线光进行光刻，曝光时间为8s，然后，在浓度为0. 6%的NaOH溶液中显影40s，将显影好的硅片进行后烘前烘15分钟，温度为120°C ；③利用Oxford Plasmalab SOplus反应离子刻蚀机，采用氧等离子体轰击残胶的办法来调整压印后残胶厚度，因为压印胶的组成大部分为有机物，在与A的反应过程中生成H2O和CO2气体物质被带离表面达到刻蚀的目的，等离子体刻蚀参数为气压40mTorr，射频功率50W，刻蚀用气体为02， 气体流速50sCCm，PMMA刻蚀速率30nm/S ；④利用干法刻蚀，制备压模，实验参数为气压 40mTorr，射频功率100W，刻蚀用气体为SF6/&混合气，气体流速40sccm/lsccm，硅刻蚀速率300nm/S ；⑤将PMMA颗粒溶于苯甲醚中并旋涂于预先经过超声波清洗的硅片上，随后将旋涂过的片子放入真空烘箱中在200°C下烘焙lh，以使PMMA胶膜彻底固化，利用扫描探针显微镜测得烘后薄膜厚度为3 μ m ；压印过程中的压模采用硅质压模具，其台阶深度为 2. 625 μ m ；压模的抗粘层采用1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷(F13-TCQ材料在手套箱中采用汽相方法制备；压印时将PMMA加热到玻璃化温度以上；在该温度下施加压力50bar并持续MOs ；压印完成后待温度降至80°C时开始脱膜，这样压模负图形便转移到了 PMMA薄膜上；⑥重复步骤③；⑦重复步骤④；⑧重复步骤③，得到微流控芯片模具。上述所说的步骤①光刻胶为正胶。上述所说的步骤④中SF6在刻蚀过程中提供F自由基，F十和中性原子，与Si发生反应产生Sih挥发性物质从而达到刻蚀的目的，&主要用于产生SiOFx的惰性保护层， 防止过大的各向同性腐蚀刻蚀侧壁。上述所说的步骤( 聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备的具体步骤为 采用Sylgard 184型PDMSjf PDMS预聚体/固化剂体积比为10 1的液体混合物充分搅拌后放入真空箱内，常温脱气；待液体混合物无气泡后，浇注于硅阳膜上形成1 3mm厚层， 再进行常温脱气，直至硅阳模边缘围堰无气泡或气泡明显减少；在75°C下加热固化35min， 然后从硅阳膜上取下盖片，并用打孔器打出基片通道的末端孔。上述所说的Sylgard 184型PDMS的配比为10 1，固化温度为50-100°C。
上述所说的步骤(3)玻璃盖片和PDMS基片的键合的具体步骤为采用等离子体方法对玻璃盖片和PDMS基片处理30秒，然后将两片对粘，在120°C、3bar下加热Ih至两者牢固的粘合，完成芯片的制作；过程中要保持模具底片、平板玻璃片水平。本发明提出的这种基于微球捕获的微流控芯片(即实现微球离散化的微流控芯片)可以应用于检测系统中。作为检测方法，一个不可忽视的问题便是检测的精确性。在追求高自动化的同时可以使用这样一种提高检测精度的做法可以设计一种捕获单元芯片， 将该捕获单元芯片应用于检测中。那么我们就可以将待检测的悬浮阵列芯片先进行阵列离散化后再进行检测。如果捕获单元芯片的捕获能力十分理想的话，那么应用一种简单的检测方法便可以得到很高检测精度的想法便是可行的。本文制作了两种尺寸的微流控芯片 (见图2、图3)，并将直径为13 15 μ m的微球直接注入蓄液池中，在外加压力作用下实现了微球的捕获，这为微流控芯片操纵悬浮阵列芯片，构建了一种廉价、高效、快速、集成化的生物样品分离检测微流控芯片系统。本发明的工作原理采用了纳米热压印与浇铸方法制备了 PDMS微流控芯片，其制作过程主要包括三部分利用传统光刻技术制备出纳米热压印模具、基于纳米热压印的阳膜制作和PDMS盖片的浇铸成型。即首先设计出PDMS微流控芯片的结构，然后再通过传统光刻技术制得压印模具，之后利用纳米热压印技术制得所需深度的浇铸阳模，最后利用浇铸法得到有通道的PDMS盖片并通过热键合步骤制得芯片。本发明的优越性这种基于纳米热压印方法制备的微流控芯片，只需制作一次压印模具便可以制造出多种具有较高台阶高度的浇铸阳模，该方法投入很少，过程简单。
图1为本发明所涉一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法流程图。图2为本发明所涉一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法制备的微流控芯片结构示意图。图3为图2中微流控芯片的尺寸示意图。图4为本发明所涉一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法示意图。
具体实施例方式实施例本发明所述的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，包括如下步骤(见图1、图4)①利用MEMS专用设计软件htelliSuite仿真软件中的htelIiMask模块设计版图用于制版，将光刻胶(实验所用为正胶)悬涂于两寸硅片上，胶厚为1 μ m。②将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C。极紫外线光进行光刻，曝光时间为8s，然后，在浓度为0. 6%的NaOH溶液中显影40s，将显影好的硅片进行后烘前烘15分钟，温度为120°C。③利用Oxford Plasmalab 80plus反应离子刻蚀机，采用氧等离子体轰击残胶的办法来调整压印后残胶厚度，因为压印胶的组成大部分为有机物，在与A的反应过程中生成H2O和(X)2等气体物质被带离表面达到刻蚀的目的。具体参数如表1所示。表 1
等离子体刻蚀参数
射频功率刻蚀用气体 _气体流速 PMMA 刻蚀速率30nm/s④利用干法刻蚀，制备压模，实验具体参数见表2。所用的工作气体为SF6/02混合气。其中SF6在刻蚀过程中提供F自由基，F十和中性原子，与Si发生反应产生Sih挥发性物质从而达到刻蚀的目的，A主要用于产生SiOFx的惰性保护层，防止过大的各向同性腐蚀刻蚀侧壁。表 2等离子体刻蚀参数
射频功率刻蚀用气体 _气体流速硅刻蚀速率300nm/s⑤将PMMA颗粒溶于苯甲醚中(10%，Wt)并旋涂于预先经过超声波清洗的硅片上， 随后将旋涂过的片子放入真空烘箱中在200°C下烘焙lh，以使PMMA胶膜彻底固化，利用扫描探针显微镜(SPM)测得烘后薄膜厚度为3μπι。压印过程中的压模采用硅质压模具，其台阶深度为2. 625 μ m。压模的抗粘层采用1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷(F13-TCQ材料在手套箱中采用汽相方法制备。压印时将PMMA加热到玻璃化温度以上，这里我们加热到 200°C，在该温度下施加压力50bar并持续MOs。压印完成后待温度降至80°C时开始脱膜， 这样压模负图形便转移到了 PMMA薄膜上，如图4(a) (b) (c)所示。⑥重复步骤3，如图4 (d)所示。⑦重复步骤4，如图4(e)所示。⑧重复步骤3，如图4 (f)所示。⑨实验采用Sylgard 184型PDMS (推荐的最佳配比为10 1，固化温度为 50-100°C )，将PDMS预聚体/固化剂配比(体积比)为10 1的液体混合物充分搅拌后放入真空箱内，常温脱气；待液体混合物无气泡后(大约15min)，浇注于硅阳膜上形成1 3mm厚层，再进行常温脱气，直至硅阳模边缘围堰无气泡或气泡明显减少(大约15min)；在 75°C下加热固化35min，然后从硅阳膜上取下盖片，并用打孔器打出基片通道的末端孔；然后采用等离子体方法对玻璃盖片和PDMS基片处理30秒，然后将两片对粘，在120°C、3bar 下加热Ih至两者牢固的粘合，完成芯片的制作。过程中要保持模具底片、平板玻璃片水平， 如图4(g) (h)⑴所示。
权利要求
1.一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于它包括以下步骤(1)微流控芯片模具的制作制作玻璃基金属掩模板，得到微流控芯片图形；再用光刻转移图形至旋涂有光刻胶的基底上，通过干法刻蚀，在该基底上得到具有柱状图形的微流控芯片模具；(2)聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备溶融的聚二甲基硅氧烷于步骤(1) 制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化，脱模后得到含有图形的PDMS基片；(3)玻璃盖片和PDMS基片的键合玻璃盖片和PDMS基片一起经由化反应离子刻蚀操作，之后将玻璃盖片和PDMS基片对准封接。
2.根据权利要求1所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的步骤(1)微流控芯片模具的制作的具体步骤为①利用MEMS专用设计软件 htelliSuite仿真软件中的htelliMask模块设计版图用于制版，将光刻胶悬涂于两寸硅片上，胶厚为Iym;②将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为 900C ；极紫外线光进行光刻，曝光时间为8s，然后，在浓度为0. 6%的NaOH溶液中显影40s， 将显影好的硅片进行后烘前烘15分钟，温度为120°C;③利用Oxford Plasmalab 80plus反应离子刻蚀机，采用氧等离子体轰击残胶的办法来调整压印后残胶厚度，因为压印胶的组成大部分为有机物，在与O2的反应过程中生成H2O和CO2气体物质被带离表面达到刻蚀的目的，等离子体刻蚀参数为气压40mTorr，射频功率50W，刻蚀用气体为O2，气体流速50sCCm， PMMA刻蚀速率30nm/S ；④利用干法刻蚀，制备压模，实验参数为气压40mTorr，射频功率 100W,刻蚀用气体为SF6A)2混合气，气体流速40sccm/lsccm，硅刻蚀速率300nm/s ；⑤将 PMMA颗粒溶于苯甲醚中并旋涂于预先经过超声波清洗的硅片上，随后将旋涂过的片子放入真空烘箱中在200°C下烘焙lh，以使PMMA胶膜彻底固化，利用扫描探针显微镜测得烘后薄膜厚度为3 μ m ；压印过程中的压模采用硅质压模具，其台阶深度为2. 625 μ m ；压模的抗粘层采用1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷(F13-TCQ材料在手套箱中采用汽相方法制备；压印时将PMMA加热到玻璃化温度以上；在该温度下施加压力50bar并持续MOs ；压印完成后待温度降至80°C时开始脱膜，这样压模负图形便转移到了 PMMA薄膜上；⑥重复步骤③；⑦ 重复步骤④；⑧重复步骤③，得到微流控芯片模具。
3.根据权利要求2所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的步骤①光刻胶为正胶。
4.根据权利要求2所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的步骤④中SF6在刻蚀过程中提供F自由基，F十和中性原子，与Si发生反应产生Sih 挥发性物质从而达到刻蚀的目的，A主要用于产生SiOFx的惰性保护层，防止过大的各向同性腐蚀刻蚀侧壁。
5.根据权利要求1所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的步骤( 聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备的具体步骤为采用Sylgard 184型PDMS，将PDMS预聚体/固化剂体积比为10 1的液体混合物充分搅拌后放入真空箱内，常温脱气；待液体混合物无气泡后，浇注于硅阳膜上形成1 3mm厚层，再进行常温脱气，直至硅阳模边缘围堰无气泡或气泡明显减少；在75°C下加热固化35min，然后从硅阳膜上取下盖片，并用打孔器打出基片通道的末端孔。
6.根据权利要求5所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的Sylgard 184型PDMS的配比为10 1，固化温度为50-100°C。
7.根据权利要求1所说的一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法，其特征在于所说的步骤C3)玻璃盖片和PDMS基片的键合的具体步骤为采用等离子体方法对玻璃盖片和 PDMS基片处理30秒，然后将两片对粘，在120°C、3bar下加热Ih至两者牢固的粘合，完成芯片的制作；过程中要保持模具底片、平板玻璃片水平。
全文摘要
一种实现微球离散化的微流控芯片制备方法微流控芯片模具的制作制作玻璃基金属掩模板，得到微流控芯片图形；再用光刻转移图形至旋涂有光刻胶的基底上，通过干法刻蚀，在该基底上得到具有柱状图形的微流控芯片模具；聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备溶融的聚二甲基硅氧烷于步骤(1)制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化，脱模后得到含有图形的PDMS基片；玻璃盖片和PDMS基片的键合玻璃盖片和PDMS基片一起经由O2反应离子刻蚀操作，之后将玻璃盖片和PDMS基片对准封接。本发明的优越性这种基于纳米热压印方法制备的微流控芯片，只需制作一次压印模具便可以制造出多种具有较高台阶高度的浇铸阳模，该方法投入很少，过程简单。
文档编号B81C3/00GK102190283SQ20091022915
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者吴元庆, 屈怀泊, 徐超, 牟诗城, 高鹏 申请人:国家纳米技术与工程研究院