一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法

一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法。一种基于光学检测的微流控芯片，包括上衬底层、下衬底层、夹层，所述夹层位于两个衬底层的中间，所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成；制备方法包括以下步骤：第一步：在夹层上制备凹槽结构和进样孔，所述凹槽结构穿透夹层；第二步：将具有凹槽结构的夹层与上下两个衬底键合在一起，凹槽侧壁和衬底表面构成了样品通道。其有益效果是，所述微流控芯片样品通道的表面平坦光滑，不存在热失配问题；进样孔的设置导致样品通道内产生紊流，提高了检测精度；因此，本发明具有制备工艺简单、高稳定性和高灵敏度检测的特点。
【专利说明】—种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测气体或液体样品的微流控芯片及包含所述微流控芯片的传感器，特别涉及一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法，可应用于生化分析、医学诊断和生物工程等领域。

【背景技术】
[0002]光学检测技术和微流控芯片技术的融合，催生了 “光流控”(optofluidic)传感器(Nature Photon.，5 (10)，591-597 (2011))。利用光流控传感器对气体或液体样品进行分析检测，具有无标记、实时动态、及微量样品需求等优势。
[0003]目前，光流控传感器主要有三类:微环谐振腔传感器(Appl.Phys.Lett.,97,011105(2010));表面等离子体共振传感器(Anal.Chem.，82(24)，10015-10020(2010));以R Fabry-Perot (FP)谐振腔传感器(Appl.Phys.Lett.，102，163701 (2013))。其中，FP 谐振腔传感器的检测精度最高(可达10_8折射率单位)、制备工艺相对简单；但是，为了获得良好的光学性能，要求传感器中样品通道的表面平坦光滑；因此需要引入额外的腐蚀停止层，以避免通道的腐蚀制备过程中所导致的表面粗糙，这增加了工艺复杂度。此外，传感器通常由不同的材料组合而成，不同材料之间的热膨胀系数存在差异(简称“热失配”)，因此温度变化会导致传感器中的热应力发生变化，从而产生形变、降低器件的稳定性。
[0004]综上所述，如何简化样品通道的制备技术、并降低热失配，以实现高稳定性和高灵敏度的光流控传感器，是本发明的创研动机。


【发明内容】

[0005]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种样品通道表面平坦光滑、低热失配、高稳定性和高灵敏度的微流控芯片及其制备方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为:
[0007]—种基于光学检测的微流控芯片,包括上衬底层、下衬底层、夹层,所述夹层位于两个衬底层的中间，其特征在于:所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成。
[0008]所述的样品通道位于中间夹层，是由衬底表面和凹槽侧壁构成，样品通道的上下表面就是衬底表面；由于衬底表面无需刻蚀或腐蚀，因此可保持原有表面的平坦光滑度，相应的样品通道的上下表面也保持平坦光滑，具有良好的光学性能。
[0009]本发明涉及的微流控芯片，还可以具有以下附属技术特征:
[0010]所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度。其中进样孔也是在中间夹层上腐蚀而成(图2右图)，进样孔的腐蚀深度h可以小于或等于夹层的厚度L，h的数值可以为L的数值的I倍、0.9倍、0.75倍、0.5倍、0.25倍、0.1倍，可视检测样品需求选择。当h小于L时，样品在样品通道内流动会产生紊流；因此，可以通过调节h的大小，来获得需要的紊流效果，从而影响光束传播方向(紊流使得通道内的液体折射率分布不均)、提高检测精度。
[0011]所述夹层和所述衬底采用同一种材料制备，从而消除热失配、提高器件稳定性。所述衬底设置进样孔，所述衬底进样孔与夹层进样孔连接。
[0012]所述衬底表面镀有反射膜，所述反射膜可以作为光学反射镜；因此所述样品通道的上下表面构成一个Fabry-P6rot光学谐振腔,其中谐振腔的腔长等于中间夹层的厚度。
[0013]所述反射膜为金属膜或介质膜中的一种；所述介质膜的反射膜是通过在衬底上交替生长不同折射率的介质薄膜而成，所述介质薄膜形成布拉格反射镜(DBR);所述介质膜为 Si/Si02、Ti02/Si02 或 GaAs/AlGaAs 中的任一种。
[0014]本发明还涉及一种基于光学检测的微流控芯片的制备方法，主要包括以下步骤:
[0015]第一步:在夹层上制备凹槽结构和进样孔，所述凹槽结构穿透夹层；
[0016]第二步:将具有凹槽结构的夹层与上下两个衬底键合在一起，凹槽侧壁和衬底表面构成了样品通道。
[0017]所述的样品通道，其制备过程如图2、图3和图4所示:先在中间夹层上制备凹槽结构，该凹槽穿透中间夹层(因此无需控制刻蚀深度，也无需采用刻蚀停止层，从而可以采用化学刻蚀、激光切割或机械加工的方法来制备凹槽结构)(图2);然后，将具有凹槽结构的中间夹层与上下两个衬底键合在一起(凹槽的上下表面为衬底表面)，从而构成了一个密闭的样品通道(图3和图4)；
[0018]其中，所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度；在夹层上制备凹槽结构和进样孔的制备方法采用化学刻蚀、激光切割或机械加工中的一种。
[0019]其中，所述键合工艺是表面处理工艺或聚合物胶体粘接工艺中的一种，所述表面处理工艺是等离子体或化学溶液中的一种。
[0020]其中，所述衬底和夹层采用同一种材料制备，所述材料选自玻璃材料、有机材料或晶体材料中的任一种，所述晶体材料选自硅、砷化镓或磷化铟中的任一种，所述玻璃材料选自石英玻璃、普通玻璃或有机玻璃中的任一种。
[0021]一种基于光学检测的微流控芯片传感器，包括:外围进样系统、微流控芯片，传感器信号采集与处理系统以及平台支撑组件，其特征在于:所述微流控芯片包括上衬底层、下衬底层、夹层，所述夹层位于两个衬底层的中间，其特征在于:所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成。
[0022]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0023]在夹层上制备穿透的凹槽结构，凹槽侧壁和衬底表面构成了样品通道，从而消除了凹槽的刻蚀过程所导致的通道表面粗糙；夹层或衬底中无需引入腐蚀停止层，因此夹层和衬底可以采用同一种材料，从而消除不同材料间的热失配问题。进样孔的设置导致紊流的产生，提高了检测精度。使用三层键合的形式制造微流控芯片，制备工艺简单，适合大规模推广。本发明具有制备工艺简单、高稳定性和高灵敏度检测的特点。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1为微流控芯片的截面示意图。
[0025]图2为具有凹槽结构的夹层示意图(左图为具有夹层结构微流控芯片的俯视图，右图为具有夹层结构微流控芯片的截面图)。
[0026]图3为夹层与下衬底键合在一起。
[0027]图4为夹层与上衬底键合。

【具体实施方式】
[0028]下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0029]实施例1
[0030]参照图1至图4，本发明提供了一种基于光学检测的微流控芯片，包括均采用玻璃制备的上衬底层、下衬底层、夹层，所述夹层位于两个衬底层的中间，所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成；本实施例中所述夹层进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度。
[0031 ] 本发明还提供了一种基于光学检测的微流控芯片制备方法，主要包括以下步骤:
[0032]第一步，利用刻蚀工艺在玻璃夹层上制备凹槽结构和进样孔，本实施例的刻蚀工艺为化学刻蚀，其中的凹槽透过玻璃夹层(如图2);进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度；
[0033]第二步，将具有凹槽结构的玻璃夹层，依次与两个玻璃衬底键合，本实施例的键合工艺采用等离子体处理工艺，其中夹层位于中间，衬底位于上下两侧(如图3和图4);凹槽侧壁与两个衬底的表面构成了样品通道(图1)。
[0034]实施例2
[0035]参照图1至图4，本发明提供了一种基于光学检测的微流控芯片，包括采用玻璃制备的夹层，采用硅制备的上衬底层和下衬底层，所述夹层位于两个衬底层的中间，所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成；本实施例中所述夹层进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.9倍；所述衬底设置进样孔，所述衬底进样孔与夹层进样孔连接；
[0036]本发明还提供了一种基于光学检测的微流控芯片制备方法，主要包括以下步骤:
[0037]第一步，利用刻蚀工艺在玻璃夹层上制备凹槽结构和进样孔，在衬底上刻蚀与夹层进样孔连接的衬底进样孔；本实施例的刻蚀工艺为激光切割，其中的凹槽透过玻璃夹层(如图2);进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.9倍；
[0038]第二步，在两个硅衬底上生长Ti02/Si0j^膜作为布拉格反射镜(DBR);将具有凹槽结构的玻璃夹层，依次与两个硅衬底键合，本实施例的键合工艺采用化学溶液处理工艺，其中夹层位于中间，衬底位于上下两侧(如图3和图4);凹槽侧壁与两个衬底的表面构成了样品通道(图1)，通道上下表面的布拉格反射镜(DBR)构成了 Fabry-P6r0t光学谐振腔。
[0039]实施例3
[0040]参照图1至图4，本发明提供了一种基于光学检测的微流控芯片，包括采用硅制备的夹层，采用玻璃制备的上衬底层和下衬底层，所述夹层位于两个衬底层的中间，所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成；本实施例中所述夹层进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.5倍；所述衬底设置进样孔，所述衬底进样孔与夹层进样孔连接；所述玻璃衬底上镀有Si/Si02薄膜。
[0041 ] 本发明还提供了一种基于光学检测的微流控芯片制备方法，主要包括以下步骤:
[0042]第一步，利用刻蚀工艺在硅夹层上制备凹槽结构和进样孔，在衬底上刻蚀与夹层进样孔连接的衬底进样孔；本实施例的刻蚀工艺为机械加工方法，其中的凹槽透过硅夹层(如图2);进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.5倍；
[0043]第二步，在两个玻璃衬底上生长Si/S1j^膜作为布拉格反射镜(DBR);将具有凹槽结构的硅夹层，依次与两个玻璃衬底键合，本实施例的键合工艺采用聚合物胶体粘接工艺，其中夹层位于中间，衬底位于上下两侧(如图3和图4);凹槽侧壁与两个衬底的表面构成了样品通道(图1)，通道上下表面的布拉格反射镜(DBR)构成了 Fabry-P6r0t光学谐振腔。
[0044]实施例4
[0045]参照图1至图4，本发明提供了一种基于光学检测的微流控芯片，包括均采用GaAs制备的夹层、上衬底层和下衬底层，所述夹层位于两个衬底层的中间，所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成；本实施例中所述夹层进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.1倍。
[0046]本发明还提供了一种基于光学检测的微流控芯片制备方法，主要包括以下步骤:
[0047]第一步，利用刻蚀工艺在GaAs夹层上制备凹槽结构和进样孔，本实施例的刻蚀工艺为机械加工方法，其中的凹槽透过GaAs夹层(如图2);进样孔的腐蚀深度等于夹层的厚度的0.1倍；
[0048]第二步，将具有凹槽结构的GaAs夹层，依次与两个GaAs衬底键合，本实施例的键合工艺采用聚合物胶体粘接工艺，其中夹层位于中间，衬底位于上下两侧(如图3和图4)；凹槽侧壁与两个衬底的表面构成了样品通道(图1)。
[0049]综上所述，本发明提供一种基于光学检测的微流控芯片及其制备方法，解决了传统光微流控芯片在衬底表面上刻蚀凹槽结构所导致的刻蚀表面粗糙的问题；并且夹层或衬底中无需引入腐蚀停止层，因此夹层和衬底可以采用同一种材料，从而消除不同材料间的热失配问题。本发明具有制备工艺简单、以及高稳定性和高灵敏度检测的特点。
[0050]按照本发明提供的一种基于光学检测的微流控芯片传感器，包括:外围进样系统、微流控芯片，传感器信号采集与处理系统以及平台支撑组件，所述微流控芯片为上述实施例所述的芯片。本发明中一种基于光学检测的微流控芯片传感器的结构为常规结构，且本发明提供的传感器的改进仅涉及上述的微流控芯片，不对其他部分进行改动。故本说明书仅对微流控芯片进行详述，对传感器的其他部件及工作原理这里不再赘述。本领域技术人员在本说明书描述的内容基础上，即可实现本发明所述的基于光学检测的微流控芯片传感器。本发明所述的微流控芯片不局限于应用在基于光学检测的微流控芯片传感器上，还可广泛应用于其他使用微流控芯片的领域。
[0051]最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
【权利要求】
1.一种基于光学检测的微流控芯片，包括上衬底层、下衬底层、夹层，所述夹层位于两个衬底层的中间，其特征在于:所述夹层设置有样品通道和进样孔，所述样品通道由夹层中穿透的凹槽结构和衬底表面构成。
2.根据权利要求1所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度。
3.根据权利要求1所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述夹层和所述衬底采用同一种材料制备。
4.根据权利要求1所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述衬底设置进样孔，所述衬底进样孔与夹层进样孔连接。
5.根据权利要求1所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述衬底表面镀有反射膜。
6.根据权利要求5所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述反射膜为金属膜或介质膜中的一种。
7.根据权利要求6所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述介质膜的反射膜是通过在衬底上交替生长不同折射率的介质薄膜而成，所述介质膜为Si/Si02、Τ?02/Si02 或 GaAs/AlGaAs 中的任一种。
8.根据权利要求5所述的基于光学检测的微流控芯片，其特征在于:所述反射膜作为光学反射镜，所述样品通道的上下表面构成一个Fabry-P6r0t光学谐振腔，其中谐振腔的腔长等于中间夹层的厚度。
9.一种如权利要求1-8任一所述的基于光学检测的微流控芯片的制备方法,主要包括以下步骤: 第一步:在夹层上制备凹槽结构和进样孔，所述凹槽结构穿透夹层； 第二步:将具有凹槽结构的夹层与上下两个衬底键合在一起，凹槽侧壁和衬底表面构成了样品通道。
10.根据权利要求9所述的基于光学检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于:在夹层上制备凹槽结构和进样孔的制造方法采用化学刻蚀、激光切割或机械加工中的一种；所述夹层进样孔的深度小于或等于夹层的厚度。
11.根据权利要求9所述的基于光学检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于:所述键合工艺是表面处理工艺或聚合物胶体粘接工艺中的一种，所述表面处理工艺是等离子体或化学溶液中的一种。
12.根据权利要求9所述的基于光学检测的微流控芯片的制备方法，其特征在于:所述衬底和夹层采用同一种材料制备，所述材料选自玻璃材料、有机材料或晶体材料中的任一种，所述晶体材料选自硅、砷化镓或磷化铟中的任一种，所述玻璃材料选自石英玻璃、普通玻璃或有机玻璃中的任一种。
13.一种基于光学检测的微流控芯片传感器，包括:外围进样系统、微流控芯片，传感器信号采集与处理系统以及平台支撑组件，其特征在于:所述微流控芯片为权利要求1-8任一项所述的微流控芯片。
【文档编号】G01N21/01GK104251910SQ201410298743
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2013年6月29日
【发明者】黄辉, 渠波, 刘蓬勃 申请人:黄辉, 渠波, 刘蓬勃