一种基于声表面波液滴微流控芯片的微液滴急速固化装置的制作方法

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于声表面波液滴微流控芯片的微液滴急速固化装置。

背景技术：

随着微流控芯片技术的不断发展，尤其是液滴微流控技术的快速发展，液滴微流控旨在通过不相容的多相流体构造离散微液滴，作为微流控中的重要组成部分，液滴微流控已经成为了生物、化学、医疗、材料制备应用中的重要实验平台，尤其在细胞培养、化学合成、药物筛选等方面发展尤为迅速。目前迄今为止，制备微球所用的微流控芯片主要基于液滴微流控中的横流、共流以及流体聚集等被动式微液滴生成方法，目前主流的装置主要有3种：含台阶式微通道、流体聚焦微通道及t型微通道。另一类主动式微液滴生成方法是采用外力辅助或者改变流体的某些特性(比如流体速度、粘度、表面张力、密度以及流道的可湿润性等)来产生液滴，这些外力可以是电场力、磁场力或者离心力等。

微流控技术的快速发展为不同粒径的液滴和微球的制备提供了新方法。目前常用的制备微球的方法是机械搅拌法，但该方法步骤复杂，对温度等要求严格，制备时间长，并且形成微球的粒径分布宽，形态难以控制。与传统方法相比，微流控芯片技术制备微球单分散性好，微球的粒径与形态容易控制并且能够更容易地将乳化、聚合、分析等步骤相结合，方法简单，易操作。微流控芯片技术制备微球一般过程是先将单体或聚合流体在微流控通道中乳化形成液滴，然后在微通道内通过聚合、冻结和溶剂蒸发等作用使液滴形成微球。

目前基于主动式微流控微球制造方法还鲜有报道，同时关于微球制造的微流控技术也仅限于单分散相的微球制备，对于多分散相的多壳以及包含功能粒子的复合微球的研究还未见报道。

在微流控芯片中引入温度的影响，经常用来作为生物化学实验中样本的保存方法，也可直接利用相变来实现独特的功能。对于样本的保存，中国科学院理化技术研究所的李雷等提出过一种基于微流控芯片的细胞冻存装置，直接将微流控芯片放入低温环境中进行细胞保存。更进一步地，徐小杨提出了一种细胞液滴快速玻璃化冻融载体及方法，利用芯片上亲水部分与疏水部分的独特分布来实现包裹有细胞的液滴的生成，并在低温环境里实现冻融。对于低温环境的实现细节及快速冻融方法，西安交通大学的徐峰等提出了一种非接触式液滴法冷冻装置及冷冻方法，通过翻转密封容器使得制冷剂在冷冻薄膜上快速气化，以此实现薄膜上呈点阵排列的液滴快速固化。对于通过相变实现微流控芯片的特殊功能，沈阳航空航天大学的蔡晋等提出了一种高响应速度的微流控冰阀，即利用相变来实现流道的启闭。北京大学的张洪泽等提出了一种基于冰打印的微流控器件制备方法，利用微流控器件及半导体制冷器来实现冰的3d打印。微流控器件类似于3d打印机的喷头，由三维移动平台控制将液滴逐层堆积在制冷器上，以此来实现微纳尺度冰结构的打印，主要应用在药物包裹或elisa实验。低温冻存和液滴固化是微流控芯片在生物医学应用上的一个可大有作为的课题，在简化实验操作的同时也为实验快速化和小型化提供了新的方法。

elisa实验和药物分析实验等都需要复杂且长时间的提前制备样品或试剂，一些实验对样本活性还有更高的需求。包裹有实验样本或试剂的液滴快速冷冻微流控器件则能很好地满足这种需求。

上述的现有技术，对于液滴的生成方法，多采用被动式液滴制造方法，在主动式液滴生成方面较少涉及，对于声表面波方面多用于微粒的控制。对于冷冻技术，在微流控领域引入了快速降温和液体相变来实现部分功能，但是在微球的快速制造尤其是以冰球作为药物或试剂载体的快速制造方面没有涉及。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于声表面波液滴微流控芯片的微液滴急速固化装置，既能实现基本的液滴生成甚至固相载体的包裹，也能实现液滴的急速降温和快速固化。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于声表面波液滴微流控芯片的微液滴急速固化装置，包括液滴微流控芯片1，液滴微流控芯片1安装在半导体制冷器2的制冷面上，半导体制冷器2的产热面安装在散热片3上，散热片3下方安装有散热风扇4。

所述的液滴微流控芯片1包括液滴生成流道1-1，液滴生成流道1-1由叉指换能器1-6提供声表面波切割液流生成液滴，液滴生成流道1-1出口和降温流道1-2入口连接，降温流道1-2出口与固化腔1-3入口连接，固化腔1-3设有冰球出口1-4和油相出口1-5。

所述的液滴生成流道1-1设有两个入口，分别为油相入口1-1-1与水相入口1-1-2，其中水相能够包裹样本或试剂，油相包含有抗融合剂。

所述的降温流道1-2通过曲折的结构来增加液滴降温时间，流道宽度逐渐增大以适应固化过程中液滴形状的变化。

所述的固化腔1-3为液滴提供较为平缓的液相环境以实现快速固化。

所述的液滴微流控芯片的电极加工工艺，包括以下步骤：

1)清洗：压电基底5-1为双面抛光的128°yx铌酸锂晶片，对压电基底5-1表面进行清洗；

2)将光刻胶5-2通过喷雾匀胶机匀在压电基底5-1表面；

3)通过双面对准曝光机来完成图案从掩膜版5-3到光刻胶5-2上的转移；

4)将曝好光的压电基底5-1放入显影液中浸泡，造成光刻胶5-2溶解；

5)在压电基底5-1上溅射，选用金5-4作为叉指换能器1-6的材料，种子层材料为铬；

6)先将溅射完金5-4的压电基底5-1放入丙酮溶液中浸泡15～25min，待叉指周围大部分的金5-4脱落后，再将压电基底5-1放入新的丙酮溶液中进行超声处理，促进光刻胶5-2的溶解，直至叉指换能器1-6轮廓完全显现后将压电基底5-1取出，并用去离子水清洗干净，然后用压缩空气将表面附着的水滴吹干，即形成所需的叉指换能器1-6图案，叉指换能器1-6的两端还需连接有导线。

本发明的有益效果为：

由于本发明采用基于叉指换能器1-6、压电基底5-1和液滴生成流道1-1的声表面波液滴生成方式，所以具有液滴生成速度更加可控，液滴尺寸更加可控，液滴行进路线可控等优点。

由于本发明采用基于液滴微流控芯片1和半导体制冷器2的冰球生成系统，所以具有能够生成作为药物或试剂的固相载体的冰球的优点；同时具有冰球生成速度可控，冰球尺寸可控等优点。

由于本发明采用液滴微流控芯片1，所以具有设备尺寸小、操作简单、所需洁净空间小等优点。

由于本发明采用液滴微流控芯片1，所以具有对各种药物或试剂兼容性高、对实验环境和人员要求低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的三维透视图。

图2为微流控芯片俯视图。

图3为微流控芯片液滴生成部分的流道俯视图。

图4为微流控芯片的电极加工工艺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种基于声表面波液滴微流控芯片的微液滴急速固化装置，包括液滴微流控芯片1，液滴微流控芯片1的底面安置在半导体制冷器2的制冷面上，半导体制冷器2的产热面设置在散热片3顶部的中心，散热片3底部安装有散热风扇4，半导体制冷器2由电源供电后，在制冷面达到低于室温20～40℃的降温效果，并在产热面大量放热，产生的热量由散热片3传导至下方，并在散热风扇4的帮助下对流散热。

参照图2，所述的液滴微流控芯片1包括液滴生成流道1-1，液滴生成流道1-1由叉指换能器1-6提供声表面波切割液流生成液滴，液滴生成流道1-1出口和降温流道1-2入口连接，降温流道1-2出口与固化腔1-3入口连接，固化腔1-3设有冰球出口1-4和油相出口1-5；液滴在液滴生成流道1-1生成后进入降温流道1-2，液滴在降温流道1-2中曲折前进，提升了降温的时间，降温流道1-2的流道宽度逐渐变宽，能够适应液滴在固化过程中变化的形状，液滴在降温流道1-2中逐渐进入冰水混合物状态，液滴在固化腔1-3中进入较为平缓的液相环境，逐渐开始固化，之后由冰球出口1-4被排出并静置，实现完全固化，油相由油相出口1-5排出。

参照图3，所述的液滴生成流道1-1设有两个入口，分别为油相入口1-1-1与水相入口1-1-2，其中水相能够包裹样本或试剂，油相包含有抗融合剂；在液滴生成流道1-1中，水相和油相在流道汇合处依靠叉指换能器1-6所产生的声表面波生成液滴。

参照图4，所述的液滴微流控芯片的电极加工工艺，包括以下步骤：

参照图4a，清洗：压电基底5-1为双面抛光的128°yx铌酸锂晶片，为保证其上涂覆光刻胶的平整度，对压电基底5-1表面进行清洗以保证洁净；

参照图4b，将光刻胶5-2通过喷雾匀胶机匀在压电基底5-1表面；

参照图4c，对光刻胶5-2采用分辨率较高的接触式曝光，通过双面对准曝光机来完成图案从掩膜版5-3到光刻胶5-2上的转移；

参照图4d，将曝好光的压电基底5-1放入提前配制好的显影液中浸泡，期间轻轻摇晃以促进光刻胶5-2和溶液的充分接触；由于浸泡时间过长会造成线宽过大，过短则会造成光刻胶5-2溶解不透，因此需要对显影时间进行严格的控制；

参照图4e，为保证叉指换能器1-6的导电性以及与压电基底5-1的粘附性，在压电基底5-1上溅射，选用金5-4作为叉指换能器1-6的材料，种子层材料为铬，溅射主要通过多靶材溅射系统来完成；

参照图4f，先将溅射完金5-4的压电基底5-1放入丙酮溶液中浸泡15～25min，待叉指周围大部分的金5-4脱落后，再将压电基底5-1放入新的丙酮溶液中进行超声处理，以促进光刻胶5-2的溶解，直至叉指换能器1-6轮廓完全显现后将压电基底5-1取出，并用去离子水清洗干净，然后用压缩空气将表面附着的水滴吹干，即形成所需的叉指换能器1-6图案；同时为方便与电学设备相连，叉指换能器1-6的两端还需连接有导线。