一种PDMS微流控芯片制备方法

摘要

本发明公开了一种PDMS微流控芯片制备方法。包括如下步骤：采用液滴微喷射法制备PDMS微流控芯片石蜡阳模；采用模塑法制备PDMS微流控芯片负模；将PDMS微流控芯片负模与玻璃基底采用可逆键合方式键合在一起，即制得PDMS微流控芯片。本发明的PDMS微流控芯片石蜡阳模制备过程只需一步，成本低廉，无需特定模板，且可制备任意图形的PDMS微流控芯片石蜡阳模。

权利要求

1.一种PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、PDMS微流控芯片石蜡阳模的制备

1.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

1.2对玻璃基底进行洁净处理；

1.3驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将熔融石蜡微喷射到洁净的玻璃基底上，从而制得PDMS微流控芯片石蜡阳模；

第二步、PDMS微流控芯片的制备

2.1向制得的PDMS微流控芯片石蜡阳模上均匀、缓慢沉积PDMS液体，固化处理后形成负模，将PDMS微流控芯片负模揭下，并采用空心管切割法对PDMS微流控芯片负模进行打孔，从而得到PDMS微流控芯片的进出液口；

2.2将打孔后的PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，1.1步中所述的内构双锥形玻璃微喷嘴针柄外径为8mm，内径为6mm，微喷嘴内径变化范围为120μm-250μm。

3.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，1.2步中所述的玻璃基底分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

4.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，1.3步中所述的微喷射通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现。

5.根据权利要求1或4所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为2Hz，驱动电压幅值范围为40～80V。

6.根据权利要求4所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，三维工作台运动参数包括液滴的重叠度、工作台运动图案和三维工作台Z轴沉积次数，液滴的重叠度范围为

50％～80％；三维工作台Z轴沉积次数范围为1～6。

7.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，2.1步中所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按10：1质量比混合均匀得到。

8.根据权利要求1所述的PDMS微流控芯片制备方法，其特征在于，2.2步中所述的键合是将PDMS微流控芯片负模和玻璃基底洁净处理后，将PDMS微流控芯片负模与玻璃基底粘合并紧紧卡住形成封闭的PDMS微流道结构，放入烘箱中80℃下加热10分钟后实现。

说明书

一种PDMS微流控芯片制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控芯片的制备方法，具体为一种PDMS微流控芯片的制备方法。

背景技术

[0002] 微流控芯片是指在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。它把化学或生物学中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

[0003] 常用于制作微流控芯片的材料有单晶硅片、玻璃、石英和各种有机聚合物，硅具有良好的化学惰性和热稳定性，但硅材料的不足之处是易碎、价格偏高、不透光、电绝缘性较差，表面化学性质也较为复杂，因此在微流控芯片的应用中受到限制，玻璃和石英具有很好的电渗性质和光学性质，可采用标准的蚀刻工艺加工，但加工成本较高，封接难度较大。用于制备微流控芯片的有机聚合物中，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）因其具有良好的生物相容性、优良的光学性质，以及易于加工和封装，已广泛用于制作微流控芯片。

[0004] 微流控芯片的制备方法有很多，材料为硅片、玻璃及石英的微流控芯片的制备过程一般经过薄膜沉积、光刻掩模制作、光刻、腐蚀、去胶等步骤，工艺复杂，成本较高。有机聚合物微流控芯片的制备方法主要有模塑法、热压法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法和软光刻法等，其中，模塑法和软光刻法因其具有简单、经济、灵活已成为有机聚合物微流控芯片的主要制备方法。采用软光刻法制备微流控芯片第一步为制备弹性模印章所需阳模，传统弹性模印章阳模一般采用传统的微细加工技术及光刻工艺制得，制备过程复杂，设备成本较高。近年发展起来的一些阳模制备方法包括丝网印刷技术、激光局部快速成型、掩模刻蚀黄铜模板、以热压PMMA模板制作冰晶阳模、于石蜡图案上点滴液模法等，但是这些方法仍有许多局限性，仍然存在着制备过程繁琐、设备成本高等问题。例如黄铜印刷掩模刻蚀法中，铜或黄铜的蚀刻需要掩模，并需有毒的蚀刻液，且需要附加的蚀刻和漂洗步骤。以热压PMMA模板制作冰晶阳模法中冰图案需要另外PMMA模，且需要蒸发和冻结措施，液模法中难以制备高深宽比的微流道。

发明内容

[0005] 鉴于以上描述的现有微流控芯片制备方法具有制备过程复杂，设备要求高、成本大等缺点，本发明的目的是提供一种简易、具有高深宽比的PDMS微流控芯片制备方法。

[0006] 本发明的原理是：采用一种液滴微喷射技术来制备PDMS微流控芯片所需阳模，采用液滴微喷射法将石蜡熔融后微喷射到经过洁净处理的玻璃基底上，形成具有一定图形结构的PDMS微流控芯片所需石蜡阳模，然后将PDMS液体沉积到微流控芯片石蜡阳模上，固化处理后，将固化的PDMS弹性体与玻璃片分离，得到PDMS微流控芯片负模，经过打孔、清洗工艺后将PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种PDMS微流控芯片制备方法，包括以下步骤：

[0008] 第一步、PDMS微流控芯片石蜡阳模的制备

[0009] 1.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴；

[0010] 1.2对玻璃基底进行洁净处理；

[0011] 1.3驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将熔融石蜡微喷射到洁净的玻璃基底上，从而制得PDMS微流控芯片石蜡阳模；

[0012] 第二步、PDMS微流控芯片的制备

[0013] 2.1向制得的PDMS微流控芯片石蜡阳模上均匀、缓慢沉积PDMS液体，固化处理后形成负模，将PDMS微流控芯片负模揭下，并采用空心管切割法对PDMS微流控芯片负模进行打孔，从而得到PDMS微流控芯片的进出液口；

[0014] 2.2将打孔后的PDMS微流控芯片负模与洁净的玻璃基底进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

[0015] 1.1步中所述的内构双锥形玻璃微喷嘴针柄外径为8mm，内径为6mm，微喷嘴内径变化范围为120μm-250μm。

[0016] 1.2步中所述的玻璃基底分别采用浓硫酸、丙酮和去离子水进行洁净处理。

[0017] 1.3步中所述的微喷射通过协同控制液滴微喷射控制参数与三维工作台运动参数实现，其中，所述的液滴微喷射控制参数包括压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动频率设定为6Hz，驱动电压幅值范围为40～80V；三维工作台运动参数包括液滴的重叠度、工作台运动图案和三维工作台Z轴沉积次数，液滴的重叠度范围为50%～80%；三维工作台Z轴沉积次数范围为1～4。

[0018] 2.1步中所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按10：1质量比混合均匀得到。

[0019] 2.2步中所述的键合是将PDMS微流控芯片负模和玻璃基底洁净处理后，将PDMS微流控芯片负模与玻璃基底粘合并紧紧卡住形成封闭的PDMS微流道结构，放入烘箱中80℃下加热10分钟，即可得到键合好的PDMS微流控芯片。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点是：

[0021] （1）本发明的PDMS微流控芯片石蜡阳模制备过程只需一步，成本低廉，无需特定模板，且可制备任意图形的PDMS微流控芯片石蜡阳模。

[0022] （2）本发明采用石蜡作为PDMS微流控芯片阳模制备材料、将熔融石蜡微喷射到洁净处理玻璃基底上，石蜡沉积到玻璃基底后迅速凝固形成PDMS微流控芯片石蜡阳模，并可进行三维沉积，即采用石蜡可制作具有较高的深宽比或复杂结构的PDMS微流控芯片石蜡阳模。

附图说明

[0023] 图1是本发明第一步中PDMS微流控芯片石蜡阳模的液滴微喷射制备示意图。

[0024] 图2是本发明第二步中的PDMS微流控芯片制备过程示意图。

[0025] 1第一连接件；2压电致动器；3第二连接件；4内构双锥形玻璃微喷嘴夹持器；5内构双锥形玻璃微喷嘴；6熔融石蜡；7数码显微镜；8加热圈；9三维工作台；10玻璃基底；11PDMS微流控芯片石蜡阳模；12PDMS弹性体；13PDMS微流控芯片负模；14PDMS微流控芯片进出液口；15PDMS微流控芯片玻璃基底

具体实施方式

[0026] 本发明中，液滴微喷射是通过以脉冲惯性力为主动力，克服内构双锥形玻璃微喷嘴（参见博士论文《数字化液滴微喷射技术及其在印制电子中的应用研究》）内液体的粘性力实现的。所述的脉冲惯性力可用多种方式产生，由于压电器件具有电压-位移动态响应好、响应频率高等特点，可作为整体驱动器置于微喷嘴外部产生脉冲惯性力，故本发明脉冲惯性力由压电致动器提供。图1所示为液滴微喷射装置，首先将压电致动器2和所需内构双锥形玻璃微喷嘴5由第一连接件1、第二连接件3连接到三维工作台9的Z轴上，通过控制三维工作台Z轴运动，调节内构双锥形玻璃微喷嘴5与玻璃基底10的距离。调节数码显微镜7放大倍数和焦距，使得内构双锥形玻璃微喷嘴5和玻璃基底10可以清晰的在电脑屏幕上显示。图2所示为PDMS微流控芯片制备过程示意图，首先采用液滴微喷射技术在洁净处理的玻璃基底10上制备出PDMS微流控芯片石蜡阳模11。然后在PDMS微流控芯片石蜡阳模11上缓慢、均匀沉积PDMS弹性体12，待PDMS弹性体12固化处理后，将其从玻璃基底上揭下，并采用微打孔工艺打出PDMS微流控芯片进出液口14。最后将得到的PDMS微流控芯片负模与玻璃基底15进行键合，即制得PDMS微流控芯片。

[0027] 所述的内构双锥形玻璃微喷嘴5采用玻璃冷热加工工艺制得，首先采用自主开发的玻璃微喷嘴拉制仪（参见论文《Preparation of paper micro-fluidic devices used in bio-assay based on drop-on-demand wax droplet generation》）将毛坯外径为8.0mm、内径为6mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉断成微针，然后采用锻针仪（MF-900，日本Narishige）将微针在合适的尺寸位置截断并将出口锻制成内构双锥形，最后制备的适于熔融石蜡微喷射的微喷嘴出口内径可变范围为120-250μm；内构双锥形玻璃微喷嘴具有较好的液滴微喷射能力，较平口等微喷嘴能够微喷射出更大粘度的溶液。

[0028] 实施例1

[0029] PDMS微流控芯片石蜡阳模11的制备，具体步骤如下：

[0030] 步骤1内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出出口内径为120μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

[0031] 步骤2玻璃基底10的清洗：将玻璃片放入烧杯中，倒入适量的浓硫酸，放在加热炉上加热10分钟，然后取出冷却10分钟，用去离子水冲洗残余的浓硫酸。用棉球擦干后放入含有丙酮的烧杯中，放入超声波清洗仪中震荡10分钟，取出后用去离子水冲洗干净，并用氮气将其表面水分吹干。

[0032] 步骤3将固态石蜡熔融后装入内构双锥形玻璃微喷嘴5。

[0033] 步骤4设置压电致动器2的驱动电压幅值为40V，驱动频率为2Hz，设置三维工作台9运动参数使得液滴重叠度为50%，Z轴沉积次数为1，工作台运动图案选择微流控芯片的双路微混合图案。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴5，此时，内构双锥形玻璃微喷嘴5上环绕加热圈8对其内石蜡进行熔融。将内构双锥形玻璃微喷嘴5内熔融石蜡6微喷射到玻璃基板10上，即可得到PDMS微流控芯片石蜡阳模11，且制得的PDMS微流控芯片石蜡阳模11高为150μm，宽为150μm，如图1，2a、b所示。

[0034] 实施例2

[0035] PDMS微流控芯片石蜡阳模11的制备，具体步骤如下：

[0036] 步骤1内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出出口内径为180μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

[0037] 步骤2、3与实施例1所述步骤2、3相同

[0038] 步骤4步骤4设置压电致动器2的驱动电压幅值为60V，驱动频率为2Hz，设置三维工作台9运动参数使得液滴重叠度为60%，Z轴沉积次数为2，工作台运动图案选择微流控芯片的双路微混合图案。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴3，此时，内构双锥形玻璃微喷嘴5上环绕加热圈8对其内石蜡进行熔融。将内构双锥形玻璃微喷嘴5内熔融石蜡6微喷射到玻璃基板10上，即可得到PDMS微流控芯片石蜡阳模11，且制得的PDMS微流控芯片石蜡阳模高为510μm，宽为330μm如图1，2a、b所示。

[0039] 实施例3

[0040] PDMS微流控芯片石蜡阳模11的制备，具体步骤如下：

[0041] 步骤1内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出出口内径为250μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

[0042] 步骤2、3与实施例1所述步骤2、3相同

[0043] 步骤4设置压电致动器2的驱动电压幅值为80V，驱动频率为2Hz，设置三维工作台9运动参数使得液滴重叠度为80%，Z轴沉积次数为6，工作台运动图案选择微流控芯片的双路微混合图案。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴5，此时，内构双锥形玻璃微喷嘴5上环绕加热圈8对其内石蜡进行熔融。将内构双锥形玻璃微喷嘴5内熔融石蜡6微喷射到玻璃基板10上，即可得到PDMS微流控芯片石蜡阳模11，且制得的PDMS微流控芯片石蜡阳模高为1390μm，宽为450μm如图1，2a、b所示。

[0044] 实施例4

[0045] PDMS微流控芯片的制备，具体步骤如下：

[0046] 步骤1取DC184SYLGARD PDMS弹性体与固化剂（PDMS弹性体专用固化剂）按质量比10︰1比例混合，在磁力搅拌器上搅拌20分钟，将混合充分的PDMS液体抽真空，去除液体中的气泡。

[0047] 步骤2将PDMS抽完真空的液体缓慢、均匀沉积到实施例1、2、3所制备的PDMS微流控芯片石蜡阳模11上，如图2c所示。再次抽真空后，放入烘箱内30～40℃下加热24小时后，将固化后的PDMS揭下，然后用圆形空心管插入需要打孔的部位，拔出时带出PDMS圆柱，打出与管道接头的孔，即制得PDMS微流控芯片负模13，如图2d所示。

[0048] 步骤3玻璃基底15的洁净处理，处理方法与实施例1中步骤2相同。

[0049] 步骤4采用可逆封装过程进行PDMS微流控芯片负模13与玻璃基15的键合。首先将用于封装的各部分表面用去离子水和甲醇反复清洗后用干净的氮气吹干，然后直接将PDMS微流控芯片负模13与玻璃基片15接触粘合，并将两片紧紧卡住，放入烘箱中80℃下处理10分钟左右，即制得PDMS微流控芯片，如图2e所示。这样得到的PDMS微流控芯片可用外力撕开，也就是说，这个过程是可逆的，这样制得的芯片的优点是可以很方便的进行清洗。采用石蜡制作的PDMS微流控芯片阳模而制成的PDMS微流控芯片具有较高深宽比，具体实施过程中，制得的PDMS微流控芯片深宽比最高为3.1。

[0050] 具体实施过程中，PDMS微流控芯片的深宽比及微流控芯片微流道结构图形可由PDMS微流控芯片阳模决定。