一种微流控芯片及其制备方法和捕获方法

摘要

一种微流控芯片及其制备方法和捕获方法，其中，微流控芯片包括：微流控通道薄膜(1)，微流控通道薄膜(1)中设置有预设形状的微流控通道(2)，微流控通道(2)每一端点处均设置有穿过微流控通道薄膜(1)的通孔(3)；基底(4)，键合至微流控通道薄膜(1)，以闭合微流控通道(2)；响应水凝胶微结构阵列(5)，其为由响应水凝胶微结构(6)组成的闭合结构，设置在微流控通道(2)中，响应水凝胶微结构(6)的尺寸通过其所处环境控制。通过采用尺寸可调节的响应水凝胶微结构以控制响应水凝胶微结构阵列的间距来捕获物体，无需外接其它设备。

权利要求

1.一种微流控芯片，包括：

微流控通道薄膜(1)，所述微流控通道薄膜(1)中设置有预设形状的微流控通道(2)，所述微流控通道(2)每一端点处均设置有穿过所述微流控通道薄膜(1)的通孔(3)；

基底(4)，键合至所述微流控通道薄膜(1)，以闭合所述微流控通道(2)；

响应水凝胶微结构阵列(5)，其为由响应水凝胶微结构(6)组成的闭合结构，设置在所述微流控通道(2)中，所述响应水凝胶微结构(6)的尺寸通过其所处环境控制；

其中，所述所处环境变化时，所述响应水凝胶微结构阵列(5)中位于所述微流控通道(2)出口侧的相邻所述响应水凝胶微结构(6)的间距小于预设值，所述响应水凝胶微结构阵列(5)中位于所述微流控通道(2)入口侧的相邻所述响应水凝胶微结构(6)的间距大于或小于所述预设值。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述通孔(3)的数量为一个以上，每一所述通孔(3)为所述微流控通道(2)的入口或出口。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述响应水凝胶微结构阵列(5)的数量为一个及以上。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述响应水凝胶微结构(6)的材料为热响应水凝胶、pH响应水凝胶、光响应水凝胶、溶剂响应水凝胶或分子水凝胶。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述微流控通道薄膜(1)为PDMS薄膜。

6.一种微流控芯片的制备方法，包括：S1：制备微流控通道薄膜(1)，并在所述微流控通道薄膜(1)中制备预设形状的微流控通道(2)，以及在所述微流控通道(2)的每一端点处制备穿过所述微流控通道薄膜(1)的通孔(3)；

S2：将基底(4)键合至所述微流控通道薄膜(1)，以闭合所述微流控通道(2)；

S3：在所述微流控通道(2)中使用飞秒激光全息加工方法制备响应水凝胶微结构阵列(5)，其中，所述响应水凝胶微结构阵列(5)为由响应水凝胶微结构(6)组成的闭合结构，该响应水凝胶微结构(6)的尺寸通过其所处环境控制；

其中，调整所述所处环境，使所述响应水凝胶微结构阵列(5)中位于所述微流控通道(2)出口侧的相邻所述响应水凝胶微结构(6)的间距小于预设值，使所述响应水凝胶微结构阵列(5)中位于所述微流控通道(2)入口侧的相邻所述响应水凝胶微结构(6)的间距大于或小于所述预设值。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片的制备方法，其中，所述飞秒激光全息加工的飞秒激光的波长为800nm，脉宽为75fs，重复频率为80MHz，能量为50‑150mW。

8.一种基于微流控芯片的捕获方法，用于捕获目标物体，包括：将所述目标物体注入如权利要求1‑5中任一项所述的微流控芯片，使得所述目标物体进入到响应水凝胶微结构阵列(5)中；

调整所述响应水凝胶微结构阵列(5)所处环境，以使得所述响应水凝胶微结构阵列(5)中位于入口一侧的相邻所述响应水凝胶微结构(6)的间距小于所述目标物体的尺寸。

说明书

一种微流控芯片及其制备方法和捕获方法

技术领域

[0001] 本发明涉及芯片器件领域，具体涉及一种微流控芯片及其制备方法和捕获方法。

背景技术

[0002] 不同的细胞个体之间，在基因转录，转译，蛋白质活性和代谢丰度等方面存在差异。当单个细胞基因组例如单核苷酸变异(SNVs)、拷贝数变异(CNVs)和结构变异时，很可能
导致癌症及其他疾病产生。在传统的细胞研究中都是以细胞群获得特征信息，并不能体现
出单个细胞之间的差异。因此从细胞群中分离和提取单细胞，实现单细胞的捕获，进而在神
经科学、干细胞生物学和癌症诊断等领域中研究分析单个细胞具有极大的意义。

[0003] 基于微流控芯片的细胞分离技术可分为主动技术和被动技术。主动技术依赖于光、磁、声和电等外立场来实现细胞分离，因此主动技术实现细胞分离时需要在微流控芯片
上连接提供外立场外力场的设备，而这些设备往往体积大、结构复杂并且价格高昂，与微流
控芯片的概念背道而驰。被动技术依赖于微流控通道的几何形状和固有的流体动力来实现
细胞分离，无需连接外接设备，但是这种被动技术不稳定，一旦流体发生变化，被捕获的细
胞很容易摆脱捕获，这极大的限制了其在单细胞研究中的应用。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 本发明提供了一种微流控芯片及其制备方法和捕获方法，通过采用飞秒激光全息加工方法将响应水凝胶加工成尺寸可控制的响应水凝胶微结构以形成响应水凝胶微结构
阵列，从而调节响应水凝胶微结构阵列所处环境来捕获目标物体，并且捕获方式简单，无需
外接复杂设备。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为实现上述目的，本发明一方面提供一种微流控芯片，包括：微流控通道薄膜，微流控通道薄膜中设置有预设形状的微流控通道，微流控通道每一端点处均设置有穿过微流
控通道薄膜的通孔；基底，键合至微流控通道薄膜，以闭合微流控通道；响应水凝胶微结构
阵列，其为由响应水凝胶微结构组成的闭合结构，设置在微流控通道中，响应水凝胶微结构
的尺寸通过其所处环境控制。

[0008] 可选地，通孔的数量为一个及以上，每一通孔为微流控通道的入口或出口。

[0009] 可选地，所处环境变化时，响应水凝胶微结构阵列中位于出口的一侧相邻响应水凝胶微结构的间距小于一预设值，响应水凝胶微结构阵列中位于入口的一侧相邻响应水凝
胶微结构的间距大于或小于上述预设值。

[0010] 可选地，响应水凝胶微结构阵列的数量为一个及以上。

[0011] 可选地，响应水凝胶为热响应水凝胶、pH响应水凝胶、光响应水凝胶、溶剂响应水凝胶或分子水凝胶。

[0012] 可选地，微流控通道薄膜为PDMS薄膜。

[0013] 本发明另一方面提供一种微流控芯片的制备方法，包括：S1：制备微流控通道薄膜，并在微流控通道薄膜中制备预设形状的微流控通道，以及在微流控通道的每一端点处
制备穿过微流控通道薄膜的通孔；S2：将基底键合至微流控通道薄膜，以闭合微流控通道；
S3：在微流控通道中制备响应水凝胶微结构阵列，其中，响应水凝胶微结构阵列为由响应水
凝胶微结构组成的闭合结构，该响应水凝胶微结构的尺寸通过其所处环境控制。

[0014] 可选地，飞秒激光全息加工的飞秒激光的波长为800nm，脉宽为75fs，重复频率为80MHz，能量为50‑150mW。

[0015] 本发明还提供一种微流控芯片的捕获方法，用于捕获目标物体，包括：将目标物体注入上述微流控芯片，使得目标物体进入到响应水凝胶微结构阵列中；调整响应水凝胶微
结构阵列所处环境，以使得响应水凝胶微结构阵列中位于入口一侧的相邻响应水凝胶微结
构的间距小于目标物体的尺寸。

[0016] (三)有益效果

[0017] 本发明提供的微流控芯片及其制备方法和捕获方法，具有以下有益效果：

[0018] (1)通过将响应水凝胶微结构阵列入口处相邻响应水凝胶微结构的间距设置为大于目标物体尺寸，出口处相邻响应水凝胶微结构的间距设置为小于目标物体尺寸，可以实
现目标物体捕获；

[0019] (2)通过采用尺寸可控制的响应水凝胶微结构，以改变其所处环境使得入口处相邻响应水凝胶微结构的间距小于目标物体尺寸，避免目标物体从入口逃脱，并且无需外接
复杂设备，节省了成本；

[0020] (3)利用飞秒激光全息加工响应水凝胶微结构以形成响应水凝胶微结构阵列，具有更高的加工质量和加工效率。

附图说明

[0021] 图1示意性示出了本发明实施例提供的微流控芯片的结构示意图；

[0022] 图2示意性示出了本发明实施例提供的微流控芯片的制备方法的流程图；

[0023] 图3A示意性示出了本发明实施例提供的固体阳模示意图；

[0024] 图3B示意性示出了本发明实施例提供的在固体阳模上制备微流控通道薄膜示意图；

[0025] 图3C示意性示出了本发明实施例提供的微流控通道薄膜示意图；

[0026] 图3D示意性示出了本发明实施例提供的键合过程示意图；

[0027] 图3E示意性示出了本发明实施例提供的响应水凝胶微结构阵列示意图；

[0028] 图4示意性示出了本发明飞秒激光全息加工系统的光路图；

[0029] 图5示意性示出了本发明飞秒激光全息加工过程中使用的全息光场的全息图、仿真图和实际图；

[0030] 图6示意性示出了微流控芯片捕获单个PS小球的过程示意图；

[0031] 图7示意性示出了微流控芯片捕获多个细胞的过程示意图。

[0032] 附图标记说明：

[0033] 1‑微流控通道薄膜；2‑微流控通道；3‑通孔；4‑基底；5‑响应水凝胶微结构阵列；6‑响应水凝胶微结构；7‑飞秒激光器；8‑半波片；9‑偏振分光棱镜；10‑光闸；11‑反射镜；12‑光
束扩束器；13‑空间光调制；14‑反射镜；15‑反射镜；16‑光阑；17‑反射镜；18‑物镜；19‑三维
移动台；20‑样品；21‑阳模基底；22‑固体阳模；23‑全息图；24‑光场仿真图；25‑光场实际加
工图。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0035] 本发明第一实施例示出了一种微流控芯片，参阅图1，结合图3A‑3E，对图1所示结构进行详细说明，该微流控芯片包括：微流控通道薄膜1、微流控通道2、通孔3、基底4、响应
水凝胶微结构阵列5、响应水凝胶微结构6。

[0036] 微流控通道薄膜1中设置有预设形状的微流控通道2，微流控通道2每一端点处均设置有穿过微流控通道薄膜的通孔3。本实例中微流控通道薄膜为聚二甲基硅氧烷
(polydimethylsiloxane，PDMS)液体固化后形成的薄膜。

[0037] 微流控通道2的预设形状可以为“Y”字形、“一”字型、“H”字形等具有至少两个端点的形状，其尺寸为适用于芯片的合适尺寸即可，这里对尺寸和形状不做其它过多限制。本实
施例中以微流控通道2的形状为“Y”字形为例，其尺寸例如为：“Y”字形通道长20mm、宽10mm，
通道宽度例如为80μm。

[0038] 通孔3的数量为一个以上，每一通孔3为微流控通道2的入口或出口。仍以“Y”字形微流控通道2为例，通孔3设置在微流控通道2的三个端点处，并穿过微流控薄膜1，这三个通
孔分别作为微流控通道2的出口或入口，本公开实施例中对出口和入口不做固定限制，仅需
保证上述一个以上的通孔3中既有出口又有入口即可。

[0039] 基底4键合至微流控通道薄膜1，用于闭合微流控通道2。基底4的材料例如为玻璃、硅等，这里不对基底4的材料进行具体限制。

[0040] 响应水凝胶微结构阵列5为由响应水凝胶微结构6组成的闭合结构，设置在微流控通道2中，响应水凝胶微结构6的尺寸通过其所处环境控制，从而捕获目标物体。响应水凝胶
微结构阵列5的数量为一个及以上，即微流控通道2中可以设置一个或多个响应水凝胶微结
构阵列5。

[0041] 本实施例中，响应水凝胶微结构6例如为热响应水凝胶微结构、pH响应水凝胶微结构、光响应水凝胶微结构、溶剂响应水凝胶微结构或分子水凝胶等，其所处环境发生变化
时，响应水凝胶微结构6发生膨胀或收缩，从而使得其形成的响应水凝胶微结构阵列5的相
邻响应水凝胶微结构的间距相应地缩小或变大。以热响应水凝胶微结构为例，当热响应水
凝胶微结构所处环境温度升高时，其发生收缩，即响应水凝胶微结构6尺寸变小，此时响应
水凝胶微结构阵列5的间距尺寸变大；当热响应水凝胶微结构所处环境温度降低时，其发生
膨胀，即响应水凝胶微结构6的尺寸变大，此时响应水凝胶微结构阵列5的间距尺寸变小。

[0042] 进一步地，对于某一响应水凝胶微结构阵列5，可以通过控制响应水凝胶微结构6所处环境，使得该响应水凝胶微结构阵列5中位于微流控通道2出口侧的相邻响应水凝胶微
结构的间距小于预设值，并使得该响应水凝胶微结构阵列5中位于微流控通道2入口侧的相
邻响应水凝胶微结构的间距小于或大于该预设值。该预设值例如为该微流控芯片捕获的目
标物体的尺寸。

[0043] 本发明第二实施例示出了一种微流控芯片的制备方法，参阅图2，结合图3A至图3E，对该制备方法进行详细说明，方法包括以下操作：

[0044] S1：制备微流控通道薄膜1，并在微流控通道薄膜1中制备预设形状的微流控通道2，以及在微流控通道2的每一端点处制备穿过微流控通道薄膜1的通孔3。

[0045] 首先，使用计算机辅助软件(Computer Aided Design，CAD)设计微流控通道2的形状。例如设计的微流控通道2的形状为“Y”字形，该“Y”字形通道例如长20mm、宽10mm，通道宽
度例如80μm。

[0046] 其次，制备固体阳模22。具体地，准备阳模基底21，该阳模基底21的材料例如为硅、玻璃、石英、高分子聚合物材料等，并用丙酮和去离子水清洗阳模基底21；用匀胶机在清洗
后的阳模基底21上均匀地旋涂光刻胶，例如旋涂20μm厚的SU‑8光刻胶，匀胶机转速为
3000rpm，旋涂时间为20s；利用紫外光曝光光刻胶以形成一个“Y”字形的光刻胶通道，紫外
光波长为365ns，曝光时间为10s，得到固体阳模22，参阅图3A。

[0047] 然后，制备微流控通道薄膜1。具体地，将PDMS液体浇筑在固体阳模22上，如图3B所示，并在65℃的环境中加热12h后固化，揭下固化后的薄膜得到微流控通道薄膜1，并且微流
控通道薄膜1中形成有微流控通道2，如图3C所示。

[0048] 最后，制备通孔3。例如，使用内径为0.25mm的打孔器在微流控通道2的端点处打孔穿透该端点处的微流控通道薄膜1，以形成通孔3。

[0049] S2：将基底4键合至微流控通道薄膜1，以闭合微流控通道2。

[0050] 以基底4为玻璃片为例，操作S2具体包括：将微流控通道薄膜1和玻璃片要贴合的一面用氧等离子体清洗机清洗，清洗功率为75W，清洗时间为50s，并将清洗后的微流控通道
薄膜1和玻璃片粘合，并在65℃温度下加热15分钟以完成键合，键合后的微流控通道薄膜1
和基底4如图3D所示。

[0051] S3：在微流控通道2中制备响应水凝胶微结构阵列5，其中，响应水凝胶微结构阵列5为由响应水凝胶微结构6组成的闭合结构，该响应水凝胶微结构6的尺寸通过其所处环境
控制。

[0052] 将响应水凝胶微结构6通过注射器注射入到微流控芯片中，使用飞秒激光全息加工方法将响应水凝胶微结构6固化成响应水凝胶微结构阵列5，其中，响应水凝胶微结构阵
列5出口处一侧的相邻响应水凝胶微结构的间距小于预设值。

[0053] 为本发明飞秒激光全息加工方法的光路图如图4所示。飞秒激光器7发出飞秒激光，通过半波片8和偏振分光棱镜9控制实验中的能量，用光闸10来控制光路的通断，通过反
射镜11反射到光束扩束器12上，扩束后的激光束照射在空间光调制13上，调制后的激光束
经过反射镜14和反射镜15反射到光阑16上，用光阑将不需要的光斑遮住，随后激光束通过
透镜聚焦并通过反射镜17反射进入物镜18中聚焦，最终聚焦后的激光束照射在三维移动台
19的样品20上。

[0054] 本实施例中飞秒激光全息加工所用到的飞秒激光器7波长为800nm的钛蓝宝石飞秒激光器，脉宽为75fs，重复频率为80MHz，能量范围为0‑3000mW，通过调节半波片8和偏振
分光棱镜9使激光功率在通过空间光调制器后为60mW，物镜18是60X油镜，样品20是注射了
水凝胶的微流控芯片。

[0055] 参阅图5，从左往右分别为飞秒激光全息加工方法的全息图、光场强度仿真和光场实际加工图，其中光场实际加工图中的比例尺为10μm，利用这种方法可快速的加工外直径
为11.5μm，内直径为6.8μm的空心圆柱结构。

[0056] 本发明第三实施例示出了一种微流控芯片的捕获方法，参阅图6‑图7，对该捕获方法进行详细说明，该捕获方法包括以下操作。

[0057] 将目标物体注入本发明第一实施例中的微流控芯片，使得该目标物体进入到其响应水凝胶微结构阵列5中；调整响应水凝胶微结构阵列5所处环境，以使得响应水凝胶微结
构阵列5中位于入口一侧的相邻响应水凝胶微结构的间距小于目标物体的尺寸。

[0058] 以响应水凝胶微结构6为pH响应水凝胶微结构、目标物体为单个聚苯乙烯(Polystyrene，PS)小球、且PS小球的直径为15μm为例，说明该微流控芯片捕获目标物体的
过程。

[0059] 参阅图6，本实例中使用的pH响应水凝胶响应阈值为7，当pH＜7时pH响应水凝胶微结构会失水收缩，当pH＞7时，pH响应水凝胶微结构会吸水膨胀。将微流控芯片中pH响应水
凝胶微结构的液体环境控制为pH＜7，此时pH响应水凝胶微结构呈收缩状态，微流控芯片中
的pH响应水凝胶微结构阵列入口一端相邻响应水凝胶微结构的间距例如为16.5μm，即该pH
响应水凝胶微结构阵列入口一端相邻响应水凝胶微结构的间距大于PS小球的直径，出口一
端相邻的响应水凝胶微结构间距例如为7.8μm，即该pH响应水凝胶微结构阵列入口一端相
邻响应水凝胶微结构的间距小于PS小球的直径，将PS小球溶液通过注射器注入到微流控芯
片中，由于PS小球的直径小于pH响应水凝胶微结构入口一端的相邻响应水凝胶微结构的间
距，因此PS小球进入到pH响应水凝胶微结构阵列中。

[0060] 然后，将pH＞7的溶液注入到微流控芯片中，pH响应水凝胶微结构吸水膨胀，使得pH响应水凝胶微结构阵列的间距从16.5μm变为13.7μm，即小于PS小球的直径，以流体先向
右方流动为例，当流体方向改变即向左流动时，PS小球被完全捕获于pH响应水凝胶微结构
阵列中，使得PS小球无法从响应水凝胶微结构阵列的入口一端逃脱。

[0061] 以响应水凝胶微结构微结构6为pH响应水凝胶微结构、目标物体为多个酵母细胞、且酵母细胞的直径为4μm‑8μm之间为例，说明该微流控芯片捕获目标物体的过程。

[0062] 参阅图7，本实例中共捕获了六个酵母菌细胞，使用的pH响应水凝胶微结构响应阈值为7，当pH＜7时pH水凝胶微结构会失水收缩，当pH＞7时，pH响应水凝胶微结构会吸水膨
胀。

[0063] 将微流控芯片中的液体环境控制为pH＜7，此时的pH水凝胶微结构为收缩状态，pH响应水凝胶微结构阵列入口一端相邻响应水凝胶微结构的间距为5μm，出口一端相邻响应
水凝胶微结构的间距为1.6μm，通常情况下酵母菌细胞大小为4μm‑8μm之间，并且能够发生
一定的形变，因此酵母菌细胞能够通过pH响应水凝胶微结构入口进入pH响应水凝胶微结构
阵列中。

[0064] 随后将pH＞7的溶液通入微流控芯片中，pH响应水凝胶微结构发生膨胀，使得pH响应水凝胶微结构阵列间距减小，入口一端相邻响应水凝胶微结构的间距减小为2.5μm，出口
一端相邻响应水凝胶微结构的间距减小为0，酵母菌细胞无法从pH响应水凝胶微结构阵列
中逃脱，最终将酵母菌细胞完全捕获。

[0065] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡
在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。