CN101086504A - 一种微流体离心芯片及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流体离心芯片及其制备方法。本发明所提供的微流体离心芯片，包括芯片基质和盖片，在所述芯片基质上含有：一具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形的微槽道，所述曲线的曲率半径为20微米－1000微米；至少一个进口，位于微槽道的中心；至少两个出口，位于微槽道的尾部。本发明微流体离心芯片采用硅微加工工艺制作，含有一个具有微小曲率半径的螺旋线型微槽道，当流体样品在该槽道内做高速运动时，由于弯曲通道的作用，将会产生离心加速度，从而实现片上离心操作。实验证明本发明所提出的芯片适于微加工，能够实现非常好的离心效果，同时具有成本低、速度快、便于与其他生物或化学操作进行片上集成等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流体离心芯片及其加工方法。
背景技术
离心技术是利用离心力，依据物质的沉降系数、扩散系数和浮力密度的差异而进行物质的分离、浓缩和分析的一种专门技术，在农业、医药、食品卫生、生物制品、生物工程、细胞生物学、分子生物学和生物化学等诸多领域里得到了广泛的应用，尤其是生物样品预处理过程必不可少的处理环节。
近年来随着微加工技术的发展，用于临床检验研究的微芯片得到了广泛的重视。建立在微芯片基础上的微全分析***(Micro Total Analysis Systems)成为分析化学、临床医学、生物学的研究热点，而作为样品预处理环节的重要组成部分的片上离心操作却迟迟没有突破，这主要是由于目前尚无法实现稳定、高效的回转运动部件。2003年，Nature上发表了一篇通过顶盖驱动流动实现的微腔内高速的涡流，进而实现了芯片上的离心操作的文章(Nature，2003，425：38)。该芯片结构如图1所示，在该芯片中，流体可以高速地通过通道2，从而带动微腔1内的流体实现高速的涡流运动，由于微腔尺度较小，高速的涡流运动将会在涡流内部产生非常高的离心加速度。但是，顶盖驱动流所实现的离心操作无法对连续流动的样品进行处理，因而不具有实际的离心应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流体芯片及其加工方法。
本发明所提供的微流体离心芯片，包括键合在一起的芯片基质和盖片，在所述芯片基质上设有：
一具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形的微槽道，所述曲线的曲率半径为20微米-1000微米；
至少一个进口，位于微槽道的中心；
至少两个出口，位于微槽道的尾部。
在本发明微流体离心芯片中，出口可至少设置为两个，分别位于微槽道的尾部内侧和外侧。
在本发明微流体离心芯片中，常用平面曲线选用螺旋线，优选为阿基米德螺旋线、双曲螺旋线、连锁螺线等，更优选为阿基米德螺旋线。其中，阿基米德螺旋线的螺距为5微米-35微米、微槽道宽度为10微米-200微米、深度为10微米-200微米。
常用芯片基质为硅片，盖片为玻璃片。
该微流体离心芯片可以采用微加工方法进行制备，包括如下步骤：
1)在芯片基质上下表面上用热氧化法形成一层二氧化硅层，在正面光刻出具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形图形作为后续刻蚀的掩模；
2)通过光刻胶保护，单面光刻形成进出口刻蚀的窗口，刻蚀，定义进出口位置；
3)去胶，再次按曲线图形刻蚀，形成槽道；
4)在槽道内壁热氧化二氧化硅层，形成槽道的钝化层；
5)将盖片与芯片基质键合；
6)在芯片基质的下表面淀积碳化硅层，在进口和出口处光刻，并腐蚀形成通孔，即得到所述微流体离心芯片。
本发明的微流体离心芯片还可以采用其他的能够实现高深宽比、封闭通道的各种微加工方法进行加工，如PDMS、PMMA等有机材料的模具成型、光刻铸造成型(LIGA)、玻璃刻蚀、SU-8厚胶光刻等。
本发明的特点：
1.采用微加工技术来制造，具有尺寸小和成本低的特点；
2.采用微流体技术，使本发明离心芯片便于与其他基于微流体技术的生物或化学操作进行芯片上的集成，有利于研制真正的芯片实验室(Lab-on-Chip)；
3.通过调整芯片内样品的速度，或选择芯片中微通道的回转半径大小，能够实现可调范围较大的离心加速度。
本发明微流体离心芯片的工作原理是基于样品在具有微小回转半径的微通道内高速运动来实现离心操作过程，与Nature上所发表的离心芯片不同的是：本发明离心芯片基于连续微流体，能够实现样品的连续操作；此外，通过调整微通道的尺寸以及样品的工作流速可以实现不同离心加速度的离心操作。
本发明微流体离心芯片采用硅微加工工艺制作，含有一个具有微小曲率半径的螺旋线型微槽道，当流体样品在该槽道内做高速运动时，由于弯曲通道的作用，将会产生离心加速度，从而实现片上离心操作。实验证明本发明所提出的芯片适于微加工，能够实现非常好的离心效果，同时具有成本低、速度快、便于与其他生物或化学操作进行片上集成等优点。
附图说明
图1为已有的顶盖驱动的离心芯片的结构示意图；
图2为本发明微流体离心芯片的正视图；
图3为图2微流体离心芯片的A-A视图；
图4为芯片中心横截面的加工过程图；
图5为本发明微流体离心芯片对全血分离结果图。
具体实施方式
实施例1、微流体离心芯片的加工：
本发明的微流体离心芯片结构如图2和图3所示，其中，图3是图2的A-A剖视图。该芯片主要包含刻蚀在硅片7上，并由玻璃盖片8封闭的螺旋线型微槽道6(待离心的样品在其中运动)；螺旋通道中心的进口3，用于样品进样；芯片包含两个出口，外侧出口4和内侧出口5，用于提取离心操作后的样品。硅片7的厚度为400μm；玻璃盖片8厚度为500μm；螺旋线型微槽道6的宽度为120μm，深度为60μm，阿基米德(本实施例的螺旋线型)螺旋线的螺距为23μm，螺旋线角度从4π变化至37π；进口3，外侧出口4和内侧出口5均是通孔，其截面呈喇叭形，端口宽度为568μm，通孔的直径为100μm。
该微流体离心芯片采用硅微加工方法实现，芯片中心横截面的加工过程如图4：
首先，在硅片9上下表面用热氧化方法形成一层厚为6000的二氧化硅层，并在正面光刻出刻蚀图形，使其成为微槽道的掩膜9(图4-a)；通过光刻胶保护，单面光刻形成进出口刻蚀的窗口10(图4-b)；ICP刻蚀硅40μm，去胶(图4-c)；ICP刻蚀60微米，去正反面二氧化硅层(图4-d)；热氧化1500二氧化硅层，形成通道内壁的钝化层11，通过RIE去除背面的二氧化硅层(图4-e)；进行硅-玻璃阳极键合(通道面与玻璃8键合)，形成玻璃载体与完整微槽道(图4-f)；另一侧硅基表面淀积PECVD碳化硅层12，并光刻形成腐蚀开孔的窗口，并通过KOH腐蚀形成通孔(图4-g)，即得到微流体离心芯片。
应用该微流体离心芯片对血液进行微流体离心操作，离心后白细胞数和红细胞数在外侧出口4/内侧出口5的比率随驱动压差的变化图如图5所示(图中，不同的标记为不同批次实验结果)。
结果表明，该微流体离心芯片在0.7MPa的驱动压差下可以产生最大为2000g的离心加速度，并且能够很好地将白细胞从全血中富集分离出来。外侧出口的白细胞数量与内侧出口白细胞数量的比远大于1，这表明该微流体离心芯片能够实现较好的离心操作。
Claims (10)
1、一种微流体离心芯片，包括键合在一起的芯片基质和盖片，在所述芯片基质上设有：
一具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形的微槽道，所述曲线的曲率半径为20微米-1000微米；
至少一个进口，位于微槽道的中心；
至少两个出口，位于微槽道的尾部。
2、根据权利要求1所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述出口为两个。
3、根据权利要求1所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述进口和出口的截面呈喇叭口形。
4、根据权利要求1-3任一所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形为螺旋线形。
5、根据权利要求4所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述螺旋线形为阿基米德螺旋线、双曲螺旋线、连锁螺线。
6、根据权利要求5所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述阿基米德螺旋线的螺距为5微米-35微米，微槽道宽度为10微米-200微米，深度为10微米-200微米。
7、根据权利要求1-3任一所述的微流体离心芯片，其特征在于：所述芯片基质和盖片为硅片和/或玻璃片。
8、权利要求1所述微流体离心芯片的加工方法，包括如下步骤：
1)在芯片基质上下表面上用热氧化法形成一层二氧化硅层，在正面光刻出具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形图形作为后续刻蚀的掩模；
2)通过光刻胶保护，单面光刻形成进出口刻蚀的窗口，刻蚀，定义进出口位置；
3)去胶，再次按曲线图形刻蚀，形成槽道；
4)在槽道内壁热氧化二氧化硅层，形成槽道的钝化层；
5)将盖片与芯片基质键合；
6)在芯片基质的下表面淀积碳化硅层，在进口和出口处光刻，并腐蚀形成通孔，即得到所述微流体离心芯片。
9、根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述具有弯曲且连续展开特性的平面曲线线形为螺旋线形；所述螺旋线形优选为阿基米德螺旋线、双曲螺旋线、连锁螺线。
10、根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于：所述阿基米德螺旋线的螺距为5微米-35微米，微槽道宽度为10微米-200微米，深度为10微米-200微米。
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