CN107876111A - 一种基于pdms正压驱动的微液滴生成芯片及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于微液滴生成的微流控芯片及制作方法，属于微流控技术领域。本发明将微液滴生成芯片与PDMS正压驱动气源结合起来，提出一种基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片。其工作原理为：将PDMS正压气源通过三通密封性软管与微流控芯片进气口相连，从而进行正压放气驱动两相液体分别在微流道内的流动，并在两相流道相交处形成微液滴。并利用流速调节液在流速调节流道的长度变化来控制气体渗透膜的面积，从而达到对PDMS气源释放的气体进入两相流道速率的调整，间接达到了对两相液体流动速率的调整。本发明微液滴尺寸可调，使用方便，操作较为简单；成本低，可重复利用。

Description

一种基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片及制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于微液滴生成的微流控芯片及制作方法，具体是一种利用PDMS溶气特性实现正压驱动的微液滴生成芯片，属于微流控技术领域。
背景技术
微液滴在许多工业生产过程中具有十分重要的研究以及应用价值。例如，在化学工 程方面，工程师们利用基于微液滴的技术来实现化工过程控制中的步骤如精馏、浮选等。 微液滴还能取代传统的容器作为微反应器，在微液滴中进行多种化学反应，包括氧化还 原反应等。在食品工业和个人护理用品方面，微液滴被用来改进产品的口感和味道、以及功能性，例如，面霜或乳液中分散的液滴越细小，其稳定性越好、保质期也越久。在 制药工业方面，微液滴常被用来包载活性药物分子，起到保护和缓释的作用。除此之外， 微液滴还在一些新兴领域有着具有巨大前景的应用，例如原油回收、废水处理、有害重 金属离子的处理等。因此，微液滴在各种各样的应用中扮演着非常关键的角色。在这些 应用中，微液滴以及其相关技术在生物化学检测以及生物医学诊断中的应用因其具有极 大的商业化前景而引人注目。
主动法生成微液滴即通过电场力、热能量等外力使液流局部产生能量梯度来对微液 滴进行操控，主要包括电润湿法、介电电泳法、气动法和热毛细管法。用这些方法进行液滴生成时需要较多的附加设备来提供动力，因此，增加了成本以及操作的复杂程度。
例如：J Xu等人在2012年提出一种气动法生成微液滴，利用注射泵控制其流速并驱 动两相流体流动(Droplet-based microfluidic device for multiple-dropletclustering[J].Lab on A Chip,2012,12(4):725.)。国内外很多学者也对PDMS溶气特性进行了研究。例如：K Hosokawa等人在2004年提出一种基于PDMS溶气特性负压驱动的微混合器(Power-free poly(dimethylsiloxane)microfluidic devices for goldnanoparticle-based DNA analysis[J].Lab on A Chip,2004,4(3):181.)。然而这种基于PDMS溶气特性的微流控芯片其吸收以及释放 气体的速率不稳定，增加了对操作的难度，对测试的时间有较为苛刻的要求，需要PDMS 驱动源准备好之后立即进行测试，存在不便于存放、驱动力小等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服主动法生成微液滴使用过多的附加设备以及PDMS溶气特性 驱动的微流控芯片其释放气体的速率不稳定等缺点。将微液滴生成芯片与PDMS正压驱动气源结合起来，提出一种基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片。其工作原理为：将 PDMS正压气源通过三通密封性软管与微流控芯片进气口相连，从而进行正压放气驱动两 相液体分别在微流道内的流动，并在两相流道相交处形成微液滴。并利用流速调节液在 流速调节流道的长度变化来控制气体渗透膜的面积，从而达到对PDMS气源释放的气体 进入两相流道速率的调整，间接达到了对两相液体流动速率的调整。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片，包括微流控上芯片1、玻璃基底17与PDMS正压驱动气源25；其中，微流控上芯片1包括微液滴贮存腔体2、微液滴生成流 道3、连续相流道4、连续相液体贮存腔体5、流速调节液贮存腔体I 6、流速调节流道I 7、 气体引入流道I 8、气体引入腔体I 9、气体渗透膜I 10、气体贮存腔体I 11、气体贮存腔 体II 12、气体引入腔体II 13、气体渗透膜II 14、流速调节流道II 15、流速调节液贮存腔 体II 16、气体引入流道II 18、分散相液体贮存腔体19、分散相流道20、分散相液体入口 22、流速调节液入口I 23、流速调节液入口II 26、连续相液体入口27、微液滴出口28、 进气口I 29及进气口II 30；
所述分散相液体入口22、流速调节液入口I 23、流速调节液入口II 26、连续相液体 入口27、微液滴出口28、进气口I 29及进气口II 30贯穿微流控上芯片21；
所述连续相液体贮存腔体5为微流控上芯片1上的圆形腔体结构，其与连续相液体入口27相连通，通过气体引入流道I 8与气体引入腔体I 9相连通，通过连续相流道4、 微液滴生成流道3与微液滴出口28相连通；
所述分散相液体贮存腔体19为微流控上芯片1上的圆形腔体结构，其与分散相液体 入口22相连通，通过气体引入流道II 18与气体引入腔体II13相连通，通过分散相流道20、微液滴生成流道3与微液滴出口28相连通；
所述气体引入腔体I 9为微流控上芯片1上的圆形腔体结构，通过气体引入流道I8 与连续相液体贮存腔体5相连通，通过气体渗透膜I 10与流速调节流道I 7间接相连；
所述气体引入腔体II 13为微流控上芯片1上的圆形腔体结构，通过气体引入流道II 18 与分散相液体贮存腔体19相连通，通过气体渗透膜II 14与流速调节流道II 15间接相连；
所述气体引入流道I 8连接气体引入腔体I 9与连续相液体贮存腔体5；
所述气体引入流道II 18连接气体引入腔体II 13与分散相液体贮存腔体19；
所述连续相流道4与连续相液体贮存腔体5、分散相流道20相连，通过微液滴生成流道3与微液滴贮存腔体2相连通；
所述分散相流道20与分散相液体贮存腔体19、连续相流道4相连，通过微液滴生成流道3与微液滴贮存腔体2相连通；
所述微液滴生成流道3与微液滴贮存腔体2相连，通过连续相流道4与连续相液体贮存腔体5相连通，通过分散相流道20与分散相液体贮存腔体19相连通；
所述流速调节流道I 7连接流速调节液贮存腔体I 6与气体贮存腔体I 11；
所述流速调节流道II 15连接流速调节液贮存腔体II 16与气体贮存腔体II 12；
所述气体渗透膜I 10为微流控上芯片1上一圆弧状结构，该圆弧结构的直径方向上 的宽度为20μm-100μm，分隔出流速调节流道I 7与气体引入腔体I 9；
所述气体渗透膜II 14为微流控上芯片1上一圆弧状结构，该圆弧结构的直径方向上 的宽度为20μm-100μm，分隔出流速调节流道II 15与气体引入腔体II 13；
所述分散相液体入口22、流速调节液入口I 23、流速调节液入口II 26、连续相液体 入口27、微液滴出口28、进气口I 29及进气口II 30均为圆形孔；
所述气体引入腔体I 9、连续相液体贮存腔体5、分散相液体贮存腔体19及气体引入 腔体II 13，直径取值为100μm-5000μm，深度取值为50μm-300μm，其中气体引入腔体I 9与气体引入腔体II 13直径相等，连续相液体贮存腔体5与分散相液体贮存腔体19直径相等；
所述流速调节流道I 7、流速调节流道II 15、气体引入流道I 8、气体引入流道II18、 连续相流道4、微液滴生成流道3及分散相流道20，沟道深度相等取值相等，取值为 50μm-300μm，沟道宽度取值为50μm-300μm，其中流速调节流道I 7与流速调节流道II 15 几何参数相同，气体引入流道I 8与气体引入流道II 18几何参数相同；
所述气体渗透膜I 10与气体渗透膜II 14几何参数相同，厚度取值范围20μm-100μm；
所述PDMS正压驱动气源25，包括密封瓶43、气体通道21、PDMS45及带孔密封塞 44；
所述密封瓶43，体积取值为3ml-15ml；
所述气体通道21为圆形流道，取值为0.3mm-2mm，且贯穿PDMS45；
所述PDMS正压驱动气源25与微流控上芯片1通过三通密封性软管24相连，其中 密封性软管管径取值为0.5mm-2mm。
上述的圆形腔体结构指的是圆柱形空腔。
本发明基于PDMS正压驱动粘度测试的微流控芯片工作原理，如附图5，具体如下：
将PDMS正压气源25通过三通密封性软管24与微流控芯片进气口I 29及进气口II30 相连，从而进行正压放气驱动连续相液体32及分散相液体37分别在连续相流道4及分散相流道20内的流动，并在连续相流道4及分散相流道20相交处形成微液滴31。并利 用流速调节液I 33及流速调节液II 36在流速调节流道的长度变化来控制气体渗透膜进行 渗透的面积，从而达到对PDMS气源释放的气体进入两相流道速率的调整，间接达到了 对两相液体流动速率的调整。
本发明可以获得如下有益效果和特点：
1)微液滴尺寸可调。通过控制两相液体不同的流速生成不同比例的微液滴；
2)使用方便，操作较为简单。对PDMS进行打气并密封处理后可贮存数月左右且使用时仅打开密封瓶直接通过密封性软管与微流控芯片相连即可；
3)成本低，可重复利用。PDMS相对便宜，PDMS正压驱动气源使用之后可再次
进行
打气并封装以便下次测量使用。
附图说明
图1：本发明整体外观视图；
图2：本发明微流控芯片分解视图；
图3：本发明微流控上芯片外观图；
图4：本发明微流控上芯片微流道结构图；
图5：本发明工作原理图；
图6：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图一；
图7：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图二；
图8：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图三；
图9：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图四；
图10：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图五；
图11：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图六；
图12：本发明微流控上芯片注塑工艺(一)过程图七；
图13：本发明PDMS气源工作剖视图；
图14：本发明PDMS气源密封剖视图；
图中：1.微流控上芯片，2.微液滴贮存腔体，3.微液滴生成流道，4.连续相流道，5.连续相液体贮存腔体，6.流速调节液贮存腔体I，7.流速调节流道I，8.气体引入流 道I，9.气体引入腔体I，10.气体渗透膜I，11.气体贮存腔体I，12.气体贮存腔体II， 13.气体引入腔体II，14.气体渗透膜II，15.流速调节流道II，16.流速调节液贮存腔体 II，17.玻璃基底，18.气体引入流道II，19.分散相液体贮存腔体，20.分散相流道，21. 气体流道，22.分散相液体入口，23.流速调节液入口I，24.三通密封性软管，25.PDMS 正压驱动气源，26.流速调节液入口II，27.连续相液体入口，28.微液滴出口，29.进气 口I，30.进气口II，31.微液滴，32.连续相液体，33.流速调节液I，34.刻度尺I，35.刻 度尺II，36.流速调节液II，37.分散相液体，38.硅基片，39.SU-8胶，40.掩膜版， 41.SU-8胶模具，42.矩形槽模具，43.密封瓶，44.带孔密封塞，45.PDMS，46.密封盖。
具体实施方式
本发明基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片制作方法，实施方案
本发明中的微流控上芯片1，采用SU-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷
(PDMS)注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
(a)附图6，选用硅基片38作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶 台上烘干；
(b)附图7，在硅基片38上旋涂一层SU-8胶39，胶层厚度为50μm-250μm，利用 热板进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min(与 胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，使SU-8胶39固化，所述的SU-8 胶39为负性光刻胶；
(c)附图8，将掩膜版40放置在固化后的SU-8胶39表面上方，进行紫外线曝光， 曝光时间40s-150s；
(d)附图9，SU-8胶39曝光后，在热板上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干 时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间 越长)，然后自然冷却，经超声显影、清洗后，硅基片38上留下凸起的SU-8胶模具41；
(e)附图10-11，将带有SU-8胶模具41的硅基片38放置在与硅基片38尺寸相同 的矩形槽模具42中，浇注PDMS，在温度120℃下加热固化；
(f)附图12，将固化后的PDMS从硅基片38上剥离，得到微流控上芯片1，采用超 声打孔方法，在微流控上芯片1上加工出分散相液体入口22、流速调节液入口I 23、流 速调节液入口II 26、连续相液体入口27、微液滴出口28、进气口I 29及进气口II 30；
本发明上述加工好的带有微液滴贮存腔体2、微液滴生成流道3、连续相流道4、连续相液体贮存腔体5、流速调节液贮存腔体I 6、流速调节流道I 7、气体引入流道I 8、气 体引入腔体I 9、气体渗透膜I 10、气体贮存腔体I 11、气体贮存腔体II 12、气体引入腔体 II13、气体渗透膜II 14、流速调节流道II 15、流速调节液贮存腔体II 16、气体引入流道II18、分散相液体贮存腔体19、分散相流道20、分散相液体入口22、流速调节液入口I 23、 流速调节液入口II 26、连续相液体入口27、微液滴出口28、进气口I 29及进气口II 30的 微流控上芯片1、玻璃基底17采用键合或黏合的方法进行封装，制成基于PDMS正压驱 动的粘度测试微流控芯片。
本发明正压驱动气源制作方法，实施方案
(a)将密封瓶43用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
(b)向密封瓶43中倒入PDMS 45，并在密封瓶中央***芯模放入烘箱内烘干，温 度为90℃。
(c)附图13，将芯模从PDMS 45中拔出，形成气体通道21，放入储气罐通过空气 压缩机充气，之后进行密封，待需要进行微液滴生成时，打开密封盖46并将气体通道21 与三通密封性软管24相连。
以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (3)

1.一种基于PDMS正压驱动的微液滴生成芯片，其特征在于：包括微流控上芯片、玻璃基底与PDMS正压驱动气源；其中，微流控上芯片包括微液滴贮存腔体、微液滴生成流道、连续相流道、连续相液体贮存腔体、流速调节液贮存腔体I、流速调节流道I、气体引入流道I、气体引入腔体I、气体渗透膜I、气体贮存腔体I、气体贮存腔体II、气体引入腔体II、气体渗透膜II、流速调节流道II、流速调节液贮存腔体II、气体引入流道II、分散相液体贮存腔体、分散相流道、分散相液体入口、流速调节液入口I、流速调节液入口II、连续相液体入口、微液滴出口、进气口I及进气口II；
所述分散相液体入口、流速调节液入口I、流速调节液入口II、连续相液体入口、微液滴出口、进气口I及进气口II贯穿微流控上芯片；
所述连续相液体贮存腔体为微流控上芯片上的圆形腔体结构，其与连续相液体入口相连通，通过气体引入流道I与气体引入腔体I相连通，通过连续相流道、微液滴生成流道与微液滴出口相连通；
所述分散相液体贮存腔体为微流控上芯片上的圆形腔体结构，其与分散相液体入口相连通，通过气体引入流道II与气体引入腔体II相连通，通过分散相流道、微液滴生成流道与微液滴出口相连通；
所述气体引入腔体I为微流控上芯片上的圆形腔体结构，通过气体引入流道I与连续相液体贮存腔体相连通，通过气体渗透膜I与流速调节流道I间接相连；
所述气体引入腔体II为微流控上芯片上的圆形腔体结构，通过气体引入流道II与分散相液体贮存腔体相连通，通过气体渗透膜II与流速调节流道II间接相连；
所述气体引入流道I连接气体引入腔体I与连续相液体贮存腔体；
所述气体引入流道II连接气体引入腔体II与分散相液体贮存腔体；
所述连续相流道与连续相液体贮存腔体、分散相流道相连，通过微液滴生成流道与微液滴贮存腔体相连通；
所述分散相流道与分散相液体贮存腔体、连续相流道相连，通过微液滴生成流道与微液滴贮存腔体相连通；
所述微液滴生成流道与微液滴贮存腔体相连，通过连续相流道与连续相液体贮存腔体相连通，通过分散相流道与分散相液体贮存腔体相连通；
所述流速调节流道I连接流速调节液贮存腔体I与气体贮存腔体I；
所述流速调节流道II连接流速调节液贮存腔体II与气体贮存腔体II；
所述气体渗透膜I为微流控上芯片上一圆弧状结构，该圆弧结构的直径方向上的宽度为20μm-100μm，分隔出流速调节流道I与气体引入腔体I；
所述气体渗透膜II为微流控上芯片上一圆弧状结构，该圆弧结构的直径方向上的宽度为20μm-100μm，分隔出流速调节流道II与气体引入腔体II；
所述分散相液体入口、流速调节液入口I、流速调节液入口II、连续相液体入口、微液滴出口、进气口I及进气口II均为圆形孔；
所述气体引入腔体I、连续相液体贮存腔体、分散相液体贮存腔体及气体引入腔体II，直径取值为100μm-5000μmμm，深度取值为50μm-300μm，其中气体引入腔体I与气体引入腔体II直径相等，连续相液体贮存腔体与分散相液体贮存腔体直径相等；
所述流速调节流道I、流速调节流道II、气体引入流道I、气体引入流道II、连续相流道、微液滴生成流道及分散相流道，沟道深度相等取值相等，取值为50μm-300μm，沟道宽度取值为50μm-300μm，其中流速调节流道I与流速调节流道II几何参数相同，气体引入流道I与气体引入流道II几何参数相同；
所述气体渗透膜I与气体渗透膜II几何参数相同，厚度取值范围20μm-100μm。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述PDMS正压驱动气源，包括密封瓶、气体通道、PDMS及带孔密封塞；
所述气体通道为圆形流道，取值为0.3mm-2mm，且贯穿PDMS；
所述PDMS正压驱动气源与微流控上芯片通过三通密封性软管相连，其中密封性软管管径取值为0.5mm-2mm。
3.应用如权利要求1或2所述的芯片的方法，其特征在于：
将PDMS正压气源通过三通密封性软管与微流控芯片进气口I及进气口II相连，从而进行正压放气驱动连续相液体及分散相液体分别在连续相流道及分散相流道内的流动，并在连续相流道及分散相流道相交处形成微液滴。并利用流速调节液I及流速调节液II在流速调节流道的长度变化来控制气体渗透膜进行渗透的面积，从而达到对PDMS气源释放的气体进入两相流道速率的调整，间接达到了对两相液体流动速率的调整。
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