CN118002223A - 一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片及其制备方法，涉及微流控芯片技术领域。微流控芯片由下至上设置有一体成型的玻璃基版、下层PDMS片和上层PDMS片，所述上层PDMS片包括：加样孔；检测腔室：与加样孔之间连接，用于检测待测样品；驱动腔室：与检测腔室相连通，其内设置有阵列状结构的毛细通道，充当毛细管泵驱动待测样品流过通道；引流腔室：与驱动腔室相连通，引导待测样品流出驱动腔室；废液口：与引流腔室之间连通，用于排出液体废物。本发明能提高微通道的虹吸作用力，使液体自动沿设计好的通道方向进行流动，具有灵敏、可重复和空间限定的检测、即时检验的优点，可以成为快速、准确的用来检测生物标志物的有效诊断工具。

Description

一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片，又称为Lab-on-a-Chip，是一种集成了微流体通道、微反应室等微型元件的微型化实验平台。这种技术将实验室规模的分析过程缩小到μm级别，在短分析时间(min或s)内处理的能力，自动化，易于集成或多路复用和高通量分析，实现了样本处理、分离、检测等多个步骤的高度集成。

随着微电子机械***(MEMS)和柔性电子技术的发展，用于分子诊断的生物传感趋向于同小型化和高度集成化的平台结合，以满足即时检测(POCT)的应用。这些平台通常包括微流体、横向流动分析(LFA)和毛细管平台。微流控，即芯片实验室，是一种对数十微米大小的流体进行操作和处理，以达到化学或生物需要的技术。微流控平台通常由微毫米到亚毫米流体通道、反应或检测室、过滤器和传感器单元等多种元素组成，通常是基于硅、金属、聚合物和玻璃基板上的软光刻等微加工技术制造的。样品和试剂的引入、纯化、分离、流体运动和反应等一系列功能都集中在一个小型化芯片上。

微流控芯片因其体积小、操作简便、低成本、低样本消耗等优点，成为近年来研究热点之一。目前成为了免疫测定的一个有前途的替代方法，对于诊断技术的需求日益增长，可以提供用于精确检测各种疾病和癌症的高质量设备。通常情况下，微流控芯片由微通道、微阀门、微泵以及检测模块等组成。这些模块可以按照实际需求进行组合和设计，以满足不同应用场景的需求。微流控芯片的制备方法包括光刻、软刻版、3D打印等，可以根据实际需求选择合适的制备方法。在生物医学领域，微流控芯片被广泛应用于细胞培养、基因检测、蛋白质分析、病原体检测等多个方面借助微流控芯片技术，可以实现对低丰度生物样品的高灵敏度、高特异性检测，为疾病的便携式实时检测提供了有力支持。

然而，现有技术中的微流控芯片在样品测试过程中，仍需要借助外力控制样品流动，操作不便。

发明内容

本发明提供的一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片及其制备方法，旨在解决上述背景技术中存在的问题。

为了实现上述技术目的，本发明主要采用如下技术方案：

本发明公开了一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，由下至上设置有一体成型的玻璃基版、下层PDMS片和上层PDMS片，其特征在于，所述上层PDMS片包括：

加样孔：用于加入待测样品；

检测腔室：与所述加样孔之间通过毛细管道连接，用于检测待测样品；

驱动腔室：与所述检测腔室的另一端相连通，其内设置有阵列状结构的毛细通道，充当毛细管泵驱动所述待测样品流过通道；

引流腔室：与所述驱动腔室相连通，引导待测样品流出驱动腔室；

废液口：与所述引流腔室之间通过毛细管道连通，用于排出液体废物。

在本发明的较佳实施方式中，所述检测腔室设置为2个，每个检测腔室由多个圆形腔室串联，且圆形腔室内阵列排布有圆柱体。

进一步的，所述毛细管道为Y型毛细管道。

在本发明的较佳实施方式中，所述驱动腔室设置为矩形结构，引流腔室设置为三角形结构，且引流腔室的三角形底部与所述驱动腔室的顶部共线设置。

进一步的，所述引流腔室内部也设置有阵列状结构的毛细通道。

在本发明的较佳实施方式中，所述下层PDMS片上还设置有两条形凹面，所述条形凹面内配合安装有镀金硅片。

本发明还公开了一种如上所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用匀胶机旋转将光刻胶涂覆在硅片表面，得到较平整的平面后，在恒温加热台上加热设定时间，然后使用透明掩模在该硅片上进行紫外光刻胶，加热设定时间，再在SU-8显影剂中进行显影，超声机除掉残余的胶后，硅片分别用丙酮和去离子水超声清洗干净，进一步去除残留的光刻胶，最后用氮气干燥，得到模具；

(2)将PDMS预聚物和固化剂充分混合均匀，得到PDMS聚合物，同时进行真空处理以去除PDMS聚合物中的气泡，进一步保证紧密贴合和结构的完整性；

(3)将部分所述PDMS聚合物铸入到步骤(1)制备的模具中，制作上层PDMS片，再将部分PDMS聚合物铸入到光滑的硅片上形成下层PDMS片，并在下层PDMS片的检测室区域放置真空蒸镀的镀金硅片；

(4)在恒温加热台上对上层PDMS片和下层PDMS片进行加热处理，加热完成后，小心地将上层PDMS片和下层PDMS片从其相应的模具中剥离；

(5)去掉下层PDMS片上放置的镀金硅片，并在上层PDMS片上打出用于待测液体样品注入或流出的加样孔和废液口；

(6)将上层PDMS片、下层PDMS片和玻璃玻璃基版依次用异丙醇和丙酮超声波清洗，再用去离子水冲洗超声，去除残留的有机溶剂，并在加热板上干燥；

(7)将上层PDMS片和下层PDMS片暴露在氧等离子体中进行表面处理，待氧等离子体处理完成后，立即进行PEG改性，改性完成后，将上层PDMS片和下层PDMS片分别用异丙醇和去离子水超声清洗，以去除残留物，然后继续干燥，随后，将经过氧等离子体处理的下层PDMS片凹面朝上排列在玻片上，同时将真空蒸镀的镀金硅片放置在下层PDMS片凹面内部，然后将上层PDMS片放置在下层PDMS片形成“上层-镀金硅片-下层-玻片”结构，在室温下加压，使多层PDMS片与玻璃基版紧密接触，并形成化学键结合。

在本发明的较佳实施方式中，步骤(1)中，将光刻胶涂覆在硅片表面后的恒温加热方法为：在恒温加热台上预加热65℃，10min，再115℃加热30min；进行紫外光刻胶后的加热方法为：在75℃加热5min，105℃加热10min。

在本发明的较佳实施方式中，步骤(2)中，PDMS预聚物和固化剂的重量比为10：1；步骤(3)中，真空蒸镀的镀金硅片厚度为50nm；步骤(4)中，在恒温加热台上加热方法为：70℃加热2h；步骤(7)中，PEG改性后的加热方法为：150℃加热25min；去除残留的PEG后的加热方法为：70℃条件下干燥。

在本发明的较佳实施方式中，步骤(7)中，氧等离子体处理的方法为将PDMS片放置在氧等离子体装置的反应腔内，设定功率为100瓦，处理时间为2分钟；PEG改性的方法为：在100毫升去离子水中溶解5克聚乙二醇单体，并加入0.1克交联剂，将PDMS片浸入此溶液中，在60摄氏度下加热处理2小时，促进PEG的交联和固定。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片集成了适配体捕获靶标物，能够使液体自动流动。使用带有特殊设计的微流控通道，提高微通道的虹吸作用力，将免疫反应的混合液注入加样孔，通过微通道内亲水性处理，使混合液自动沿设计好的通道方向进行流动。与微流控的结合为实现灵敏、可重复和空间限定的检测和即时检验(POCT)提供了理想的条件，可以成为快速、准确的有效诊断工具用来检测生物标志物。

附图说明

图1为本发明提供的微流控芯片组件组成的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为罗丹明染料在本发明提供的微流控芯片通道流动的实时动态图，分别在第1、5、10、15、20s拍摄的图片。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明，实施例中所需原料均可市购或采用公知方法合成。

实施例1

如图1所示的一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，由下至上设置有一体成型的玻璃基版1、下层PDMS片2和上层PDMS片3，其中，上层PDMS片3包括：

加样孔5：用于加入待测样品；其长度约为3mm，

检测腔室6：与加样孔5之间通过毛细管道7连接，用于检测待测样品；

该检测腔室设置为2个，每个检测腔室6由多个圆形腔室串联，且圆形腔室内阵列排布有圆柱体。每个圆柱体直径100μm，高100μm。为本发明中，优选为3个圆形腔室串联，分别分布在加样孔的两侧。

圆柱体的阵列有两个作用，一个是起到支撑作用，防止腔室坍塌(因为是PDMS软性结构，没有支撑的部分容易坍塌)，第二个是起到引流的作用，这种微结构可以产生毛细作用力，引导液体沿微流体管道的方向流动。

本发明中，对应的将毛细管道7设置为Y型毛细管道，Y型毛细管道的两支道分别与加样孔5两侧布置的圆形腔室相连，使得待测样品由Y型毛细管道分别向两侧的检测腔室6流动，便于分别检测，提高检测效果。

驱动腔室8：与检测腔室6的另一端相连通，其内设置有阵列状结构的毛细通道9，充当毛细管泵驱动待测样品流过通道。待测液体样品与毛细通道9接触时能够充分的引导流体运动。

引流腔室10：与驱动腔室8相连通，引导待测样品流出驱动腔室8。

本发明中，驱动腔室8设置为矩形结构，引流腔室9设置为三角形结构，且引流腔室9的三角形底部与驱动腔室8的顶部共线设置。即三角形的引流腔室10两侧边形成导流通路，使得经过驱动腔室8流动的液体在引流腔室10的作用下进入到废液口11内部。

废液口11：与引流腔室10之间通过毛细管道连通，用于排出液体废物。该毛细管道同样设置为Y型毛细管道，此处的Y型毛细管道的两支道分别与两侧的引流腔室10相连通，使其废液在毛细作用下进入到费液口排出。

此外，本发明中，下层PDMS片2上还设置有两条形凹面，且两条形凹面内配合安装有镀金硅片4。

实施例2

微控流芯片的制备方法。

1、实验器材

(1)主要试剂

试剂及厂家

(2)实验仪器

仪器型号及商家

2、制备方法

在微流控芯片的制作过程中，首先应用快速原型制作和紫外光刻技术。

开始时，匀胶机用于将光刻胶均匀涂覆在硅片表面，形成大约100微米高的通道。接着在恒温加热台上对硅片进行预加热，先是65℃加热10分钟，随后115℃加热30分钟。使用透明掩模在硅片上进行紫外光刻后，先在75℃下加热5分钟，再105℃加热10分钟。随后，硅片在SU-8显影剂中显影10分钟，用超声波清洗机去除残余的光刻胶。最后，硅片用丙酮和去离子水超声波清洗，以去除所有残留的光刻胶，并使用氮气干燥，完成光滑硅片模具的制备。

接下来，将PDMS预聚物和固化剂按照10:1的重量比混合在一次性塑料杯中，确保混合均匀，同时进行真空处理以去除PDMS聚合物中的气泡，进一步保证紧密贴合和结构的完整性。随后，适量的PDMS聚合物被铸入制备好的模具中，形成上层PDMS片。余下的PDMS聚合物铸入光滑的硅片上，制作出下层PDMS片，并在其检测室区域放置3×7毫米厚度为50nm的薄镀金硅片，这一下层PDMS片的主要作用是作为一个中间层，确保上层PDMS片与步骤(1)中制备的硅片模具之间能够紧密且均匀地贴合。通过真空泵处理去除PDMS中的气泡后，将上层PDMS片和下层PDMS片在70℃的恒温加热台上加热2小时，此步骤是为了确保PDMS的完全固化和稳定化，从而使其具有所需的物理和化学性质。加热完成后，小心地将上层和下层PDMS片从模具中剥离。下层PDMS片上的镀金硅片被去除，同时在上层PDMS片上打孔，打出用于待测液体样品注入或流出的加样孔和废液口(直径为3毫米)。

最后，上层和下层PDMS片以及玻璃玻璃基版依次使用异丙醇和丙酮进行超声波清洗5分钟，然后用去离子水冲洗，去除残留的有机溶剂，并在加热板上干燥。将上层PDMS片和下层PDMS片暴露在氧等离子体中进行表面处理(将PDMS片放置在氧等离子体装置的反应腔内，设定功率为100瓦，处理时间为2分钟)后，立即进行PEG改性。改性液为在100毫升去离子水中溶解5克聚乙二醇单体和0.1克交联剂的溶液，PDMS片浸入后在60℃的热板上加热2小时。加热改性完成后将上层PDMS片和下层PDMS片分别用异丙醇和去离子水进行超声波清洗，以去除残留的PEG，并在70℃的热板上干燥。之后，将经氧等离子体处理的下层PDMS片凹面朝上排列在玻片上，同时将真空蒸镀的镀金硅片放置在下层PDMS片凹面内部，然后将上层PDMS片放置在下层PDMS片形成“上层-镀金硅片-下层-玻片”结构，在室温下加压，使多层PDMS片与玻璃基版紧密接触，并形成化学键结合。

在微流控材质的挑选上，一般通道大致可以分为玻璃、硅片等硬质材料通道和PDMS等较软的有机聚合物通道。PDMS具有生物兼容性强、化学稳定性高、透光性好等特点，它在各种光学器件与电子器件的制造中广泛的被应用。我们首先使用SU-8光刻胶通过光刻方法来制备通道模具，之后采用PDMS对结构进行转性进行等离子体处理使得疏水PDMS表面具有亲水功能，因为在PDMS表面上加入具有亲水性的基团：-OH基团，这便使得PDMS表面表现出了超强的亲水性质。同样，硅基底经等离子处理的时候，其表面的Si-O键就会被打断，然后在表面上形成大量的Si-键，再接着链接了空气-OH，于是就形成Si-OH键。将等离子处理后的PDMS材料与硅表面紧密相贴合，在这两表面上的Si-OH之间就会发生如下反应：2Si-OH→Si-O-Si+2H₂O。在硅基底与PDMS之间形成牢固的Si-O键结合，从而完成二者间不可逆键合。

实施例3

该微流控芯片的使用方法：

(1)准备所需材料和设备，包括多个注射泵、连接管道、软管、微流控芯片以及所需待测液体样品和油相。

(2)将连接管道分别与注射泵的出口相连，确保管道与注射泵之间的连接紧固且无泄漏。

(3)将软管的另一端***相应的进样孔，以便在实验过程中将液体输送至微流控芯片。

(4)根据实验需求，为每个注射泵设置合适的流速。确保注射泵的流速能够满足实验要求，以便在实验过程中实现对液体的精确输送。

(5)开启注射泵，将待测液体样品和油相分别输送至微流控芯片的进样孔。

(6)在持续的油相作用下，液体样品在微流控芯片内被分割成数个微小液滴。每个液滴都可以视为一个独立的微型反应体系。

(7)随着液滴在微流控芯片的通道内流动，液滴内的液体快速混合均匀。通过控制注射泵的流速和油相的压力，可以调整液滴的大小和形状，以实现不同实验目的。

通过高速成像***显示了本发明提供的PDMS微流控芯片(32×17mm²)液体流过芯片通道及检测区的过程，微流体通道具有亲水性。如图2所示，使用罗丹明染料在微流体通道中自动流动，以测试鲁棒性和亲水性，实验中没有发现泄漏。在该实验中，在室温下，亲水性微流体通道表面可以保持一个月的稳定性，且对亲水性没有明显影响。

因此，上述方法可以在不使用外部泵的情况下，利用毛细管力实现液体在通道内的自主输送。如图2所示，100μL的罗丹明染料可以在20秒内填满通道。

结论：本发明所提出的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片展示了一种具有巨大潜力的多功能平台，以用于精准POCT检测生物标志物从而精准诊断疾病。全集成的微流控芯片实现了卓越的灵敏度、特异性、可重复性高和广泛检测范围的优点，突破了现有的金标准RT-PCR和其他类似检测方法的局限性。

以上对本发明实施例所提供的用于产生连续浓度梯度和输出独立浓度的微流控芯片进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，由下至上设置有一体成型的玻璃基版、下层PDMS片和上层PDMS片，其特征在于，所述上层PDMS片包括：

加样孔：用于加入待测样品；

检测腔室：与所述加样孔之间通过毛细管道连接，用于检测待测样品；

驱动腔室：与所述检测腔室的另一端相连通，其内设置有阵列状结构的毛细通道，充当毛细管泵驱动所述待测样品流过通道；

引流腔室：与所述驱动腔室相连通，引导待测样品流出驱动腔室；

废液口：与所述引流腔室之间通过毛细管道连通，用于排出液体废物。

2.根据权利要求1所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，其特征在于，所述检测腔室设置为2个，每个检测腔室由多个圆形腔室串联，且圆形腔室内阵列排布有圆柱体。

3.根据权利要求2所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，其特征在于，所述毛细管道为Y型毛细管道。

4.根据权利要求1所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，其特征在于，所述驱动腔室设置为矩形结构，引流腔室设置为三角形结构，且引流腔室的三角形底部与所述驱动腔室的顶部共线设置。

5.根据权利要求4所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，其特征在于，所述引流腔室内部也设置有阵列状结构的毛细通道。

6.根据权利要求1所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片，其特征在于，所述下层PDMS片上还设置有两条形凹面，所述条形凹面内配合安装有镀金硅片。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于毛细作用的自流免泵的微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用匀胶机旋转将光刻胶涂覆在硅片表面，得到较平整的平面后，在恒温加热台上加热设定时间，然后使用透明掩模在该硅片上进行紫外光刻胶，加热设定时间，再在SU-8显影剂中进行显影，超声机除掉残余的胶后，硅片分别用丙酮和去离子水超声清洗干净，进一步去除残留的光刻胶，最后用氮气干燥，得到硅片模具；

(2)将PDMS预聚物和固化剂充分混合均匀，得到PDMS聚合物，同时进行真空处理以去除PDMS聚合物中的气泡，进一步保证紧密贴合和结构的完整性；

(3)将部分所述PDMS聚合物铸入到步骤(1)制备的模具中，制作上层PDMS片，再将部分PDMS聚合物铸入到光滑的硅片上形成下层PDMS片，并在下层PDMS片的检测室区域放置真空蒸镀的镀金硅片；

(4)在恒温加热台上对上层PDMS片和下层PDMS片进行加热处理，加热完成后，小心地将上层PDMS片和下层PDMS片从其相应的模具中剥离；

(5)去掉下层PDMS片上放置的镀金硅片，并在上层PDMS片上打出用于待测液体样品注入或流出的加样孔和废液口；

(6)将上层PDMS片、下层PDMS片和玻璃玻璃基版依次用异丙醇和丙酮超声波清洗，再用去离子水冲洗超声，去除残留的有机溶剂，并在加热板上干燥；

(7)将上层PDMS片和下层PDMS片暴露在氧等离子体中进行表面处理，待氧等离子体处理完成后，立即进行PEG改性，改性完成后，将上层PDMS片和下层PDMS片分别用异丙醇和去离子水超声清洗，以去除残留物，然后继续干燥，随后，将经过氧等离子体处理的下层PDMS片凹面朝上排列在玻片上，同时将真空蒸镀的镀金硅片放置在下层PDMS片凹面内部，然后将上层PDMS片放置在下层PDMS片形成“上层-镀金硅片-下层-玻片”结构，在室温下加压，使多层PDMS片与玻璃基版紧密接触，并形成化学键结合。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将光刻胶涂覆在硅片表面后的恒温加热方法为：在恒温加热台上预加热65℃，10min，再115℃加热30min；进行紫外光刻胶后的加热方法为：在75℃加热5min，105℃加热10min。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，PDMS预聚物和固化剂的重量比为10：1；步骤(3)中，真空蒸镀的镀金硅片厚度为50nm；步骤(4)中，在恒温加热台上加热方法为：70℃加热2h；步骤(7)中，PEG改性后的加热方法为：150℃加热25min；去除残留的PEG后的加热方法为：70℃条件下干燥。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，氧等离子体处理的方法为将PDMS片放置在氧等离子体装置的反应腔内，设定功率为100瓦，处理时间为2分钟；PEG改性的方法为：在100毫升去离子水中溶解5克聚乙二醇单体(PEG)，并加入0.1克交联剂。将PDMS片浸入此溶液中，在60摄氏度下加热处理2小时，促进PEG的交联和固定。