[发明专利]玻璃微流控芯片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片，尤其是涉及一种玻璃微流控芯片的制备方法。

背景技术

微流控芯片又称为微全分析系统，是一类以微通道网络为结构特征的微型反应或分析系统。由于具有分析速度快、试剂消耗少、使用成本低、易集成和自动化等优点，微流控芯片已成为当前十分活跃的科学前沿，并在化学、生物、医学等领域的研究中得到广泛的应用。

用于制作微流控芯片的材料主要有玻璃、石英与高分子聚合物等，其中玻璃由于具有优异的光学性能与良好的电渗性能而成为微流控芯片的最常用材料之一。玻璃微流控芯片的制作分为微通道的加工和键合两部分，其中玻璃微通道的特征尺寸为宽度一般小于两百微米，深度为数十微米，其加工主要通过对表面具有微通道图形的牺牲层的玻璃基片进行湿法刻蚀而实现，由于玻璃在HF腐蚀液体系中的刻蚀速率较快(一般可达每分钟数微米)，并且湿法刻蚀可以在刻蚀槽中大批量进行，因此制约玻璃微流控芯片加工速度的关键步骤是牺牲层微图案的制作。

目前，玻璃微流控芯片主要以光刻胶/铬，光刻胶/金/铬或单纯光刻胶为牺牲层，采用标准光刻结合湿法刻蚀的方法进行制备(P.C.Simpson，A.T.Woolley，R.A.Mathies，Biomed.Microdev.1998，1，7-25)，即首先采用光刻技术将掩模板上的微通道图案转移到玻璃基片表面的光刻胶层，而后通过显影步骤精确去除曝光部分的光刻胶，如有铬层或金/铬层则进一步去除相应部分的金属，然后进行玻璃微沟道的湿法刻蚀，最后将其与另一空白盖片进行键合制备玻璃芯片。采用光刻方法虽然可以获得宽数十微米、高质量的玻璃微通道，但是所涉及的掩模制作与曝光显影等步骤需要昂贵的仪器、超净室环境以及繁琐的制备过程，无法满足快速及批量生产的需要。

在芯片制备过程中，除了采用光刻技术外，还可以采用激光烧蚀、微细电解加工等方法进行牺牲层的微图形加工。例如，刘晓清等提出先在玻璃基片表面的金/铬层上涂一层指甲油，采用CO₂激光在指甲油上烧蚀出微通道图形，在此基础上去除Au和Cr牺牲层，然后进行玻璃的刻蚀与键合(刘晓清，郝苇苇，高巍巍，周勇亮，传感技术学报，2006，19，2038-2040)。虽然采用这种方法可以进行玻璃芯片的快速制备，但是限于CO₂激光在指甲油上的加工精度，这种方法获得的玻璃通道整体质量较差，表现在通道宽度在数百微米以上，并且通道边缘均匀性较差。叶嘉明等提出基于微细电解加工的方法进行玻璃芯片的快速制作，以加工有微缝图形的PET为掩模，采用微细电解加工技术在玻璃基片表面的Au/Cr牺牲层快速获得微通道图形，然后进行沟道刻蚀与键合制备玻璃芯片(叶嘉明，李明佳，庄金亮，周勇亮，功能材料与器件学报，2008，14，491-495)。该方法可在数十秒内完成约100微米宽的金属牺牲层微图形加工，但需要特别的掩模板制作，增加加工成本，并且由于受掩模加工精度所限，无法获得更精细的微通道结构。另外，加工过程中电解液侧漏问题也会影响通道质量与加工重现性。

此外，还有一些玻璃芯片的简易制备方法被提出，例如宋学君等提出直接以凡士林油、羊毛脂复合物为牺牲层，采用不锈钢针尖划出细缝图形继而湿法刻蚀玻璃微通道的方法(宋学君，武士威，孙挺，中国发明专利，公开号CN 1778748A)。这种方法虽然工艺简单、成本较低，但是由于采用针尖在牺牲层划痕的工艺，加工精度与重现性较差，因此在微流控分析芯片的实际研究中难以推广。

最近，Grzybowski研究小组提出了一种可用于制备玻璃芯片的新方法——湿印章刻蚀，采用存储有玻璃腐蚀液且表面具有微结构的琼脂糖凝胶直接在玻璃基片上加工通道等多种微结构(C.J.Campbell，S.K.Smoukov，K.J.M.Bishop，E.Baker，B.A.Grzybowski，Adv.Mater.2006，18，2004-2008)。该方法是一种无掩模、高加工精度的方法，但其刻蚀玻璃的速率仅为每小时2μm，因此无法实现玻璃芯片的快速制备。在此基础上，Tian研究小组提出电化学湿印章刻蚀技术，即将存储有电解液的且具有微结构的琼脂糖与半导体Si表面接触，通过电化学刻蚀实现Si表面微结构的快速加工(L.Zhang，J.L.Zhuang，X.Z Ma，J.Tang，Z.W.Tian，Electrochem.Commun.2007，9，2529-2533)，该方法除了用于半导体外，还有望应用于金属表面的快速微加工，但至今未见相关报道。