[发明专利]一种制备具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高聚物微流控芯片的制备方法。该高聚物芯片以四层结构的形式集成微型气动微阀或微阀阵列，其气路控制通道部分和液路通道部分可自由组装、独立更换。按实际需要设计制备的芯片，可作为一次性器件，应用于化学和生化分析、微量化学反应研究、细胞生物学研究、组织工程等芯片实验室（Lab on a chip）系统。

背景技术

微流体的操纵和控制是微流控芯片的基础，也是芯片实验室系统的关键技术之一。微流控芯片系统中，一般通过泵驱动流体，而由阀来控制流体。目前，在微流控芯片系统中，以弹性膜作为致动部件、压缩气体作为致动力的气动微阀应用最为广泛。按照结构可将气动微阀分为常开型[Unger MA, Chou HP, Thorsen T, Scherer A, Quake SR. Science 288 (2000), 113-116]和常闭型[Grover WH, Skelley AM, Liu CN, Lagally ET, Mathies RA. Sensors Actuator B 89 (2003), 315-323]两类。其中常开阀具有很小的死体积，可以在芯片上高密度集成，以实现复杂微流体的精密操控，但是需要施加较大的控制气压，因此对芯片封接强度的要求高；而常闭阀能以较小的控制气压实现阀的启闭，但微阀的死体积相对较大，不利于大规模集成。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有优良的光学特性、生物兼容性、易加工成型等特点，是目前微流控芯片常用的材料之一。由于PDMS具有极佳的弹性，因此被广泛地用作气动微阀的弹性膜。但是，如果用弹性PDMS制备气路基片和液路基片（所谓基片指的是加工有微通道槽的玻璃或高聚物片。当基片与另一片平板薄膜或平板薄片封合在一起后，基片上的通道槽就封闭成为密闭的通道网络），再与一层弹性PDMS薄膜封合组成全PDMS芯片时，芯片的刚性差，操作时易弯曲形变，可靠性欠好。而硅、玻璃、石英芯片加工难度大、无法批量生产、成本高、且易碎。相比而言，热塑型高聚物（塑料）芯片具有成本低、易加工，可以批量生产而成为一次性器件等优势，因此近年来备受人们的青睐。然而，目前常开型微阀大多采用全PDMS结构或玻璃-PDMS复合结构。在塑料芯片上制备常开型气动微阀的报道相对较少。有人在环烯烃共聚物（COC）塑料芯片上制作了以PDMS为弹性膜的常开型气动微阀[Gu P, Liu K, Chen H, Nishida T, Fan ZH. Analytical Chemistry 83 (2011), 446-452]。在该文献中采用的是薄COC基片（仅188 μm厚），经硅烷化处理后的COC片与PDMS弹性膜（15 μm厚），用电晕放电处理后，两者紧密贴合，即可实现薄COC基片与PDMS弹性薄膜间的不可逆封合，形成“COC气路控制基片-PDMS弹性薄膜-COC液路基片”这样三层结构全高聚物芯片。如果采用较厚（> 1 mm）的硬质塑料基片以增加整块芯片的刚性，由于无法以滚贴的方式实现封合面的密切贴合，在封接过程中不可避免地会在PDMS薄膜与硬质基片的结合面上留下气泡，以致使芯片产生漏气或漏液而失效。此外，当不可逆封接制得的“气路控制基片-PDMS膜-液路基片”三层式结构芯片作一次性芯片使用时，每分析一个样品就需要整体更换一片芯片，即不经济，又增添了频繁连接控制气路和溶液管路的麻烦，使整个操作过程繁琐费时，并可能由于连接不当使系统漏气或漏液，影响分析系统的稳定性和分析结果的可靠性。

发明内容

本发明正是针对现有技术的不足之处所作的发明，提供一种制备具有集成化气动微阀的组装式全高聚物微流控芯片的方法，该芯片具有四层结构，整体芯片由气路控制半芯片和液路半芯片组成，它的两个半芯片可自由组装、独立更换。

本发明的具体技术方案如下：

本发明是一种具有集成化气动微阀的组装式高聚物微流控芯片的制备方法，所制备的芯片包括两个半芯片：一片是带气路通道的塑料控制基片与一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的气路控制半芯片，另一片是带液路通道的塑料基片与另一层PDMS弹性薄膜以不可逆封接的方式组成的液路半芯片，两个半芯片借助PDMS薄膜的自然粘合力可逆封合，制成具有“塑料气路控制基片-PDMS···PDMS-塑料液路基片”四层结构的塑料全芯片，具体制备步骤如下：

（1）以标准的光刻显影技术，在玻璃基片上制备光胶阳模；

（2）加热使光胶回软，使阳模凸起的截面逐渐呈圆弧形；

（3）以PDMS作为过渡模具的材料，通过软刻蚀技术制作与光胶阳模结构相同的高温树脂阳模；