[发明专利]具有渐变微通道高度的微流控芯片、其制备模板及方法

说明书

本申请公开了一种具有渐变高度微通道结构的微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片用于大规模微纳型均一液滴及微球材料的制备，所述微流控芯片内的微通道内中至少存在一个位置，所述位置的微通道的高度高于沿所述微通道内部流体流动方向下游的某一处的微通道的高度。通过利用微电铸的边缘效应，制备得到微通道高度从外围往中心逐渐降低的金属基模版，并复制模版结构到微流控芯片中，得到渐变高度微通道结构的微流控芯片，从而实现微纳米液滴规模制备。该方法可实现高效可控规模制备均一的微纳米液滴及微球。

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及其制备方法，具体的说涉及到具有渐变高度微通道结构的微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片技术通过在几英寸大小的芯片上构建微通道流路系统，将多种技术单元在可控平台上实现灵活组合及功能集成，在众多领域，比如环境检测、生物制药、材料合成、食品安全等方面都有潜在的应用前景。微流控芯片技术基于微流体控制技术，能够在微、纳米尺度空间操控流体，已成为制备单分散、微纳型功能微球材料的有力工具，一直以来是各国研究者关注的重点。

微流控芯片技术制备微球的核心是制备液滴。一般采用正交结构(T-junction)、流式聚焦(flow-focusing)或者共轴流(co-axial flow)等方式制备液滴生成器，经水力流体剪切而制备液滴，液滴再经后续固化过程可制得微球颗粒。由于微通道固有的较高流体力学阻力，限制了其流体速度，使得微通道流体流量非常有限。液滴生成处理量和液滴生成器孔口尺寸密切相关。较大的孔口尺寸，有较大的液体处理量，但生产的液滴直径尺寸也较大，而较小的孔口尺寸可以生成较小的液滴，但液体处理量小。也就是说，无法同时获得较大的微纳型液滴及高的处理量。一个有效增加微纳液滴生产通量的方法是进行液滴再分裂，即利用几何结构来进一步分裂液滴。通过多级液滴分裂，可以获得更微纳的液滴。这种方法，其最大流体流量主要由液滴生产单元孔口尺寸所决定，而其所能分裂得到的液滴大小由液滴分裂单元孔口尺寸决定。在液滴生成单元，希望有大截面积的孔口，也就是较宽和高的结构，以便生成较大液滴进而获得较高的流体处理量；在液滴分裂单元，为了分裂较小液滴，要求分裂结构孔口小，也就是要同时降低通道宽度和高度，否者较小液滴无法分裂。问题在于，受现有芯片制备方法所限，在常规微流控芯片中微通道宽度容易改变，但通道高度一般无法改变。从现有文献报道来看，液滴分裂芯片的微通道高度基本上都是不可变的，即在液滴生成和之后的液滴分裂中，其微通道高度一样。单纯通过改变液滴分裂单元孔口宽度，可以分裂一定大小的液滴，但是，由于孔口高度无法改变，液滴在通道高度方向的形变使得在一定程度上即使降低通道宽度也无法实现液滴的分裂。

现有传统的微流控芯片，在芯片内微通道的宽度可以不同，但是微通道高度一般是不变的，这主要是受微流控芯片微通道结构制备方法的限制。一般的，微流控芯片的结构设计使用掩模，通过光刻技术来转移结构设计。通过设计掩模结构，可以确定微通道的宽度，这个宽度依照设计可以不同；然而，微通道的高度是无法在设计掩模时确定，而是在后续芯片微结构制备过程中制备的，现有技术难以实现在一片芯片内制备具有渐变高度的微通道结构。比如，不管通过物理还是化学方法，可以刻蚀出一定深度的微通道，但是在芯片内通道高度是一样的。通过机械加工或许可以制备出不同深度的通道，但是，机械加工的精度有限，无法满足微流控芯片的几十甚至几微米的通道深度的要求，因此，机械加工技术和本领域内的技术相比，精度是无法满足要求，并不适合本领域微米级的应用。此外，采用多层制备技术，在一片芯片内制备出几个层，每层的高度可以不同，从而在一个芯片内制备出有限的几个不同通道高度的微流控芯片。这种多层芯片制备技术制备工艺繁琐、复杂，也无法制备出具有渐变高度梯度的通道结构。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种具有渐变微通道高度的微流控芯片，该微流控芯片可以同时获得较高流体处理量和较大的微纳型液滴产量，采用该具有渐变高度梯度微通道的微流控芯片来实现液滴生成和多级分裂，从而保证微通道不但有高流体通量，还便于逐级分裂获得所需尺寸的微纳型液滴，以提高微纳液滴生成通量。