專利名稱：一種基于水凝膠的聚合物微流控芯片的溶劑封裝方法
技術領域：
本發明屬微流控芯片技術領域，具體涉及一種聚合物微流控芯片的溶劑封裝方法。
背景技術：
微流控芯片是微全分析系統領域的研究熱點，以微機電加工技術為依托，以微管道網絡為結構特征，以生命科學為主要應用和研究對象。微流控芯片把通常實驗室內采樣、 稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊幾個平方厘米大的芯片上，自動完成分析全過程，已經發展成為一個嶄新的研究領域。自從瑞士 Ciki-Geigy公司的Manz 和Widmer [1]首次提出微型全分析系統(μ-TAS)以來，微流控芯片就以其高效、快速、試劑用量少、低耗以及集成度高等優點引起了國內外有關專家的廣泛關注，在其方法學研究迅速發展的基礎上，微流控芯片在生物醫學研究、臨床診斷、藥物分析、環境監測、法醫和軍事等領域顯示了良好的應用前景[2-4]。目前，微流控芯片主要使用玻璃和聚合物進行加工W]，其中玻璃芯片加工技術要求高，需專用的設備，每片芯片需要單獨刻蝕，難以采用模具大批量生產，價格比較昂貴，限制了其應用。于是，近年來聚合物被芯片得到了發展，其制作主要采用壓印、注塑、澆鑄和單體注模原位聚合等技術，因為價格低廉和容易大批量生產，具有良好的產業化前景，其中有機玻璃、聚碳酸酯和聚苯乙烯是微流控芯片制作中較常用的聚合物[5]。聚合物微流控芯片由帶有通道的基片和蓋片通過封裝制備，通常采用普通熱壓封裝，即在高于聚合物玻璃化溫度的條件下，通過加壓力使微流控芯片基片和蓋膜粘合成芯片。缺點為在高于玻璃化溫度時，微流通道變形大，且容易堵塞，成為限制聚合物芯片投入生產和應用的瓶頸[5]。另外一種常用的聚合物微流控芯片封裝技術是溶劑封裝，但由于溶劑直接施加在聚合物微流控芯片基片和蓋片間，會導致微流控芯片通道的變形和堵塞，造成封裝失敗，導致封裝成功率較低。于是，我們設想到將熱可逆水凝膠先填充到需要封裝的聚合物微流控芯片通基片道內，然后將聚合物微流控芯片與蓋片用溶劑進行封裝，由于水凝膠的保護，通道不與溶劑直接接觸，所以通道在封裝過程中的變形和堵塞問題獲得了解決。封裝完畢后，通道內的水凝膠可以用熱水加熱熔化后洗去。本發明建立的基于水凝膠的聚合物微流控芯片溶劑封裝方法具有操作簡便和成本低廉的優點，可在室溫下進行。由于使用了水凝膠保護層，溶劑封裝過程中微流通道變形小，廢品率低，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工方面有良好的應用前景。參考文獻Manz A, Graber N, Widmer HM. Sens. Actuators B 1990， 1， 244-248.Dittrich, PS, Tachikawa K, Manz A. Anal. Chem. 2006, 78, 3887-3908.Auroux ΡΑ, Iossifidis D, Reyes DR, and Manz A. Anal. Chem. 2002, 74, 2637-2652.[4]Verpoorte E. Electrophoesis 2002， 23， 677—712.Chen Y, Zhang LY, Chen G, Electrophoresis, 2008，29，1801 - 1814。
發明內容
本發明的目的在于提出一種可避免通道變形和堵塞，封裝成功率高的聚合物微流控芯片的溶劑封裝方法。已經通過數控機械雕刻機在聚合物板上加工好帶有開口通道的微流控芯片基片， 其中通道結構由計算機輔助設計軟件設計。本發明提出的聚合物微流控芯片溶劑封裝方法，是使用瓊脂等熱可逆性水凝膠，在其受熱成為液態的狀態下，注入聚合物微流控芯片基片的通道中，使其冷卻成為水凝膠保護層，然后進行溶劑封裝。由于水凝膠含有大量水分， 不溶于封裝用有機溶劑，可有效防止封裝過程中通道與溶劑的接觸，解決了通道在封裝過程中的變形和堵塞問題，大幅提高了封裝成功率，對于聚合物微流控芯片的批量加工具有重要意義。本發明方法的具體步驟為
(1)將硅橡膠片蓋在聚合物微流控芯片基片有開口通道的一面上，通過負壓將熔化的水凝膠溶液吸入通道內，然后冷卻到室溫，在通道內形成水凝膠保護層；
(2)移去硅橡膠片，將一片與基片同樣材質的蓋片蓋在基片上有水凝膠覆蓋通道的一面上，通過毛細管作用吸入有機溶劑，使有機溶劑布滿蓋片與基片間的縫隙，然后在基片和蓋片上加壓一定時間，完成芯片溶劑封裝；
(3)然后，對封裝后通道內的水凝膠加熱，使其熔化，再通過熱水壓出水凝膠，并清洗，即得聚合物微流控芯片成品。本發明中，聚合物微流控芯片的通道深度為10-500微米，底部寬度25-200，上部寬度為100-500微米。本發明中，聚合物微流控芯片的材料可為有機玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯等溶劑可溶性高聚合物。本發明中，在聚合物微流控芯片基片通道的末端的位置鉆有直徑為1-3毫米的圓形小孔，用于進樣和收集反應產物。本發明中，所使用的水凝膠材料可為瓊脂或明膠等，且制備的水凝膠有熱可逆性。 其中，瓊脂水凝膠溶液的配方為瓊脂0. 1_5%，水余量；明膠水凝膠溶液的配方為明膠 0. 5-5%，水余量。本發明中，步驟(1)熔化水凝膠的水浴溫度控制在60-80 °C，通道中熔融水凝膠的冷卻凝固成形溫度，對瓊脂水凝膠和明膠水凝膠而言，控制在15-30 °C。冷卻凝固時間為 1-5分鐘。本發明中，步驟(2 )使用的溶劑將根據聚合物的不同進行選擇，對于有機玻璃可以使用二氯乙烷、乙腈或乙酸乙酯等，對于聚苯乙烯可選擇甲苯、二甲苯、二氯乙烷或乙腈等， 對于聚碳酸酯可以選擇二氯乙烷、四氫呋喃、甲苯或二甲苯等。本發明提出的基于水凝膠的聚合物微流控芯片溶劑封裝方法，具體操作進一步詳述如下
采用計算機輔助設計軟件設計芯片結構，典型的設計如附圖1所示，包括分離通道2、進樣通道6和溶液連接孔1，3，4和5 ；將設計的圖形用數控機械雕刻機雕刻到聚合物片表面得微流控芯片基片。根據需要選用不同尖端寬度和角度的調刻刀，用高速無刷電機驅動以M000轉/分進行雕刻，以獲得不同尺寸的通道，采用本方法可加工的通道深度為10-500 微米，底部寬度25-200微米，上部寬度100-500微米。在微流控芯片基片通道末端的位置上鉆直徑為1-3毫米的圓形小孔，用于進樣和收集反應產物。本發明主要采用瓊脂和明膠兩種高分子材料分別制備用于聚合物微流控芯片溶劑封裝用熱可逆水凝膠。瓊脂水凝膠的配方為瓊脂瓊脂0. 1_5%，水余量；明膠水凝膠的配方明膠0. 5-5%，水余量。此外，淀粉也可用于熱可逆性水凝膠的制作。按照上述配方， 先將配方量的高分子材料如瓊脂或明膠加入水中，直接加熱到沸騰并不斷攪拌直至完全溶解，冷卻到室溫可得熱可逆水凝膠。溶劑封裝前先將瓊脂水凝膠和明膠水凝膠置于溫度為60-80°C的水浴中熔化。如附圖2所示，將一片硅橡膠片8蓋在聚合物微流控芯片基片7有開口通道的一面上，通過負壓將熔化的高分子水凝膠溶液吸入通道內，冷卻到室溫后在通道內形成凝水膠保護層9，移去硅橡膠8后，將一片同樣材質的蓋片10蓋在基片上有水凝膠覆蓋通道的一面上，通過注射器11在兩片間的縫隙滴加有機溶劑，通過毛細作用使溶劑充滿縫隙，然后在基片和蓋片上通過兩片玻璃片12施加壓力13后完成溶劑封裝。由于有水凝膠層的保護，溶劑不與基片通道直接接觸。最后，將封裝后芯片置于50-70°C的水浴中熔化，用壓力將通道內的水凝膠壓出，并用熱水清洗干凈，得聚合物微流控芯片成品14。本發明巧妙的將在有機溶劑中不溶解的熱可逆水凝膠填充到聚合物微流控芯片基片通道內，構成犧牲性保護層，防止封裝過程中溶劑與通道的接觸，待封裝完畢后，通過加熱將水凝膠除去。本發明建立的聚合物微流控芯片溶劑封裝技術具有操作簡便和成本低廉的優點，由于使用了水凝膠保護層，溶劑封裝過程中微流通道變形小，封裝成功率高，可用于聚合物微流控芯片的批量低成本加工。
圖1為本發明涉及的典型聚合物微流控芯片設計圖。圖2為本發明中基于水凝膠的聚合物微流控芯片溶劑封裝流程圖。圖3為本發明中有機玻璃微流控芯片基片封裝前(A)和封裝后(B)通道端面的掃描電子顯微鏡圖片，放大倍數為100倍。圖4為使用本發明封裝技術制備的有機玻璃微流控芯片與電導檢測技術聯用電泳分離和檢測1 mM鉀(a)、鈉(b)和鋰離子的標準混合溶液的電泳圖譜。圖中標號1為樣品溶液孔，2為分離微流通道，3、4和5均為緩沖溶液孔，6為進樣通道，7為微流控芯片基片，8為硅橡膠片，9為水凝膠，10為微流控芯片蓋片，11為注射器， 12為玻璃片，13為外壓，14為封裝后的微流控芯片成品。
具體實施例方式下面通過實施例和附圖進一步描述本發明
1、基于瓊脂水凝膠的有機玻璃微流控芯片溶劑封裝方法
采用計算機輔助設計軟件設計芯片結構，典型的微流控芯片(75毫米X 16毫米)設計如附圖1所示，由分離通道2、進樣通道6和溶液連接孔1，3，4和5構成，數控機械雕刻機將根據設計圖將設計雕刻到1毫米厚有機玻璃片(75 mm X 16 mm)表面得微流控芯片基片。選用尖端寬度為150微米和角度為30度的刻刀，用高速無刷電機驅動以24000轉/ 分進行雕刻，加工的通道尺寸為通道深度為95微米，底部寬度150微米，上部寬度200微米。其中主通道2長66 mm,進樣通道6長10 mm，其中主通道2和進樣通道6交叉點到最近的三個溶液連接孔1、4和5的距離均為5 mm。在微流控芯片基片通道末端的位置上鉆直徑為2毫米的圓形小孔，用于進樣和收集反應產物。本實施例采用瓊脂制備用于有機玻璃微流控芯片溶劑封裝用熱可逆水凝膠，瓊脂水凝膠的配方為瓊脂瓊脂0.5%，水余量。制法為先將配方量的瓊脂加入水中，直接加熱到沸騰并不斷攪拌直至完全溶解，冷卻到室溫可得熱可逆水凝膠。溶劑封裝前先將瓊脂水凝膠于溫度為70°C的水浴中熔化。如附圖2所示，將一片硅橡膠片8 (75 mm X 16 mm X 2 mm)蓋在有機玻璃微流控芯片基片7有開口通道的一面上，通過負壓將熔化的瓊脂水凝膠溶液吸入通道內，冷卻到室溫2分鐘后在通道內形成瓊脂水凝膠保護層9。移去硅橡膠8后，將一片有機玻璃蓋膜10 (75 mm X 16 mm X 75 μπι)蓋在基片上有瓊脂水凝膠覆蓋通道的一面上，通過注射器11在兩片間的縫隙滴加有機溶劑二氯甲烷300 μ L，通過毛細作用使溶劑充滿縫隙，然后在基片和蓋片上通過兩片玻璃片12 (76. 2 mm X25. 4 mm X 1. 2 _)施加壓力13 (、· 2 kg/cm2)后完成溶劑封裝。 由于有水凝膠曾的保護，溶劑不與基片通道直接接觸。最后，將封裝后芯片置于60°C的水浴中熔化，用注射器將通道內的水凝膠壓出，并用熱水清洗干凈得有機微流控芯片成品。本發明中有機玻璃微流控芯片基片封裝前(A)和封裝后(B)端面的掃描電子顯微鏡圖片見附圖3所示，可見采用基于瓊脂水凝膠保護層的有機玻璃微流控芯片溶劑封裝效果令人滿意，通道封裝前后變形小。對封裝的有機玻璃璃微流控芯片用顯微鏡檢查發現，芯片通體無氣泡無裂縫，獲得良好封裝。用顯微鏡觀察芯片，封裝前后通道未發生變形，制備的微流控芯片通道結構完整，質量令人滿意。本發明制作的有機玻璃微流控芯片與0-3000 V高壓直流電源和電導檢測儀構成微流控芯片電導檢測系統，已成功用于鋰離子、鈉離子和鉀離子三種陽離子的電泳分離，測得的0.1 mM鋰離子(a)、0. 1 mM鈉離子(b)和0. 1 mM鉀離子(c)的電泳圖譜見附圖4，測試條件為分離和進樣電壓為+1000 V，進樣時間為2 s，緩沖溶液為20 mM硼酸-20 mM三羥甲基氨基甲烷混合溶液(PH 8.0)，電導檢測波形為正弦波(頻率為200 kHz，峰-峰電壓幅度為5 V)。結果表明，本發明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片可在100秒內將對上述三種陽離子完全分離，高效快速，在實際樣品分析中有良好的應用前景。2、基于明膠水凝膠的聚苯乙烯微流控芯片溶劑封裝方法
采用計算機輔助設計軟件設計芯片結構，典型的微流控芯片(75毫米X 16毫米)設計如附圖1所示，由分離通道2、進樣通道6和溶液連接孔1，3，4和5構成，將設計圖用數控機械雕刻機雕刻到1毫米厚聚苯乙烯片(75 mm X 16 mm)表面得微流控芯片基片。選用尖端寬度為150微米和角度為30度的刻刀，用高速無刷電機驅動以24000轉/分進行雕刻，加工的通道尺寸為通道深度為95微米，底部寬度150微米，上部寬度200微米。其中主通道2長66 mm,進樣通道6長10 mm，其中主通道2和進樣通道6交叉點到最近的三個溶液連接孔1、4和5的距離均為5 mm。在聚苯乙烯微流控芯片基片通道末端的位置上鉆直徑為2毫米的圓形小孔，用于進樣和收集反應產物。本實施例采用明膠制備用于聚苯乙烯微流控芯片溶劑封裝用熱可逆水凝膠，明膠水凝膠的配方為明膠1%，水余量。制法為先將配方量的明膠加入水中，直接加熱到沸騰并不斷攪拌直至完全溶解，冷卻到室溫可得熱可逆水凝膠。溶劑封裝前先將明膠水凝膠于溫度為70°C的水浴中熔化。如附圖2所示，將一片硅橡膠片8(75 mm X 16 mm X 2 mm)蓋在聚苯乙烯微流控芯片基片7有開口通道的一面上，通過負壓將熔化的明膠水凝膠溶液吸入通道內，冷卻到室溫后在通道內形成明膠水凝膠保護層9。移去硅橡膠8后，將一片聚苯乙烯蓋片10(75 mm X 16 mm X 1 mm)蓋在基片上有明膠水凝膠覆蓋通道的一面上，通過注射器11在兩片間的縫隙滴加有機溶劑二甲苯200 μ L，通過毛細作用使溶劑充滿縫隙，然后在基片和蓋片上通過兩片玻璃片12 (76. 2 mm X 25. 4 mm X 1.2 _)施加壓力13 Γθ. 2 kg/cm2)后完成溶劑封裝。由于有水凝膠曾的保護，溶劑不與基片通道直接接觸。最后，將封裝后芯片置于60°C的水浴中熔化，用注射器將通道內的水凝膠壓出，并用熱水清洗干凈得聚苯乙烯微流控芯片成品。通過掃描電子顯微鏡和顯微鏡檢查，發現制備的苯乙烯微流控芯片通道結構完整，芯片通體無氣泡無裂縫，封裝質量令人滿意。
權利要求
1.基于水凝膠的聚合物微流控芯片的溶劑封裝方法，已在聚合物板上加工好帶有開口通道的微流控芯片基片，其特征在于封裝的具體步驟為(1)將硅橡膠片蓋在聚合物微流控芯片基片有開口通道的一面上，通過負壓將經過熔化的水凝膠溶液吸入通道內，然后冷卻到室溫，使熔融水凝膠冷卻凝固，在通道內形成水凝膠保護層；(2)移去硅橡膠片，將一片與基片同樣材質的蓋片蓋在基片上有水凝膠覆蓋通道的一面上，通過毛細管作用吸入有機溶劑，使有機溶劑布滿蓋片與基片間的縫隙，然后在基片和蓋片上加壓一定時間，完成芯片溶劑封裝；(3)對封裝后通道內的水凝膠加熱，使其熔化，再通過熱水壓出水凝膠，并清洗，即得聚合物微流控芯片成品。
2.根據權利要求1所述的溶劑封裝方法，其特征在于所述聚合物微流控芯片的材料為有機玻璃、聚苯乙烯或聚碳酸酯溶劑可溶性高聚合物。
3.根據權利要求1或2所述的溶劑封裝方法，其特征在于所使用的水凝膠材料為瓊脂或明膠，且制備的水凝膠有熱可逆性；其中，瓊脂水凝膠溶液的配方為瓊脂0. 1-5%，水余量；明膠水凝膠溶液的配方為明膠0. 5-5%，水余量。
4.根據權利要求3所述的溶劑封裝方法，其特征在于步驟(1)中熔化水凝膠的水浴溫度控制在60-80 °C，通道中熔融水凝膠的冷卻凝固的溫度控制在15-30 °C，冷卻凝固時間為1-5分鐘。
5.根據權利要求2或4所述的溶劑封裝方法，其特征在于步驟(2)使用的溶劑根據聚合物微流控芯片的材料的不同進行如下選擇對于有機玻璃，使用二氯乙烷、乙腈或乙酸乙酯；對于聚苯乙烯，使用甲苯、二甲苯、二氯乙烷或乙腈；對于聚碳酸酯，使用二氯乙烷、四氫呋喃、甲苯或二甲苯。
全文摘要
本發明屬微流控芯片技術領域，具體為一種基于水凝膠的聚合物微流控芯片的溶劑封裝方法。本發明是將硅橡膠片蓋在芯片基片有開口通道的一面上，通過負壓將熔化的高分子水凝膠溶液吸入通道內，然后冷卻到室溫，凝固形成水凝膠保護層；移去硅橡膠片，將一蓋片蓋在基片上有水凝膠覆蓋通道的一面上，通過毛細作用使有機溶劑布滿兩片間的縫隙，然后在基片和蓋片上加壓完成溶劑封裝；將封裝后通道內的水凝膠加熱熔化，通過熱水壓出并清洗，得到聚合物微流控芯片成品。本發明方法簡便、成本低，溶劑封裝過程中微流通道變形小，封裝成品率高，可用于聚合物微流控芯片的批量加工。
文檔編號B01L3/00GK102380428SQ20111028746
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者干志彬, 張魯雁, 陳剛 申請人:復旦大學