專利名稱：一種利用倒置熒光顯微鏡制造微納流控芯片的方法
技術領域：
本發明屬于微納器件制造領域，涉及一種利用倒置熒光顯微鏡制造微納流控芯片的方法。本發明基于微加工技術制作玻璃微流控芯片，利用光敏聚合反應在微通道網絡的預設區域，制造具有納米孔隙的聚合物凝膠納米塞，從而得到集成微納復合結構的微納流控芯片，制造的芯片可用于溶液中痕量物質富集。
背景技術：
微流控芯片是具有廣闊應用前景的微型生化分析系統，可以顯著降低生化檢測成本和提高檢測效率。但微流控芯片的通道特征尺寸僅為微米量級，限制了可檢測樣品量，導致當樣品量低于檢測限時，檢測器無法檢出有效成分。樣品富集技術可以將痕量的待檢測樣品成分濃縮到局部區域，提高待檢測樣品的濃度從而實現樣品檢測。近期研究發現將微通道與納通道陣列或納米塞相結合，形成微納流控芯片，利用納米通道中流體雙電層排阻效應產生的微納界面處痕量物質濃縮，能夠實現高達百萬倍的蛋白富集。在微通道網絡內預設區域集成納通道陣列或納米塞，從而得到多尺度微納復合結構，是制造微納流控芯片的關鍵點。目前，常用的制造微納復合結構的技術主要有納米壓印、高能束刻蝕、自組裝等。納米壓印以納米壓印機為平臺，通過熱壓等方法制備線寬小至IOnm的微納復合結構，制造一致性好，但納米壓印機以及模具非常昂貴。高能束刻蝕是將高能束能量在材料表面局部聚焦，使其發生物理化學變化，從而獲得納結構或微納復合結構，但高能束刻蝕加工方式以串行直寫為主，加工大面積圖形的效率很低，且設備成本也偏高。自組裝技術是采用“自下而上”法在基底上生長介孔材料，實現微納復合結構，自組裝主要用于在微結構局部形成功能性表面，尚未能制造可用于富集的微納流控芯片。在國內外發明專利檢索中，涉及到微納流控芯片制作方法的專利主要有I、專利“微納流控高效富集與純化芯片及其快速制作方法”(申請號CN200810196304.4)，利用高壓擊穿透明高分子材料的方法在兩微通道間形成納米結構，負電荷物質在電場驅動下在納米通道的一端高效富集，該專利形成微納復合結構的方法是一種電擊穿效應，而本專利形成微納復合結構的方法是基于顯微鏡聚焦的局域光敏聚合化學效應，兩者在原理上不同。2、專利“一種基于微納米結構的樣品富集芯片、制作方法及富集方法”(申請號CN200710036415. 4)，利用二次光刻和濕法腐蝕技術在石英玻璃基底上制作微納復合結構，也與本專利的制造方法不同。
發明內容
本發明提供了一種利用倒置熒光顯微鏡制造微納流控芯片的方法，該方法基于微加工技術制作玻璃微流控芯片，利用光敏聚合反應在微通道網絡的預設區域，制造出具有納米孔隙的聚合物凝膠納米塞，從而得到集成微納復合結構的微納流控芯片，此類芯片可用于溶液中痕量物質富集。
本發明的技術方案包括以下步驟(I)采用濕法腐蝕、超聲打孔、熱鍵合工藝制作玻璃材質的微流控芯片。(2)采用親和硅烷處理微流控芯片的微通道表面，提高聚合物凝膠納米塞與玻璃微通道表面之間的結合力。利用毛細作用，將配置好的光敏聚合物溶液由儲液池填充到微通道網絡。(3)通過調節倒置熒光顯微鏡的微動平臺位置，并結合目鏡觀測，確定聚合物凝膠納米塞預設區域。(4)根據聚合物光敏特性選擇碼盤式分光機構內置的曝光濾光片，光束的波長控制在340-380nm，光束的帶寬不大于10nm，保證激發光敏聚合反應曝光光束的單色性。(5)通過調節倒置熒光顯微鏡的擴束調節器控制倒置熒光顯微鏡聚焦光斑大小，進而控制聚合物凝膠納米塞的尺寸，利用倒置熒光顯微鏡的共焦光路使光斑直徑小于
50μ m0(6)通過安裝在擴束調節器插板上的濾光片控制倒置熒光顯微鏡聚焦光斑強度，同時通過控制倒置熒光顯微鏡曝光時間確定光敏聚合反應時間，保證光敏聚合物溶液充分反應，降低過曝光引起的聚合反應邊緣效應，獲得具有微納復合結構的微納流控芯片。與現有技術相比，本發明提供了一種微納流控芯片的制造方法，芯片中核心單元聚合物凝膠納米塞可以利用多數生物實驗室具備的倒置熒光顯微鏡完成，不需要使用昂貴的納米壓印機及配套模具等。聚合物凝膠納米塞的位置可以通過機械調節定位，不需要用到具有高精度對準功能的光刻機，降低了對工藝復雜性和硬件設備的要求。聚合物凝膠納米塞具有三維孔隙結構，納米塞大的比表面 積保證了富集的高倍率和穩定性。本方法操作靈活、可控性好，在普通生物實驗室就能完成。
圖1是本發明的工藝流程圖。圖2是本發明制作的微納流控芯片結構示意圖。圖3是本發明所用倒置熒光顯微鏡平臺結構示意圖。圖4是本發明制作的微納流控芯片富集效果示意圖。圖中I掩膜板；2光刻膠層；3鉻層；4玻璃基片；5a儲液池A ；5b儲液池B ；5c儲液池C ；5d儲液池D ； 6微通道網絡；7玻璃蓋片；8親和硅烷；9光敏聚合物溶液；10聚合物凝膠納米塞；11微納流控芯片；12照明上光源；13顯微鏡微動平臺；14目鏡；15焦距調節器；16長工作距離物鏡；17碼盤式分光機構；18擴束調節器；19汞燈下光源；20微動平臺調節器；21電源負極；22富集區域；23電源正極。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。實施例本發明的一種微納流控芯片11，如圖2所示，由玻璃基片4、儲液池(A、B、C、D)、微通道網絡6、玻璃蓋片7、聚合物凝膠納米塞10組成，其中儲液池(A、B、C、D)、微通道網絡6、玻璃基片4和玻璃蓋片7的鍵合是采用微加工技術制作而成的，聚合物凝膠納米塞10是利用光敏聚合反應成形在微通道網絡6的預設區域。圖1描述了微納流控芯片11的制作工藝流程，主要包括光刻、顯影、腐蝕鉻和通道、超聲打孔、去膠去鉻、熱鍵合、表面改性、填充光敏聚合物溶液9、光敏聚合反應、抽出溶液。圖3為所用倒置熒光顯微鏡平臺結構示意圖，顯微鏡的汞燈下光源19為光敏聚合反應生成聚合物凝膠納米塞10提供激發光源，顯微鏡的照明上光源12、目鏡14、微動平臺13等為實現聚合物凝膠納米塞10的定位和實時觀測提供了便利，碼盤式分光機構17保證了光敏聚合反應激發光的單色性。圖4為微納流控芯片11用于富集實驗的富集效果示意圖。根據本發明制作的微納流控芯片11材質可以是玻璃，也可以是其他透光性好的聚合物，聚合物凝膠納米塞10可以采用多種光敏聚合物制造，下面以在玻璃微流控芯片上成形聚丙烯酰胺材質的聚合物凝膠納米塞為例說明具體實施方式
，如圖1所示1.光刻在光刻機平臺上，利用掩膜板I實現玻璃基片4的光刻。2.顯影采用顯影工藝，將掩膜板上微通道網絡圖形復制到光刻膠層2上。3.腐蝕鉻和通道以光刻膠層2為掩膜腐蝕鉻層3，將微通道網絡圖形復制到鉻層3上，以鉻層3為掩膜腐蝕玻璃基片4，將微通道網絡圖形復制到玻璃基片4上，腐蝕液為5HF :1OHNO3 :85H20 (體積比)。4.超聲打孔在微通道網絡6末端采用超聲打孔技術制作儲液池(A、B、C、D)。5.去膠去鉻采用去膠液和硝酸鈰銨溶液分別將玻璃基片4上的光刻膠層2和鉻層3去除。6.熱鍵合采用熱鍵合技術實現玻璃基片4和玻璃蓋片7的鍵合。7.表面改性為提高聚合物凝膠納米塞10與微通道網絡6之間結合力，采用親和硅烷8對微通道網絡6進行表面處理，促使聚合后的聚合物凝膠納米塞10共價結合在硅烷化的微通道網絡6壁上。8.填充光敏聚合物溶液9 ①配置光敏聚合物溶液9 :聚合物溶液包含1. 2X 10_5g/mL的核黃素，O. lg/mL的丙烯酰胺/雙丙烯酰胺(質量比19:1)，0. 125% (體積分數)的TEMED (N, N，N’，N’ -四乙基甲二胺)和 IxTE 緩沖液(10mmol/L Tris-HCl, lmmol/L EDTA，ρΗ=8· O)。②填充光敏聚合物溶液9 :將配置好的光敏聚合物溶液9填充到儲液池A、B、C中，在毛細作用下，光敏聚合物溶液9逐漸充滿微通道網絡6。9.光敏聚合反應①曝光光束特性調節如圖3所示，將顯微鏡汞燈下光源19打開，調整碼盤式分光機構17,根據聚合物光敏特性選擇碼盤式分光機構17內置的曝光濾光片，光的波長為340-380nm，調節擴束調節器18控制曝光光斑的大小，光斑可小至50微米，調整好后，關閉碼盤式分光機構17上的光闌，暫時切斷汞燈下光源19。②聚合物凝膠納米塞10定位將充滿光敏聚合物溶液9的微納流控芯片11放置在倒置熒光顯微鏡微動平臺13上，打開倒置熒光顯微鏡的照明上光源12進行觀測，并調節顯微鏡微動平臺調節器20和焦距調節器15，調整長工作距離物鏡16與微納流控芯片11之間的距離，通過目鏡14確定聚合物凝膠納米塞10的預設區域。③聚合物凝膠納米塞10的形成關閉照明上光源12，打開碼盤式分光機構17上的光闌，接通汞燈下光源19，進行光敏聚合反應，曝光時間5分鐘，在曝光位置形成聚合物凝膠納米塞10，最后關閉汞燈下光源19。10.抽出溶液放置片刻，待固化完全后，利用真空泵將殘余光敏聚合物溶液9抽出，用去離子水清洗后得到具有聚合物凝膠納米塞10的微納流控芯片11。應用例利用本發明制作的微納流控芯片11，可以進行痕量樣品富集1.采用FITC熒光溶液(濃度為ΙΟηΜ/L)填充微納流控芯片11的微通道網絡6和儲液池(A、B、C、D)；2.在儲液池A和B中插入電極并接電源負極21，在儲液池C和D中插入電極并接電源正極23，正極23和負極21的電壓差為80V，在聚合物凝膠納米塞10負極端，熒光信號強度顯著增強，而正極端熒光信號顯著減弱，如圖4所示，富集持續時間不低于10分鐘，經利用配置好的標準溶液標定和對比，熒光離子負極富集倍率最高可達500倍，與第一發明申請人之前研制的平板式的富集微納流控芯片(申請號CN200910307123. 9)相比，由于聚合物凝膠納米塞的比表面積的增加，富集現象更穩定。
權利要求
1.一種利用倒置熒光顯微鏡制造微納流控芯片的方法，其特征包括以下步驟， (1)制作玻璃材質的微流控芯片； (2)采用親和硅烷處理微流控芯片的微通道表面，將配置好的光敏聚合物溶液由儲液池填充到微通道網絡； (3)通過調節倒置熒光顯微鏡的微動平臺位置，并結合目鏡觀測，確定聚合物凝膠納米塞預設區域； (4)根據聚合物光敏特性選擇碼盤式分光機構內置的曝光濾光片，光束的波長在340-380nm，光束的帶寬不大于10nm，保證激發光敏聚合反應曝光光束的單色性； (5)通過調節倒置熒光顯微鏡的擴束調節器控制倒置熒光顯微鏡聚焦光斑大小，進而控制聚合物凝膠納米塞的尺寸，利用倒置熒光顯微鏡的共焦光路使光斑直徑小于50 μ m ; (6)通過安裝在擴束調節器插板上的濾光片控制倒置熒光顯微鏡聚焦光斑強度，通過倒置熒光顯微鏡曝光時間確定光敏聚合反應時間，獲得具有微納復合結構的微納流控芯片。
全文摘要
本發明提供了一種利用倒置熒光顯微鏡制造微納流控芯片的方法。利用濕法腐蝕、超聲打孔、熱鍵合等技術制造玻璃材質微流控芯片，通過毛細作用將光敏聚合物溶液由儲液池填充到微通道網絡，調整倒置熒光顯微鏡的微動平臺定位聚合物凝膠納米塞區域，利用倒置熒光顯微鏡的擴束調節環和碼盤式分光機構，將波長為340-380nm的光聚焦到微通道內聚合物凝膠納米塞區域，實現可控的光敏聚合反應形成聚合物凝膠納米塞，獲得具有微納復合結構的微納流控芯片，此類芯片可用于溶液中痕量物質富集。本方法操作靈活、可控性好，不需要納米模具、納米掩膜、高精度光刻機等昂貴耗材與設備，就能在微通道網絡的預設區域制造出具有納米孔隙的聚合物凝膠納米塞。
文檔編號B01L3/00GK102974412SQ20121055882
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者徐征, 王俊堯, 李永奎, 劉軍山, 劉沖, 杜立群, 王立鼎 申請人:大連理工大學