一種基于液體模塑法的pdms微流控芯片制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微流控芯片的制備方法，特別是一種基于液體模塑法的PDMS微流控芯片制備方法，屬于微流控芯片領域。
【背景技術】
[0002]微流控芯片又稱為芯片實驗室，是微全分析系統的重要分支，通過微細加工技術將微管道、微栗、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能器件像集成電路一樣集成在一塊幾平方厘米的芯片材料(基片)上，進而制作各種微流控功能器件，如微栗、微閥、微反應器、微過濾器等，用于控制流體運動，以實現一定的生物化學分析功能。
[0003]目前用于微流控芯片加工的材料主要包括單晶硅片、玻璃、石英和各種有機聚合物等，硅具有良好的化學惰性和熱穩定性，但卻存在著易碎、價格偏高、不透光等缺點，因此在微流控芯片的應用中受到限制；玻璃和石英材料雖然具有很好的電滲性質和光學性質，可采用標準的蝕刻工藝加工，但加工成本較高，封接難度較大。近年來，PDMS等聚合物材料因其具有成本低，化學性質穩定，加入固化劑后易制得具有模具結構的微流道，同時便于加工和封裝，正逐漸成為應用最廣泛的聚合物材料。
[0004]20世紀90年代末產生了一種新的微圖形復制技術，該技術用彈性模代替了光刻中使用的硬模產生微形狀和微結構，被稱為軟光刻技術，后來，軟光刻泛指非傳統光刻工藝制作陽模的工藝。軟光刻工藝是一類將為圖形轉印到一個基底表面上的工藝集合，軟光刻的關鍵是制備彈性模印章，但這種工藝十分依賴光刻類微加工，要獲得所需的微通道，需要首先利用光刻工藝構建出相應圖形的陽模或模板，通過澆鑄可固化的聚合物，或者通過熱壓膜或壓紋工藝，使該聚合物的表面圖形化。軟光刻技術制備PDMS微流控芯片陽模的方法主要包括:精密機械加工法、掩模光刻法、激光直接成型法、光刻掩模液膜法、打印掩模液模法、固體印刷法、石墨打印法、打印收縮法、刻蝕銅板模具法、石蠟打印法。但是這些方法仍有許多局限性，存在著制備過程繁瑣、設備成本高等問題。例如精密機械加工法需要昂貴的精密加工設備，同時轉印過程中高聚物與鋁材結合面容易變形；激光直接成型法需要昂貴的飛秒激光器，并且難以實現大面積的PDMS微結構制作；以石墨打印法制備PDMS陽模的方法中存在著微流道邊緣與表面較粗糙的缺點。
【發明內容】
[0005]鑒于現有微流控芯片制備方法具有制備過程復雜，設備要求高、成本高，流道表面不光滑等等缺點，本發明的目的是提供一種簡單、流道表面光滑和具有低深寬比的PDMS微流控芯片制備方法。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的:一種基于液體模塑法的PDMS微流控芯片制備方法，采用液滴微噴射技術制備PDMS微流控芯片所需液體陽模，采用液滴微噴射法將甘油水溶液按所需陽模形狀微噴射到蓋玻片基底表面的親水涂層上，形成PDMS微流控芯片所需的液體陽模，然后將PDMS液體沉積到微流控芯片陽模上，固化處理后，將固化的PDMS彈性體與蓋玻片分離，得到PDMS微流控芯片負模，經過打孔、清洗工藝后將PDMS微流控芯片負模與潔凈的玻璃基底進行鍵合，即制得PDMS微流控芯片。
[0007]具體包括以下步驟:
[0008]第I步、蓋玻片基底親水涂層的制備
[0009]1.1對蓋玻片基底進行潔凈處理；
[0010]1.2在潔凈處理的蓋玻片基底表面制備親水涂層；
[0011 ] 第2步、PDMS微流控芯片液體陽模的制備
[0012]2.1制備內構雙錐形玻璃微噴嘴；
[0013]2.2驅動內構雙錐形玻璃微噴嘴，將甘油水溶液按所需陽模形狀微噴射到蓋玻片基底表面的親水涂層上，從而制得PDMS微流控芯片液體陽模；
[0014]第3步、PDMS微流控芯片的制備
[0015]3.1向制得的PDMS微流控芯片液體陽模上均勻、緩慢沉積PDMS液體，待PDMS液體沒過PDMS微流控芯片液體陽模后進行固化處理，得到PDMS微流控芯片負模，將其從蓋玻片基底表面揭下，并清除負模內殘余的甘油水溶液，然后對PDMS微流控芯片負模進行打孔，從而得到PDMS微流控芯片的進出液口 ；
[0016]3.2將打孔后的PDMS微流控芯片負模與潔凈的玻璃基底進行鍵合，即制得PDMS微流控芯片。
[0017]其中，1.1步中，所述的蓋玻片基底分別采用濃硫酸、丙酮和去離子水進行潔凈處理。
[0018]1.2步中，所述的親水涂層采用二氧化鈦溶液進行制備，二氧化鈦的濃度為
0.2w%? 0.02w%o
[0019]2.1步中，所述的內構雙錐形玻璃微噴嘴毛細管外徑為1mm，內徑為600 μ m，微噴嘴出口內徑為60?120 μ m。
[0020]2.2步中，所述的甘油水溶液的質量濃度為30v%。
[0021]2.2步中，微噴射工藝通過協同控制液滴微噴射控制參數與三維工作臺運動參數實現，其中，液滴微噴射控制參數包括壓電致動器的驅動電壓波形、驅動電壓幅值和驅動頻率，壓電致動器的驅動電壓波形為陡升緩降波形，驅動頻率設定為2Hz，驅動電壓幅值變化范圍為20?80V ;三維工作臺運動參數包括液滴的重疊率、工作臺運動圖形，液滴的重疊率變化范圍為30%?70%。
[0022]3.1步中，所述的PDMS液體由PDMS彈性體與固化劑按5:1質量比均勻混合得到，固化處理的溫度為60°C，時間為10h。
[0023]與現有技術相比，本發明的優點是:
[0024](I)本發明采用提拉法在二氧化鈦水溶液中制備蓋玻片基底親水涂層，制備的親水涂層分布均勻，親水性能優良。親水涂層制備過程簡單、快速，制備成本低廉。
[0025](2)本發明的PDMS微流控芯片液體陽模制備過程只需一步，成本低廉，無需特定的模版，且可制備任意圖形的PDMS微流控芯片液體陽模。
[0026](2)本發明采用甘油水溶液作為PDMS微流控芯片陽模制備材料，將甘油水溶液按需微噴射到潔凈的蓋玻片基底上，甘油水溶液在液體表面張力的影響下形成PDMS微流控芯片陽模。采用甘油水溶液可制作具有低深寬比且微流道形貌光滑的PDMS微流控芯片。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明第一步中PDMS微流控芯片液體陽模的液滴微噴射制備系統示意圖。
[0028]圖2是本發明第二步中PDMS微流控芯片制備過程示意圖。
[0029]I微噴嘴調節架；2第一連接件；3壓電致動器；4內構雙錐形玻璃微噴嘴夾持器；5第二連接件；6內構雙錐形玻璃微噴嘴；7甘油水溶液；8數碼顯微鏡；9 二維工作臺；10蓋玻片基底；11親水涂層；12PDMS微流控芯片液體陽模；13PDMS彈性體；14PDMS微流控芯片負模；15PDMS微流控芯片進出液口 ；16PDMS微流控芯片玻璃基底
【具體實施方式】
[0030]本發明中，液滴微噴射是通過以脈沖慣性力為主動力，克服內構雙錐形玻璃微噴嘴(參見博士論文《數字化液滴微噴射技術及其在印制電子中的應用研究》)內液體的粘性力實現的。所述的脈沖慣性力可用多種方式產生，由于壓電器件具有電壓-位移動態響應好、響應頻率高等特點，可作為整體驅動器置于微噴嘴外部產生脈沖慣性力，故本發明脈沖慣性力由壓電致動器提供。圖1所示為液滴微噴射制備系統示意圖，首先將壓電致動器3和所需內構雙錐形玻璃微噴嘴6由第一連接件2、第二連接件5連接到微噴嘴調節架I上，通過調節架I改變內構雙錐形玻璃微噴嘴6與蓋玻片基底10的距離。調節數碼顯微鏡8的放大倍數和焦距，使得內構雙錐形玻璃微噴嘴6和蓋玻片基底10可以清晰的在計算機屏幕上顯示出來。圖2所示為PDMS微流控芯片制備過程示意圖，首先采用提拉法在潔凈的蓋玻片基底10上制備親水涂層11。然后采用液滴微噴射技術在親水涂層11上制備出PDMS微流控芯片液體陽模12。隨后在PDMS液體陽模12上緩慢、均勻沉積PDMS彈性體13，待PDMS彈性體13固化處理后，將其從蓋玻片上揭下，得到PDMS微流控芯片負模14，并采用微打孔工藝打出PDMS微流控芯片進出液口 15。最后將得到的PDMS微流控芯片負模14與玻璃基底16進行鍵合，即制得PDMS微流控芯片。
[0031]所述的內構雙錐形玻璃微噴嘴6采用玻璃冷熱加工工藝制得，首先采用激光微針/微電極拉制儀(Sutter P-97/P-2000，美國Sutter)將毛還外徑為1.0mm、內徑為0.6mm的硼硅酸鹽玻璃毛細管拉斷成微針，然后采用鍛針儀(MF-900，日本Narishige)將微針在合適的尺寸位置截斷并將出口鍛制成內構雙錐形，最后制備的出口內徑可變范圍為60?120