专利名称：一种基于水凝胶的聚合物微流控芯片的溶剂封装方法
技术领域：
本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种聚合物微流控芯片的溶剂封装方法。
背景技术：
微流控芯片是微全分析系统领域的研究热点，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为主要应用和研究对象。微流控芯片把通常实验室内采样、 稀释、加试剂、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几个平方厘米大的芯片上，自动完成分析全过程，已经发展成为一个崭新的研究领域。自从瑞士 Ciki-Geigy公司的Manz 和Widmer [1]首次提出微型全分析系统(μ-TAS)以来，微流控芯片就以其高效、快速、试剂用量少、低耗以及集成度高等优点引起了国内外有关专家的广泛关注，在其方法学研究迅速发展的基础上，微流控芯片在生物医学研究、临床诊断、药物分析、环境监测、法医和军事等领域显示了良好的应用前景[2-4]。目前，微流控芯片主要使用玻璃和聚合物进行加工W]，其中玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，每片芯片需要单独刻蚀，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是，近年来聚合物被芯片得到了发展，其制作主要采用压印、注塑、浇铸和单体注模原位聚合等技术，因为价格低廉和容易大批量生产，具有良好的产业化前景，其中有机玻璃、聚碳酸酯和聚苯乙烯是微流控芯片制作中较常用的聚合物[5]。聚合物微流控芯片由带有通道的基片和盖片通过封装制备，通常采用普通热压封装，即在高于聚合物玻璃化温度的条件下，通过加压力使微流控芯片基片和盖膜粘合成芯片。缺点为在高于玻璃化温度时，微流通道变形大，且容易堵塞，成为限制聚合物芯片投入生产和应用的瓶颈[5]。另外一种常用的聚合物微流控芯片封装技术是溶剂封装，但由于溶剂直接施加在聚合物微流控芯片基片和盖片间，会导致微流控芯片通道的变形和堵塞，造成封装失败，导致封装成功率较低。于是，我们设想到将热可逆水凝胶先填充到需要封装的聚合物微流控芯片通基片道内，然后将聚合物微流控芯片与盖片用溶剂进行封装，由于水凝胶的保护，通道不与溶剂直接接触，所以通道在封装过程中的变形和堵塞问题获得了解决。封装完毕后，通道内的水凝胶可以用热水加热熔化后洗去。本发明建立的基于水凝胶的聚合物微流控芯片溶剂封装方法具有操作简便和成本低廉的优点，可在室温下进行。由于使用了水凝胶保护层，溶剂封装过程中微流通道变形小，废品率低，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工方面有良好的应用前景。参考文献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。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可避免通道变形和堵塞，封装成功率高的聚合物微流控芯片的溶剂封装方法。已经通过数控机械雕刻机在聚合物板上加工好带有开口通道的微流控芯片基片， 其中通道结构由计算机辅助设计软件设计。本发明提出的聚合物微流控芯片溶剂封装方法，是使用琼脂等热可逆性水凝胶，在其受热成为液态的状态下，注入聚合物微流控芯片基片的通道中，使其冷却成为水凝胶保护层，然后进行溶剂封装。由于水凝胶含有大量水分， 不溶于封装用有机溶剂，可有效防止封装过程中通道与溶剂的接触，解决了通道在封装过程中的变形和堵塞问题，大幅提高了封装成功率，对于聚合物微流控芯片的批量加工具有重要意义。本发明方法的具体步骤为
(1)将硅橡胶片盖在聚合物微流控芯片基片有开口通道的一面上，通过负压将熔化的水凝胶溶液吸入通道内，然后冷却到室温，在通道内形成水凝胶保护层；
(2)移去硅橡胶片，将一片与基片同样材质的盖片盖在基片上有水凝胶覆盖通道的一面上，通过毛细管作用吸入有机溶剂，使有机溶剂布满盖片与基片间的缝隙，然后在基片和盖片上加压一定时间，完成芯片溶剂封装；
(3)然后，对封装后通道内的水凝胶加热，使其熔化，再通过热水压出水凝胶，并清洗，即得聚合物微流控芯片成品。本发明中，聚合物微流控芯片的通道深度为10-500微米，底部宽度25-200，上部宽度为100-500微米。本发明中，聚合物微流控芯片的材料可为有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯等溶剂可溶性高聚合物。本发明中，在聚合物微流控芯片基片通道的末端的位置钻有直径为1-3毫米的圆形小孔，用于进样和收集反应产物。本发明中，所使用的水凝胶材料可为琼脂或明胶等，且制备的水凝胶有热可逆性。 其中，琼脂水凝胶溶液的配方为琼脂0. 1_5%，水余量；明胶水凝胶溶液的配方为明胶 0. 5-5%，水余量。本发明中，步骤(1)熔化水凝胶的水浴温度控制在60-80 °C，通道中熔融水凝胶的冷却凝固成形温度，对琼脂水凝胶和明胶水凝胶而言，控制在15-30 °C。冷却凝固时间为 1-5分钟。本发明中，步骤(2 )使用的溶剂将根据聚合物的不同进行选择，对于有机玻璃可以使用二氯乙烷、乙腈或乙酸乙酯等，对于聚苯乙烯可选择甲苯、二甲苯、二氯乙烷或乙腈等， 对于聚碳酸酯可以选择二氯乙烷、四氢呋喃、甲苯或二甲苯等。本发明提出的基于水凝胶的聚合物微流控芯片溶剂封装方法，具体操作进一步详述如下
采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，典型的设计如附图1所示，包括分离通道2、进样通道6和溶液连接孔1，3，4和5 ；将设计的图形用数控机械雕刻机雕刻到聚合物片表面得微流控芯片基片。根据需要选用不同尖端宽度和角度的调刻刀，用高速无刷电机驱动以M000转/分进行雕刻，以获得不同尺寸的通道，采用本方法可加工的通道深度为10-500 微米，底部宽度25-200微米，上部宽度100-500微米。在微流控芯片基片通道末端的位置上钻直径为1-3毫米的圆形小孔，用于进样和收集反应产物。本发明主要采用琼脂和明胶两种高分子材料分别制备用于聚合物微流控芯片溶剂封装用热可逆水凝胶。琼脂水凝胶的配方为琼脂琼脂0. 1_5%，水余量；明胶水凝胶的配方明胶0. 5-5%，水余量。此外，淀粉也可用于热可逆性水凝胶的制作。按照上述配方， 先将配方量的高分子材料如琼脂或明胶加入水中，直接加热到沸腾并不断搅拌直至完全溶解，冷却到室温可得热可逆水凝胶。溶剂封装前先将琼脂水凝胶和明胶水凝胶置于温度为60-80°C的水浴中熔化。如附图2所示，将一片硅橡胶片8盖在聚合物微流控芯片基片7有开口通道的一面上，通过负压将熔化的高分子水凝胶溶液吸入通道内，冷却到室温后在通道内形成凝水胶保护层9，移去硅橡胶8后，将一片同样材质的盖片10盖在基片上有水凝胶覆盖通道的一面上，通过注射器11在两片间的缝隙滴加有机溶剂，通过毛细作用使溶剂充满缝隙，然后在基片和盖片上通过两片玻璃片12施加压力13后完成溶剂封装。由于有水凝胶层的保护，溶剂不与基片通道直接接触。最后，将封装后芯片置于50-70°C的水浴中熔化，用压力将通道内的水凝胶压出，并用热水清洗干净，得聚合物微流控芯片成品14。本发明巧妙的将在有机溶剂中不溶解的热可逆水凝胶填充到聚合物微流控芯片基片通道内，构成牺牲性保护层，防止封装过程中溶剂与通道的接触，待封装完毕后，通过加热将水凝胶除去。本发明建立的聚合物微流控芯片溶剂封装技术具有操作简便和成本低廉的优点，由于使用了水凝胶保护层，溶剂封装过程中微流通道变形小，封装成功率高，可用于聚合物微流控芯片的批量低成本加工。
图1为本发明涉及的典型聚合物微流控芯片设计图。图2为本发明中基于水凝胶的聚合物微流控芯片溶剂封装流程图。图3为本发明中有机玻璃微流控芯片基片封装前(A)和封装后(B)通道端面的扫描电子显微镜图片，放大倍数为100倍。图4为使用本发明封装技术制备的有机玻璃微流控芯片与电导检测技术联用电泳分离和检测1 mM钾(a)、钠(b)和锂离子的标准混合溶液的电泳图谱。图中标号1为样品溶液孔，2为分离微流通道，3、4和5均为缓冲溶液孔，6为进样通道，7为微流控芯片基片，8为硅橡胶片，9为水凝胶，10为微流控芯片盖片，11为注射器， 12为玻璃片，13为外压，14为封装后的微流控芯片成品。
具体实施例方式下面通过实施例和附图进一步描述本发明
1、基于琼脂水凝胶的有机玻璃微流控芯片溶剂封装方法
采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，典型的微流控芯片(75毫米X 16毫米)设计如附图1所示，由分离通道2、进样通道6和溶液连接孔1，3，4和5构成，数控机械雕刻机将根据设计图将设计雕刻到1毫米厚有机玻璃片(75 mm X 16 mm)表面得微流控芯片基片。选用尖端宽度为150微米和角度为30度的刻刀，用高速无刷电机驱动以24000转/ 分进行雕刻，加工的通道尺寸为通道深度为95微米，底部宽度150微米，上部宽度200微米。其中主通道2长66 mm,进样通道6长10 mm，其中主通道2和进样通道6交叉点到最近的三个溶液连接孔1、4和5的距离均为5 mm。在微流控芯片基片通道末端的位置上钻直径为2毫米的圆形小孔，用于进样和收集反应产物。本实施例采用琼脂制备用于有机玻璃微流控芯片溶剂封装用热可逆水凝胶，琼脂水凝胶的配方为琼脂琼脂0.5%，水余量。制法为先将配方量的琼脂加入水中，直接加热到沸腾并不断搅拌直至完全溶解，冷却到室温可得热可逆水凝胶。溶剂封装前先将琼脂水凝胶于温度为70°C的水浴中熔化。如附图2所示，将一片硅橡胶片8 (75 mm X 16 mm X 2 mm)盖在有机玻璃微流控芯片基片7有开口通道的一面上，通过负压将熔化的琼脂水凝胶溶液吸入通道内，冷却到室温2分钟后在通道内形成琼脂水凝胶保护层9。移去硅橡胶8后，将一片有机玻璃盖膜10 (75 mm X 16 mm X 75 μπι)盖在基片上有琼脂水凝胶覆盖通道的一面上，通过注射器11在两片间的缝隙滴加有机溶剂二氯甲烷300 μ L，通过毛细作用使溶剂充满缝隙，然后在基片和盖片上通过两片玻璃片12 (76. 2 mm X25. 4 mm X 1. 2 _)施加压力13 (、· 2 kg/cm2)后完成溶剂封装。 由于有水凝胶曾的保护，溶剂不与基片通道直接接触。最后，将封装后芯片置于60°C的水浴中熔化，用注射器将通道内的水凝胶压出，并用热水清洗干净得有机微流控芯片成品。本发明中有机玻璃微流控芯片基片封装前(A)和封装后(B)端面的扫描电子显微镜图片见附图3所示，可见采用基于琼脂水凝胶保护层的有机玻璃微流控芯片溶剂封装效果令人满意，通道封装前后变形小。对封装的有机玻璃璃微流控芯片用显微镜检查发现，芯片通体无气泡无裂缝，获得良好封装。用显微镜观察芯片，封装前后通道未发生变形，制备的微流控芯片通道结构完整，质量令人满意。本发明制作的有机玻璃微流控芯片与0-3000 V高压直流电源和电导检测仪构成微流控芯片电导检测系统，已成功用于锂离子、钠离子和钾离子三种阳离子的电泳分离，测得的0.1 mM锂离子(a)、0. 1 mM钠离子(b)和0. 1 mM钾离子(c)的电泳图谱见附图4，测试条件为分离和进样电压为+1000 V，进样时间为2 s，缓冲溶液为20 mM硼酸-20 mM三羟甲基氨基甲烷混合溶液(PH 8.0)，电导检测波形为正弦波(频率为200 kHz，峰-峰电压幅度为5 V)。结果表明，本发明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片可在100秒内将对上述三种阳离子完全分离，高效快速，在实际样品分析中有良好的应用前景。2、基于明胶水凝胶的聚苯乙烯微流控芯片溶剂封装方法
采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，典型的微流控芯片(75毫米X 16毫米)设计如附图1所示，由分离通道2、进样通道6和溶液连接孔1，3，4和5构成，将设计图用数控机械雕刻机雕刻到1毫米厚聚苯乙烯片(75 mm X 16 mm)表面得微流控芯片基片。选用尖端宽度为150微米和角度为30度的刻刀，用高速无刷电机驱动以24000转/分进行雕刻，加工的通道尺寸为通道深度为95微米，底部宽度150微米，上部宽度200微米。其中主通道2长66 mm,进样通道6长10 mm，其中主通道2和进样通道6交叉点到最近的三个溶液连接孔1、4和5的距离均为5 mm。在聚苯乙烯微流控芯片基片通道末端的位置上钻直径为2毫米的圆形小孔，用于进样和收集反应产物。本实施例采用明胶制备用于聚苯乙烯微流控芯片溶剂封装用热可逆水凝胶，明胶水凝胶的配方为明胶1%，水余量。制法为先将配方量的明胶加入水中，直接加热到沸腾并不断搅拌直至完全溶解，冷却到室温可得热可逆水凝胶。溶剂封装前先将明胶水凝胶于温度为70°C的水浴中熔化。如附图2所示，将一片硅橡胶片8(75 mm X 16 mm X 2 mm)盖在聚苯乙烯微流控芯片基片7有开口通道的一面上，通过负压将熔化的明胶水凝胶溶液吸入通道内，冷却到室温后在通道内形成明胶水凝胶保护层9。移去硅橡胶8后，将一片聚苯乙烯盖片10(75 mm X 16 mm X 1 mm)盖在基片上有明胶水凝胶覆盖通道的一面上，通过注射器11在两片间的缝隙滴加有机溶剂二甲苯200 μ L，通过毛细作用使溶剂充满缝隙，然后在基片和盖片上通过两片玻璃片12 (76. 2 mm X 25. 4 mm X 1.2 _)施加压力13 Γθ. 2 kg/cm2)后完成溶剂封装。由于有水凝胶曾的保护，溶剂不与基片通道直接接触。最后，将封装后芯片置于60°C的水浴中熔化，用注射器将通道内的水凝胶压出，并用热水清洗干净得聚苯乙烯微流控芯片成品。通过扫描电子显微镜和显微镜检查，发现制备的苯乙烯微流控芯片通道结构完整，芯片通体无气泡无裂缝，封装质量令人满意。
权利要求
1.基于水凝胶的聚合物微流控芯片的溶剂封装方法，已在聚合物板上加工好带有开口通道的微流控芯片基片，其特征在于封装的具体步骤为(1)将硅橡胶片盖在聚合物微流控芯片基片有开口通道的一面上，通过负压将经过熔化的水凝胶溶液吸入通道内，然后冷却到室温，使熔融水凝胶冷却凝固，在通道内形成水凝胶保护层；(2)移去硅橡胶片，将一片与基片同样材质的盖片盖在基片上有水凝胶覆盖通道的一面上，通过毛细管作用吸入有机溶剂，使有机溶剂布满盖片与基片间的缝隙，然后在基片和盖片上加压一定时间，完成芯片溶剂封装；(3)对封装后通道内的水凝胶加热，使其熔化，再通过热水压出水凝胶，并清洗，即得聚合物微流控芯片成品。
2.根据权利要求1所述的溶剂封装方法，其特征在于所述聚合物微流控芯片的材料为有机玻璃、聚苯乙烯或聚碳酸酯溶剂可溶性高聚合物。
3.根据权利要求1或2所述的溶剂封装方法，其特征在于所使用的水凝胶材料为琼脂或明胶，且制备的水凝胶有热可逆性；其中，琼脂水凝胶溶液的配方为琼脂0. 1-5%，水余量；明胶水凝胶溶液的配方为明胶0. 5-5%，水余量。
4.根据权利要求3所述的溶剂封装方法，其特征在于步骤(1)中熔化水凝胶的水浴温度控制在60-80 °C，通道中熔融水凝胶的冷却凝固的温度控制在15-30 °C，冷却凝固时间为1-5分钟。
5.根据权利要求2或4所述的溶剂封装方法，其特征在于步骤(2)使用的溶剂根据聚合物微流控芯片的材料的不同进行如下选择对于有机玻璃，使用二氯乙烷、乙腈或乙酸乙酯；对于聚苯乙烯，使用甲苯、二甲苯、二氯乙烷或乙腈；对于聚碳酸酯，使用二氯乙烷、四氢呋喃、甲苯或二甲苯。
全文摘要
本发明属微流控芯片技术领域，具体为一种基于水凝胶的聚合物微流控芯片的溶剂封装方法。本发明是将硅橡胶片盖在芯片基片有开口通道的一面上，通过负压将熔化的高分子水凝胶溶液吸入通道内，然后冷却到室温，凝固形成水凝胶保护层；移去硅橡胶片，将一盖片盖在基片上有水凝胶覆盖通道的一面上，通过毛细作用使有机溶剂布满两片间的缝隙，然后在基片和盖片上加压完成溶剂封装；将封装后通道内的水凝胶加热熔化，通过热水压出并清洗，得到聚合物微流控芯片成品。本发明方法简便、成本低，溶剂封装过程中微流通道变形小，封装成品率高，可用于聚合物微流控芯片的批量加工。
文档编号B01L3/00GK102380428SQ20111028746
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者干志彬, 张鲁雁, 陈刚 申请人:复旦大学