一种微流控芯片的制备方法与流程

本发明涉及微液滴技术领域，具体涉及一种易于产生液滴的微流控芯片的制备工艺。

背景技术：

微液滴技术作为微流控芯片技术的一个重要分支是在微尺度通道内，借助于两种溶液不能互溶的本质。以其中一种溶液为分散相，以另外一种溶液为连续相，结合微流控芯片材料、微流控芯片通道的结构以及外力操控作用，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用连续相将分散相剪切成纳升级及以下体积的微小液滴的一种微纳技术。

微液滴技术的核心也是首要步骤是微液滴的产生，因此制作一种有利于产生微液滴的微流控芯片是微液滴技术的关键。微液滴的产生与微流控芯片通道的结构、亲疏水性、比表面积等性质有很大的关系。

目前改变微流控芯片通道表面润性质的技术大多采用表面涂层方法或者在处理目标中加入表面活性剂，一方面需要特殊的仪器设备，操作繁琐，成本也较高，另一方面也可能出现涂覆不均匀、涂层与微流控芯片表面结合强度低的情况。而采用表面涂层、引入表面活性剂来改变微流控芯片通道润湿性的方法，需要引入化学试剂，存在试剂污染问题、为后续应用带来干扰。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种工艺简单、不存在试剂污染、且能有效产生微小液滴的微流控芯片制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）基片的制备：在原料液态高分子材料和固化剂中加入碳纳米材料，进行基片的制备；

（2）盖片的制备：在原料液态高分子材料和固化剂中加入碳纳米材料，进行盖片的制备；

（3）微流控芯片的制备：将步骤（1）中制备得到的基片和步骤（2）中制备得到的盖片键合即得所述微流控芯片；

其中，步骤（1）中的碳纳米材料选用石墨烯、碳纳米管、碳量子点中的一种或多种混合；步骤（2）中的碳纳米材料选用石墨烯、碳纳米管、碳量子点中的一种或多种混合；步骤（1）制得的基片中，碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；步骤（2）制得的盖片中，碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%。

进一步的，步骤（1）中基片的制备可采用模塑法、热压法、liga技术或激光烧蚀法；步骤（2中）盖片的制备可采用模塑法、热压法、liga技术或激光烧蚀法。

基片和盖片的制备可采用模塑法进行制备，具体步骤如下：

（1）基片的制备：取质量比为10:1的pdms前体和固化剂，搅拌均匀，向其中加入碳纳米材料，搅拌均匀，经脱气、浇注、固化和脱模，制备得到具有微通道的基片；所述基片中，碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；

（2）盖片的制备：取质量比为10:1的pdms前体和固化剂，搅拌均匀，向其中加入碳纳米材料，搅拌均匀，经脱气、浇注、固化和脱模，制备得到盖片；所述盖片中，碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%。

（3）微流控芯片的制备：将步骤（1）中制备得到的基片和步骤（2）中制备得到的盖片键合即得所述微流控芯片。

基片和盖片的制备可采用热压法进行制备，具体步骤如下：

（1）基片的制备：取pmma前体和引发剂溶于dmf中，制得均一的pmma/dmf溶液，将碳纳米材料溶于dmf溶液，得到均一的碳纳米材料/dmf溶液，将pmma/dmf溶液，和碳纳米材料/dmf溶液混合后倒入表面皿中，待溶剂挥发干净，pmma/碳纳米材料固化成型后，再经热压法制备具有微通道的基片；所述基片中碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；

（2）盖片的制备：：取pmma前体和引发剂溶于dmf中，制得均一的pmma/dmf溶液，将碳纳米材料溶于dmf溶液，得到均一的碳纳米材料/dmf溶液，将pmma/dmf溶液，和碳纳米材料/dmf溶液混合后倒入表面皿中，待溶剂挥发干净，pmma/碳纳米材料固化成型后，即可制得盖片；所述盖片中碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；

（3）微流控芯片的制备：将步骤（1）中制备得到的基片和步骤（2）中制备得到的盖片键合即得所述微流控芯片。

基片和盖片的制备工艺和原料选取均可不同，具体步骤如下：

（1）基片的制备：取pmma前体和引发剂溶于dmf中，制得均一的pmma/dmf溶液，将碳纳米材料溶于dmf溶液，得到均一的碳纳米材料/dmf溶液，将pmma/dmf溶液，和碳纳米材料/dmf溶液混合后倒入表面皿中，待溶剂挥发干净，pmma/碳纳米材料固化成型后，再经热压法制备具有微通道的基片；所述基片中碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；

（2）盖片的制备：取质量比为10:1的pdms前体和固化剂，搅拌均匀，向其中加入碳纳米材料，搅拌均匀，经脱气、浇注、固化和脱模，制备得到盖片；所述盖片中碳纳米材料的含量为0.005wt%~0.1wt%；

（3）微流控芯片的制备：将步骤（1）中制备得到的基片和步骤（2）中制备得到的盖片键合即得所述微流控芯片。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过在基片和盖片成型前的原料中加入碳纳米材料，使碳纳米材料与高分子微流控芯片混为一体，结合强度高，大大改变了微流控芯片表面微观结构及表面功能性质。由于碳纳米材料具有很强的疏水性和超高的比表面积，因此当水为分散相时，碳纳米材料的加入更易于液滴的形成。

2、本发明采用在高分子聚合物作为微流控芯片的主要材料，具有能用模塑法高保真地复制微流控芯片、耐用、具有一定的化学惰性、操作简单、价格便宜、无毒等优点，非常适合于大批量制作一次性微流控芯片。并且高分子聚合物具有良好的光学性质，以便于后续的检测应用。

3、本发明微流控芯片的制备工艺简单，易于操作、方便快速，极大的简化了操作步骤，节约了实验时间。且整个制备过程中无需引入表面活性剂等化学试剂，避免试剂污染，绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例1至3中采用碳纳米材料改性后制备得到的微流控芯片的制备流程图；

图2为本发明采用碳纳米材料改性后制备得到的微流控芯片的实验效果图；

图3为未加入碳纳米材料进行改性的常规微流控芯片的实验效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）加入碳纳米材料：向步骤（1）中的烧杯中加入石墨烯，使其含量为0.005wt%，搅拌均匀。

（3）脱气：将步骤（2）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（4）浇注：取出步骤（3）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（5）固化：将步骤（4）中的容器放入40℃烘箱加热2h，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（6）盖片制作：按照步骤1~3的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（5）固化。

（7）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm，处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得本发明微流控芯片。

对比实施例1

采用常规工艺未进行碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）脱气：将步骤（1）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（3）浇注：取出步骤（2）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（4）固化：将步骤（3）中的容器放入40℃烘箱加热2h，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（5）盖片制作：按照步骤1~2的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（4）固化。

（6）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm，处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得对比例微流控芯片。

效果对比实施例

取实施例1和对比实施例1制备得到的分别进行实验，实验选择硅油为连续相，罗丹明b染色剂为分散相。两次实验的连续相和分散相没有任何变化，实验采用微量注射泵驱动流体进入微通道，各微量注射泵的流量相同。连接分支入口的微量泵流量为0.1~0.6μl/m，连接连续相入口的微量注射泵流量为1~2μl/m。实验结果为实施例1中加入碳纳米材料的微流控芯片可产生单一、均匀分散的液滴，而对比实施例1中未加入碳纳米材料的微流控芯片无法产生液滴。实验结果如图2、图3所示。

根据实验效果图2、3可以看出本发明采用的微流控芯片制备工艺，有效地促进了微液滴的生成，且操作简便。

对比实施例2

采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺如下：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）加入碳纳米材料：向步骤（1）中的烧杯中加入石墨烯，使其含量为0.004wt%，搅拌均匀。

（3）脱气：将步骤（2）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（4）浇注：取出步骤（3）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（5）固化：将步骤（4）中的容器放入40℃烘箱加热2h，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（6）盖片制作：按照步骤1~3的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（5）固化。

（7）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm，处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得对比例微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片无法产生液滴，效果同效果对比实施例中图3所示。

对比实施例3

采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺如下：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）加入碳纳米材料：向步骤（1）中的烧杯中加入石墨烯，使其含量为0.110wt%，搅拌均匀。

（3）脱气：将步骤（2）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（4）浇注：取出步骤（3）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（5）固化：将步骤（4）中的容器放入40℃烘箱加热2h，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（6）盖片制作：按照步骤1~3的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（5）固化。

（7）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm，处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得对比例微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片由于碳纳米材料含量过高，不易观察其液滴形成，且高含量的碳纳米材料增加了微流控芯片的成本，不建议采用。

实施例2

如图1所示，本发明采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）加入碳纳米材料：向步骤（1）中的烧杯中加入碳纳米管、石墨烯和碳量子点使其含量均为0.005wt%，搅拌均匀。

（3）脱气：将步骤（2）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（4）浇注：取出步骤（3）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（5）固化：将步骤（4）中的容器放入75℃烘箱加热1h，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（6）盖片制作：按照步骤1~3的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（5）固化。

（7）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm,处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得本发明微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片可产生单一、均匀分散的液滴，效果同效果实施例中图2所示。

实施例3

如图1所示，本发明采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺：

（1）称量：称取质量比为10:1的pdms前体和固化剂于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。

（2）加入碳纳米材料：向步骤（1）中的烧杯中加入碳量子，使其含量为0.1wt%，搅拌均匀。

（3）脱气：将步骤（2）的烧杯放入真空干燥箱，打开真空泵，使烧杯中的pdms不溢出，直至pdms内的空气排净。

（4）浇注：取出步骤（3）的pdms液体浇注在芯片阳模上，为了防止pdms液体流出，预先把芯片阳模放置在带凹槽的容器中。浇注时注意从中间向周围浇注，避免产生气泡。

（5）固化：将步骤（4）中的容器放入90℃烘箱加热20min，刚开始加热10min后取出，观察有无气泡，有气泡用针扎破后继续放入烘箱加热。

（6）盖片制作：按照步骤1~3的方法，将排空好的pdms液体浇注在洁净空白的培养基上，同步骤（5）固化。

（7）键合：将从阳模揭下的基片与从洁净培养皿上揭下来的盖片的键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm,处理时间1min。并在1min钟内将键合的两面贴合、压紧，放入100℃烘箱加热1h，即得本发明微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片可产生单一、均匀分散的液滴，效果同效果实施例中图2所示。

实施例4

本发明采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺如下：

（1）称量：称取适量的pmma前体和引发剂（其比例根据常规工艺进行选择即可）溶于二甲基甲酰胺（dmf）中，得到均一的pmma/dmf溶液。

（2）加入碳纳米材料：将占原料总量0.005wt%的石墨烯（go）溶于dmf中，制得go/dmf溶液加入步骤（1）的pmma/dmf溶液中，搅拌均匀，制得go/pmma/dmf溶液。

（3）go/pmma复合材料固化：将步骤（2）中的go/pmma/dmf溶液倒入表面皿中，并在45℃电热板上加热2d，待dmf溶液缓慢挥发干净后即得到固化的go/pmma复合材料。

（4）基片制作：利用热压法制备具有微通道的pmma基片。具体步骤为在热压装置中将pmma基片加热到106℃，通过在阳模上施加一定压力（4英寸面积加力20~30kn）,并保持30~60s,然后在加压条件下，将阳模和基片一起冷却脱模，制得带有微通道的pmma基片。

（5）盖片制作：按照步骤1~3的方法，制备go/pmma复合材料盖片。

（6）键合：将带有微通道的pmma基片与步骤（5）中的盖片贴合压紧，放置于105℃烘箱内保温5min,即可制得go/pmma复合材料微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片可产生单一、均匀分散的液滴，效果同效果实施例中图2所示。

实施例5

本发明采用碳纳米材料改性的微流控芯片制备工艺如下：

（1）基片制作：选择实施例4中制备带有通道的go/pmma复合材料基片。

（2）盖片制作：选择实施例3中制备的cqds/pdms复合材料盖片。

（3）键合：将步骤（5）中的盖片键合面向上，调整实验室电晕处理器电压，使电极处产生紫色电晕，距离微流控芯片4~5mm,处理时间1min。并在1min钟内将电晕处理后的盖片与带有微通道的pmma基片贴合、压紧，放入75℃烘箱加热10min，即得基片为go/pmma复合材料，盖片为cqds/pdms复合材料的微流控芯片。

采用上述步骤制备得到的微流控芯片可产生单一、均匀分散的液滴，效果同效果实施例中图2所示。