具有取样探针的微流控芯片及制备方法

专利名称：具有取样探针的微流控芯片及制备方法
技术领域：
本发明涉及微流控芯片分析领域，特别及涉及一种一体化探针式微流控芯片及制备方法。
背景技术：
微流控芯片分析技术自20世纪90年代初兴起以来，就以微型、快速、高效和高通量等特点而成为目前分析化学领域的研究热点之一。微流控分析芯片的构造一般为两片平板材料，其中一片通过微加工技术刻有细微通道网络，在任意一片上加工相应的通道进出口，然后两片平板封接在一起，形成封闭通道的芯片。
目前，在微流控芯片分析系统中大多采用固定贮液池式的方式，即在芯片通道出入口上垂直固定几个贮液池，分析前将试样和试剂溶液分别加至各个贮液池中，该分析系统最大的缺点是更换液池中的溶液时，操作步骤繁琐、费事、效率低，换液时间远远超过分析时间，严重影响了整个系统的分析速度；此外，该方式的微流控芯片分析系统大多只能采用简单的荧光等检测手段，难以与质谱等检测器直接联用。Harrison研究组(Bings N H，Wang C，SkinnerC D，Colyer C，Thibault P，Harrison D J.Microfluidic Devices Connected to Fused-SilicaCapillaries with Minamal Dead Volume，Anal.Chem.，1999，713292)提出了侧面打孔技术，实现微流控芯片与石英毛细管的耦合。何巧红等(He Q H，Fang Q，Du W B，Huang Y Z，Fang Z L.A High-Throughput Continuous Sample Introduction System for Microchip-based CapillaryElectrophoresis Using Electrokinetic Pumping，Analyst，2005，1301052)利用该技术可以将石英毛细管连接与芯片充样通道末端，以此毛细管作为取样探针，直接将外界试样引入芯片分析通道内，建立高通量芯片毛细管电泳连续试样引入系统。曹小丹等(曹小丹，方群，方肇伦.基于复合型微流控芯片的紫外检测毛细管电泳系统，高等学校化学学报，2004，251231)利用该技术建立复合型玻璃微流控芯片的毛细管电泳紫外检测系统。Zhang等(Zhang B L，Foret F，Karger.High-Throughput Microfabricated CE/ESI-MSAutamated Sampling from a MicrowellPlate，Anal.Chem.，2001，732675)利用刻蚀技术加工引导孔，实现毛细管与芯片的耦合，在芯片充样通道入口和分离通道出口处分别耦合毛细管，以此毛细管分别作为取样探针和ESI-MS的电喷雾接口，建立了高通量自动取样的微流控芯片毛细管电泳-ESI-MS检测系统。这种毛细管探针虽然解决了芯片与外界试样或检测系统的接口问题，但是，这种接管的技术难度大、成功率低，而且毛细管与芯片通道间存在一定的接口死体积，对系统的分析性能将产生较大的影响。Wang等(Chen G，Wang J.Fast and Simple Introduction for CapillaryElectrophoresis Microsystems，Analyst，2004，129507)提出了一种用于微流控芯片毛细管电泳分析的简单快速的试样引入方法，其特征是用金刚锯在芯片通道末端直接原位加工取样探针，但采用该方法仅能在芯片通道两侧进行切削加工，探针呈方形，其尖端截面较大，取样操作较困难。

发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、操作简便易行的具有取样探针的微流控芯片及制备方法。该探针不需外接毛细管加工，而是采用旋转的磨头，围绕微通道，钻磨基片形成。
本发明提供的具有取样探针的微流控芯片，包括由上片和下片构成的基片，微通道，取样探针，其特征在于所述在基片上有1个或多个与基片一体化取样探针，所述探针位于基片侧壁的微通道末端入口处，形状为圆锥形，尖端直径范围为5微米至2毫米。
本发明提供的一体化探针式微流控芯片的制备方法，切割基片形成矩形状的探针雏形后，采用旋转的磨头钻磨基片探针雏形获得，制备步骤是(1)首先对芯片探针微通道的入口端进行预先保护，以防止在加工过程中产生的玻璃碎渣进入微通道，堵塞微通道。方法是由基片探针微通道入口处引入一定体积的环氧树脂胶液体，环氧树脂胶固化后，在基片探针通道入口处形成环氧树脂“保护塞”，对基片探针微通道入口进行预先保护。
(2)用玻璃刀切割玻璃微流控基片，形成矩形状的探针雏形。
(3)通过旋转的磨头与基片接触，对矩形状的雏形探针进行钻磨，形成圆锥形探针；或在圆锥形探针基础上，对探针的尖端进一步磨细加工。
(4)在探针钻磨加工完成后，用热浓硫酸浸泡或者加热的方法除去探针微通道入口处的环氧树脂保护塞，。
根据本发明，所述环氧树脂保护塞的长度范围为0.1～5毫米。
根据本发明，所述矩形取样探针雏形的高度等于基片厚度，长度范围为1～30毫米，宽度范围为1～10毫米。
根据本发明，所述磨头表面固定有金刚砂颗粒，磨头的转速范围为10～10000rpm。在钻磨过程中，连续或者间断向磨头和芯片接触面加水，起到润滑和降温作用，防止玻璃芯片温度过高而炸裂。
根据本发明，所述利用旋转的磨头钻磨出的探针尖端直径范围为200微米至2毫米。
根据本发明，所述对探针的尖端进一步磨细加工，采用金刚砂砂纸在探针尖端上研磨的方法，使用800～2000目金刚砂砂纸，研磨的探针尖端直径范围可达5微米至200微米。
根据本发明，所述除去环氧树脂保护塞方法为，将基片在30～80℃的浓硫酸中浸泡5～30分钟，或者将基片在400～600℃下加热1～24小时。与现有技术相比，本发明的优点是1、本发明提供的一体化探针式微流控芯片，具有一个或多个探针，其通用性强，可以有效地解决液体引入或者引出微流控芯片分析通道。
2、探针形状为圆锥形，尖端截面小，可达5微米至200微米，取样操作方便。
3、整个芯片加工可以在普通实验室中进行，无需特殊的设备，加工成本低。
4、操作简便易行，加工速度快。加工所得微流控芯片为一体化探针式微流控芯片。


图1是微流控芯片一体化探针的加工过程示意图。
图2是磨头钻磨探针方法示意图。
图3是根据实施例1加工得到的一体化探针式微流控芯片，其中(a)是单取样探针式毛细管电泳芯片结构示意图；(b)是双取样/液探针式毛细管电泳芯片结构示意图。
图4是加工有质谱纳喷雾探针的毛细管电泳芯片结构示意图。
具体实施例方式
参照附图，以下将详细描述本发明及其实施例。
实施例1玻璃一体化探针式微流控芯片，亚毫米级探针的步骤和方法为根据图1所示，微流控基片1由刻蚀有微通道4的玻璃上片2和玻璃下片3组成，两片间通过高温键合封接而成。通道深度范围为1～100微米，宽度为1～500微米。加工探针前先在基片通道4末端入口处，涂敷少量环氧树脂胶液体，固化后形成约0.5～1毫米长的环氧树脂“保护塞”，对通道入口进行预保护，以防止探针加工时玻璃渣进入通道引起通道堵塞。玻璃微流控芯片一体化探针的具体加工过程按照图1所示用玻璃刀在基片通道4末端切割，形成约2mm宽×3.4mm高×5mm长的矩形的探针5雏形(如图1(a)所示)。在台式钻床上安装圆柱形磨头，磨头表面固定有金刚砂颗粒，磨头6按照图2所示的方向以2900rpm的转速转动。按照图2所示的方式，基片探针部分从磨头的侧面水平靠近磨头，与磨头接触，钻磨基片。先沿通道两侧水平钻磨，形成图1(b)所示的楔形状探针5，探针内通道4距两侧壁约0.5mm，探针尖端呈约3.4mm×1mm长方形状；再沿基片上下两层钻磨，使探针5呈图1(c)所示的四方锥形结构，通道4位于锥形结构中心，探针尖端呈约1mm×1mm方形；然后，转动基片继续钻磨，直至形成图1(d)所示的圆锥形结构，探针5尖端直径为0.3毫米。在钻磨过程中，连续或者间断地向磨头和基片接触面加水，起到润滑和降温作用，防止玻璃基片温度过高而炸裂。探针加工完成后，将基片在30～80℃的浓硫酸中浸泡5～30分钟，除去微通道末端的环氧树脂“保护塞”。
图3是采用上述加工方法得到的一体化取样探针式微流控毛细管芯片结构示意图。通过标准光刻和高温键合技术加工形成十字通道构型的玻璃微流控芯片。芯片尺寸大小为20mm×3.4mm×50mm，其中分离通道长为50mm，垂直交叉于20mm长的充样通道的中点，分离通道上游部分长度为10mm。通道深为15μm、通道宽70μm。在芯片充样通道一侧加工了一体化取样探针，圆锥形取样探针尖端外径0.2-0.4毫米，如图3(a)，用于高通量连续试样引入。在芯片充样通道一侧和分离通道上游各加工一个圆锥形取样探针，探针尖端外径均为0.2-0.4毫米，用于试样引入和缓冲液引入。
实施例2玻璃一体化探针式微流控芯片，微米级探针的步骤和方法为根据图1所示，微流控基片1由刻蚀有微通道4的玻璃上片2和玻璃下片3组成，两片间通过高温键合封接而成。通道深度范围为1～50微米，宽度为1-50微米。加工探针前先在基片通道4末端入口处，涂敷少量环氧树脂胶液体，固化后形成约0.5～1毫米长的环氧树脂“保护塞”，对通道入口进行预保护。磨头钻磨加工玻璃微流控芯片一体化探针的过程按照图1所示用玻璃刀在基片通道4末端切割，形成约2mm宽×3.4mm高×1～30mm长的矩形的探针5雏形(如图1(a)所示)。在台式钻床上安装圆柱形磨头，磨头表面固定有金刚砂颗粒，磨头6按照图2所示的方向以2000rpm的转速转动。按照图2所示的方式，基片探针部分从磨头的侧面水平靠近磨头，与磨头接触，钻磨基片。先沿通道两侧水平钻磨，形成图1(b)所示的楔形状探针5，探针内通道4距两侧壁约0.5mm，探针尖端呈约3.4mm×1mm长方形状；再沿基片上下两层钻磨，使探针5呈图1(c)所示的四方锥形结构，通道4位于锥形结构中心，探针尖端呈约1mm×1mm方形；然后，转动基片继续钻磨，直至形成图1(d)所示的圆锥形结构，探针5尖端外径为0.3毫米。在钻磨过程中，连续或者间断向磨头和基片接触面加水，起到润滑和降温作用，防止玻璃基片温度过高而炸裂。再采用800～2000目的砂纸轻磨探针，使探针尖端5的外径为100微米。探针加工完成后，将基片在50℃的浓硫酸中浸泡10分钟，除去微通道末端的环氧树脂“保护塞”。
图4是采用上述加工方法得到的加工有质谱纳喷雾探针的毛细管电泳芯片结构示意图。芯片尺寸大小为20mm×3.4mm×60mm，其中分离通道长为55mm，垂直交叉于10mm长的充样通道的中点，分离通道上游部分长度为5mm。通道深为2μm、横截面上宽35μm。在芯片分离通道末端加工了圆锥形纳喷雾探针，探针前端外径小于100微米。
权利要求
1.一种具有取样探针的微流控芯片，包括由上片和下片构成的基片，微通道，取样探针，其特征在于所述在基片上有1个或多个与基片一体化取样探针，所述探针位于基片侧壁的微通道末端入口处，形状为圆锥形，尖端直径范围为5微米至2毫米。
2.根据权利要求1所述的具有取样探针的微流控芯片，其特征在于，基片上有1个与基片一体化圆锥形取样探针，探针尖端直径范围为5微米至200微米。
3.权利要求1所述的具有取样探针的微流控芯片的制备方法，其步骤是●在基片的微通道末端入口处引入一定体积的环氧树脂胶液体，环氧树脂胶固化后，形成环氧树脂保护塞，对基片的取样探针微通道入口进行预先保护；●用玻璃刀切割微流控基片，形成矩形状的取样探针雏形；●利用旋转的磨头围绕微通道对矩形状的雏形探针进行钻磨，形成圆锥形探针；或在圆锥形探针基础上，对探针的尖端进行进一步磨细加工；●在探针钻磨加工完成后，用热浓硫酸浸泡或者加热的方法除去探针微通道入口处的环氧树脂保护塞，获得一体化探针式微流控芯片。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，微通道的深度和宽度均应小于所要加工的探针的尖端直径。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，环氧树脂保护塞长度为0.1～5毫米。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于矩形取样探针雏形的高度等于基片厚度，长度范围为1～30毫米，宽度范围为1～10毫米。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，钻磨芯片的磨头表面固定有金刚砂颗粒，磨头的转速范围为10～10000rpm，在钻磨过程中，连续或者间断地向磨头和基片接触面加水。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对探针的尖端进行进一步磨细加工，用800～2000目金刚砂砂纸研磨的探针尖端，钻磨出的探针尖端直径范围为5微米至200微米。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将基片在30～80℃的浓硫酸中浸泡5～30分钟，除去微通道末端的环氧树脂。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将基片在400～600℃下加热1～24小时，除去微通道末端的环氧树脂。
全文摘要
一种具有取样探针的微流控芯片，包括由上片和下片构成的基片，微通道，取样探针，其特征在于所述在基片上有1个或多个与基片一体化取样探针，所述探针位于基片侧壁的微通道末端入口处，采用旋转的磨头钻磨的方法，加工得到芯片一体化圆锥形探针，探针尖端直径范围为5微米至2毫米，应用于液体的引入或者引出。本发明的优点是加工方法简便易行，制备工艺简单，通用性强。
文档编号G01N35/00GK1837826SQ20061005045
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者何巧红, 方群 申请人:浙江大学