一種基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置的製作方法
2023-09-19 20:33:25
專利名稱：一種基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於微加工、微流體樣品檢測技術領域，特別涉及一種基於數字微鏡器件(DMD)的微流控晶片快速加工與微流體樣品實時檢測的新型實驗裝置。
背景技術：
微流控晶片自出現以來在分析化學、系統生物學、生物物理學、臨床醫學、生物製藥等領域發揮著重要的作用。微流控晶片技術自身也在這些應用中不斷的發展與完善。微流控晶片中微流道的製作加工已由最初的微電子領域的微機電加工技術(如化學刻蝕)拓展出諸如光刻、軟光刻等新技術。微流控晶片中微量樣品的檢測也已借鑑大量的新技術，如螢光檢測，超聲檢測等。這些加工技術和檢測技術極大的推動和發展了微流控晶片的製備和研究。 現有的微流控晶片加工製作技術沒有將微流道的設計過程和製作過程很好的結合起來，不能實現微流控晶片製作過程中微流道圖樣的軟光刻曝光和對微流控晶片中微量樣品的可見光和紫外螢光實時檢測，因此不能同時在同一臺裝置上實現微流控晶片加工與檢測，無法實現快速加工和實時檢測。本發明的一個重要的創新點在於採用數字微鏡器件(DMD)技術，通過在計算機中利用軟體直接設計所需微流道的圖樣，並通過數據線將設計圖樣直接輸出到數字微鏡器件(DMD)中，然後利用成像光路直接對已處理的光刻膠進行微流道圖樣的曝光，可以直接將DMD上顯示的圖案作為可實時修改的掩膜板。這樣可以極大的縮短微流控晶片從設計到模版製備的周期，同時保證了設計需求的微流道的微小尺度。本發明的另一個創新點是將微流控晶片的加工和檢測過程綜合到一個實驗裝置上。使得本發明在具有微流控晶片加工能力的同時，也能對微流控晶片內的微量樣品進行多種實時檢測。這樣即可以縮減微流控晶片加工和檢測的實驗儀器所佔用的空間，也可以為多功能微流控晶片的進一步整合和微型化做一定的宏觀思路探究。本發明的另一個重要創新點在於所有的功能切換完全由計算機控制完成，不需要手動調節，這樣使得實驗操作更加方便快捷，而且排除了人為主觀因素的影響，有利於實驗快速精確的進行。此外，該裝置集成了可見光微流控檢測和紫外螢光檢測於一身，通過計算機的控制在這兩種檢測模式間靈活轉換，有利於更加快捷全面的研究微量的生物、化學、醫藥等樣品的特性。
發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，在同一臺裝置上實現微流控晶片加工與檢測，並通過自行設計的光路耦合到CCD相機中，實現微流控晶片的快速加工和微流控晶片內微量樣品的實時檢測。
本發明為了達到上述目的採用的技術方案為一種基於數字微鏡器件(DMD)的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，包括紫外LED光源、第一雙凸透鏡、第一反射鏡、DMD器件、雙色鏡、第一顯微鏡物鏡、三維電動平臺、第二顯微鏡物鏡、第二雙凸透鏡、白光LED光源、第二反射鏡、濾色片、第三雙凸透鏡、C⑶相機以及計算機。其中，所述的微流控晶片軟光刻曝光光路由紫外LED光源、第一雙凸透鏡、第一反射鏡、DMD器件、雙色鏡、第一顯微鏡物鏡、三維電動平臺和計算機構成；所述的微流控晶片中微量樣品的可見光實時檢測光路由白光LED光源、第二雙凸透鏡、第二顯微鏡物鏡、三維電動平臺、第一顯微鏡物鏡、雙色鏡、第二反射鏡、濾色片、第三雙凸透鏡、CXD相機和計算機構成； 所述的微流控晶片中微量樣品的紫外螢光實時檢測光路由紫外LED光源、第一雙凸透鏡、第一反射鏡、DMD器件、雙色鏡、第一顯微鏡物鏡、三維電動平臺、第二反射鏡、濾色片、第三雙凸透鏡、CXD相機和計算機構成；樣品池放置在三維電動平臺上，在計算機控制下，樣品隨著三維電動平臺上進行三維移動；所述計算機的輸入端通過信號線分別與所述紫外LED光源、DMD器件、白光LED光源、三維電動平臺、CCD相機相連；所述計算機設計的微流道圖樣通過計算機數據線將微流道設計圖樣加載到DMD器件上；所述計算機可以通過信號採集系統採集並存儲CCD相機所產生的時序圖像序列。所述微流道圖樣的軟光刻曝光光路的切換需通過計算機移動三維電動平臺至合適位置，關閉白光LED光源，關閉CXD相機，加載微流道圖樣到DMD器件，打開紫外LED光源，並投射光線到DMD器件上，此時該裝置工作在軟光刻曝光模式。所述微流控晶片中微量樣品的可見光和紫外螢光實時檢測光路切換需通過計算機啟動三維電動平臺控制並將三維電動平臺移動到合適位置，打開CCD相機，加載圖樣到DMD器件，通過紫外LED光源和白光LED光源的開閉實現兩種檢測模式的切換當關閉白光LED光源，打開紫外LED光源，控制DMD輸出全亮圖樣時，該裝置工作在紫外螢光實時檢測模式；當關閉紫外LED光源，關閉DMD器件，打開白光LED光源時，該裝置工作在可見光實時檢測模式。採用實時可控的DMD器件替代了傳統工藝中的掩膜板，具有修改便捷等優點。本發明的優點和積極效果(I)本發明為一種通過計算機控制，利用DMD器件便可以直接實現對已處理的光刻膠進行微流道圖樣曝光，並利用部件的選取實現微流道內微量樣品的可見光和紫外螢光檢測的裝置。所發明的裝置結合微流控晶片的製備和檢測技術於一身，通過計算機的控制實現兩種功能的巧妙切換。其中，微流控晶片的軟光刻曝光利用成像光路實現對已處理光刻膠的曝光；微流控晶片內微量樣品的檢測利用成像光路實現對兩種模式光源的選擇，利用快速CCD相機採集微流控晶片內微量樣品的實時動態圖像。(2)與傳統的微流控晶片加工技術相比，本發明採用自行設計的成像光路，利用計算機軟體設計所需微流道圖樣，然後通過成像光路直接將微流道圖樣投射到已處理的光刻膠上，實現對光刻膠的曝光。可以直接將DMD上顯示的圖案作為可實時修改的掩膜板，縮短了微流控晶片的製備周期，同時克服了因掩膜版精度不夠、紫外曝光不均等導致的微流道尺度受限的問題，提供了一種快速精確曝光的微流道製作方法。
(3)本發明裝置不僅可以進行微流控晶片的加工製備；還可以工作在微流控晶片檢測模式，用於測量微流控晶片內微量樣品的流變特性以及在具體生化環境下檢測樣品的實時演化過程。它是一套綜合了微流控晶片加工和檢測於一身的裝置，必將在微流控晶片加工、生物、化學、醫藥等領域發揮重要的作用。
圖I本發明基數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置示意圖；圖中，I為紫外LED光源，2為第一雙凸透鏡，3為第一反射鏡，4為DMD器件，5為雙色鏡，6為第一顯微鏡物鏡，7為三維電動平臺，8為第二顯微鏡物鏡，9為第二雙凸透鏡，10為白光LED光源，11為第二反射鏡，12為濾色片，13為第三雙凸透鏡，14為CXD相機，15為計算機。
具體實施例方式以下說明本發明的實施例。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對該領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。如圖I所示，圖I是本發明基於數字微鏡器件(DMD)的微流控晶片加工與檢測實驗裝置示意圖，也是本發明的一個實施例的結構示意圖。由圖可見，本發明基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，其構成包括紫外LED光源I、第一雙凸透鏡2、第一反射鏡3、DMD器件4、雙色鏡5、第一顯微鏡物鏡6、三維電動平臺7、第二顯微鏡物鏡8、第二雙凸透鏡9、白光LED光源10、第二反射鏡11、濾色片12、第三雙凸透鏡13、CXD相機14和計算機15。所述的微流控晶片軟光刻曝光光路由紫外LED光源I、第一雙凸透鏡2、第一反射鏡3、DMD器件4、雙色鏡5、第一顯微鏡物鏡6、三維電動平臺7和計算機15構成；所述的微流控晶片中微量樣品的可見光實時檢測光路由白光LED光源10、第二雙凸透鏡9、第二顯微鏡物鏡8、三維電動平臺7、第一顯微鏡物鏡6、雙色鏡5、第二反射鏡11、濾色片12、第三雙凸透鏡13、CXD相機14和計算機15構成；所述的微流控晶片中微量樣品的紫外螢光實時檢測光路由紫外LED光源I、第一雙凸透鏡2、第一反射鏡3、DMD器件4、雙色鏡5、第一顯微鏡物鏡6、三維電動平臺7、第二反射鏡11、濾色片12、第三雙凸透鏡13、CXD相機14和計算機15構成；樣品池放置在三維電動平臺7上，在計算機15控制下，樣品隨著三維電動平臺7上進行三維移動；所述計算機15的輸入端通過信號線分別與所述紫外LED光源1、DMD器件4、白光LED光源10、三維電動平臺7、CCD相機13相連；所述計算機15設計的微流道圖樣並通過計算機數據線將微流道設計圖樣加載到DMD器件4上；所述計算機15可以通過信號採集系統採集並存儲CXD相機14所產生的時序圖像序列。具體實施例本發明具體實施例是基本實施例的優選實施例，具體的如下本實施例中，所述的紫外LED光源I出射光線的波長為365nm，譜線寬度為7. 5nm ；第一雙凸透鏡2焦距為200mm，直徑為50. 8mm (2英寸)，鍍350_700nm增透膜。由紫外LED光源I、第一雙凸透鏡2共同構成紫外LED擴束光源。該光源經擴束後的光束直徑約為10_。所述的DMD器件4的尺寸約為10*10mm，雙色鏡5可透過紫外光並反射可見光 』第一顯微鏡物鏡6放大倍數為10X，有效焦距為20mm，鍍325_500nm近紫外增透膜。由DMD器件4、雙色鏡5和第一顯微鏡物鏡6共同構成圖像投射光路。所述白光LED光源10所產生的光波長在400_700nm ;第二雙凸透鏡9焦距為200mm，直徑為50. 8mm (2英寸)，鍍350_700nm增透膜；第二顯微鏡物鏡8放大倍數為10X，有效工作距離為10.6mm。由白光LED光源10、第二雙凸透鏡9、第二顯微鏡物鏡8共同構成檢測光路的照明光系統，該照明方式採用科勒照明。所述的CXD相機14解析度為1280x1024，彩色；第三雙凸透鏡13採用的是焦距為200_，直徑為50. 8mm (2英寸);雙色鏡5透紫外光反可見光；第一顯微鏡物鏡6放大倍數 為10X，有效焦距為20mm，鍍325-500nm近紫外增透膜；外掛式三維電動平臺7，行程50mm中心高度102mm，調節範圍±25mm。由CXD相機14第三雙凸透鏡13雙色鏡5第一顯微鏡物鏡6三維電動平臺I共同構成顯微鏡光路。其間可根據檢測需要選用合適的濾光鏡12，對光信號進行過濾選擇。本實例中，在微流控晶片軟光刻曝光模式，紫外LED光源I發出的紫外光通過第一雙凸透鏡2擴束，再經第一反射鏡3反射後以45°角投射到DMD器件4上；通過計算機15將微流道圖樣加載到DMD器件4上；光線經DMD器件4的選擇性反射，透過雙色鏡5和第一顯微鏡物鏡6直接投射到三維電動平臺7上，對已處理的光刻膠進行曝光。在曝光模式下，加載到DMD器件4的微流道圖樣的有效維持時間推薦不低於20s，曝光完成後關閉紫外LED光源I。在微流控晶片中微量樣品的可見光實時檢測模式，由白光LED光源10發出的可見光通過第二雙凸透鏡9擴束後經第二顯微鏡物鏡8匯聚照射到三維電動平臺7上的微流控晶片；光線透過第一顯微鏡物鏡6，經雙色鏡5和第二反射鏡11的反射，經濾色片12，再經第三雙凸透鏡13成像到CXD相機14中。利用計算機15採集CXD相機14接受的光信號；所述的微流控晶片中微量樣品的紫外螢光實時檢測模式，由紫外LED光源I發出紫外光通過第一雙凸透鏡2的擴束後再經第一反射鏡3以24°角投射到DMD器件4上；通過計算機15將全亮圖樣加載到DMD器件4上；光線經由DMD器件4反射，透過雙色鏡5和第一顯微鏡物鏡6匯聚照射到三維電動平臺7上的微流控晶片；螢光透過第一顯微鏡物鏡6，通過雙色鏡5和第二反射鏡11的反射，經濾光鏡12濾光後，再經第三雙凸透鏡13匯聚到CXD相機14中。利用計算機15採集CXD相機14接受的光信號。加載到DMD器件4的全亮圖樣的有效維持時間視檢測時間長短而定。本實施例中，紫外LED光源I和白光LED光源10出射光束的高度為100mm，為耦合光路，本發明將相應的光學器件調整在100_高度。本發明的一個重要特徵是，採用自行設計的成像光路，利用計算機軟體(如AdobeIillustrator或CorelDraw)設計所需微流道圖樣,然後通過成像光路直接將微流道圖形投射到已處理的玻璃片上，對光刻膠進行微流道圖樣的曝光。可以直接將DMD上顯示的圖案作為可實時修改的掩膜板。本發明裝置不僅可以進行微流控晶片的加工製備；還可以工作在微流控晶片檢測模式，並能夠有效地在這兩個模式之間切換。用於測量微流控晶片內微量樣品的流變特性以及在具體生化環境下檢測樣品的實時演化過程。其中，對光刻膠(選用SU-8光刻膠來進行本實施例說明)的處理可採用如下方法將SU-8光刻膠用光阻塗布機塗布在玻璃片上(推薦分兩個階段進行勻膠第一階段轉速為500rpm，時間為IOs ;第二階段轉速2000rpm，時間為30s)，然後將玻璃片放在電熱板上進行烘烤處理(推薦分兩個階段進行烘烤第一階段溫度為65°C，時間為6min ;第二階段溫度為95°C，時間為20min)，即已實現對光刻膠的處理。本發明其他未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。以上所述，僅為本發明部分具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任 何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，其特徵在於包括紫外LED光源(I)、第一雙凸透鏡(2)、第一反射鏡(3)、DMD器件(4)、雙色鏡(5)、第一顯微鏡物鏡(6)、三維電動平臺(7)、第二顯微鏡物鏡(8)、第二雙凸透鏡(9)、白光LED光源(10)、第二反射鏡(11)、濾色片(12)、第三雙凸透鏡(13)、CCD相機(14)和計算機(15);其中 紫外LED光源(I)、第一雙凸透鏡(2)、第一反射鏡(3)、DMD器件(4)、雙色鏡(5)、第一顯微鏡物鏡出)、三維電動平臺(7)和計算機(15)構成微流控晶片軟光刻曝光光路； 白光LED光源(10)、第二雙凸透鏡(9)、第二顯微鏡物鏡(8)、三維電動平臺(7)、第一顯微鏡物鏡出)、雙色鏡(5)、第二反射鏡(11)、濾色片(12)、第三雙凸透鏡(13)、CCD相機(14)和計算機(15)構成微流控晶片中微量樣品的可見光實時檢 測光路； 紫外LED光源(I)、第一雙凸透鏡(2)、第一反射鏡(3)、DMD器件(4)、雙色鏡(5)、第一顯微鏡物鏡￠)、三維電動平臺(7)、第二反射鏡(11)、濾色鏡(12)、第三雙凸透鏡(13)、CCD相機(14)和計算機(15)構成微流控晶片中微量樣品的紫外螢光實時檢測光路； 樣品池放置在三維電動平臺(7)上，在計算機(15)控制下，樣品隨著三維電動平臺(7)進行三維移動；所述計算機(15)的輸入端通過信號線分別與所述紫外LED光源(1)、DMD器件⑷、白光LED光源(10)、三維電動平臺(7)和CCD相機(14)相連； 所述計算機(15)中將微流道設計圖樣加載到DMD器件(4)上；所述計算機(15)通過信號採集系統採集並存儲CCD相機(14)所產生的時序圖像序列； 微流道圖樣的軟光刻曝光、微流控晶片中微量樣品的可見光和紫外螢光實時檢測，通過計算機控制實現模式的切換。
2.根據權利要求I所述基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，其特徵在於所述微流道圖樣的軟光刻曝光加工光路的切換通過計算機(15)移動三維電動平臺(7)至合適位置，關閉白光LED光源(10)，關閉CCD相機(14)，加載微流控圖樣到DMD (4)器件，打開紫外LED光源⑴，並投射光線到DMD器件(4)上，此時該裝置工作在軟光刻曝光模式。
3.根據權利要求I所述基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，其特徵在於所述微流控晶片中微量樣品的可見光和紫外螢光實時檢測光路切換通過計算機啟動三維電動平臺(7)並將三維電動平臺(7)移動到合適位置，打開CCD相機(14)，加載圖形信號到DMD (4)器件，控制紫外LED光源(I)和白光LED光源(10)的開閉實現兩種檢測模式的切換當關閉白光LED光源(10)，打開紫外LED光源(I)，控制DMD (4)輸出全亮圖樣時，該裝置工作在紫外螢光實時檢測模式；當關閉紫外LED光源(I)，關閉DMD (4)輸出，打開白光LED光源(10)時，該裝置工作在可見光實時檢測模式。
4.根據權利要求I所述的基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，其特徵在於採用實時可控的DMD器件替代了傳統工藝中的掩膜板，具有修改便捷等優點。
全文摘要
一種基於數字微鏡器件的微流控晶片加工與檢測實驗裝置，包括紫外LED光源、第一雙凸透鏡、第一反射鏡、DMD器件、雙色鏡、第一顯微鏡物鏡、三維電動平臺、第二顯微鏡物鏡、第二雙凸透鏡、白光LED光源、第二反射鏡、濾光鏡、第三雙凸透鏡、CCD相機以及計算機。該實驗裝置能夠有效的工作在光刻膠曝光、微流控晶片可見光和紫外螢光檢測兩個模式；所述的計算機通過信號線分別與紫外LED光源、白光LED光源、DMD器件、三維電動平臺、CCD相機相連。本發明既可以實現微流控晶片製作過程中微流道圖樣的軟光刻曝光，也可以實現對微流控晶片中微量樣品的可見光和紫外螢光實時檢測。
文檔編號G01N21/64GK102967556SQ20121051751
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者丁翔宇, 任煜軒, 盧榮德 申請人:中國科學技術大學