一種玻璃微納流控晶片、製作組裝方法及其輔助裝配裝置的製作方法

2023-09-17 06:28:10 2

專利名稱：一種玻璃微納流控晶片、製作組裝方法及其輔助裝配裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於微納加工和生化分析領域，涉及一種玻璃微納流控晶片、製作組裝方法及其 輔助裝配裝置。具體的講，是通過電動納流體效應實現樣品富集、過濾、電泳的微納流控芯 片結構組裝方法及裝置。
背景知識
以微通道網絡為結構特徵的微全分析系統是上世紀末微納系統和生化分析相結合的產物 ，由於其在成本、效率、樣品耗量、檢測靈敏性、可集成性、可重複性等方面具有潛在優勢 ，有望取代流式細胞儀、質譜儀、電泳儀等生化檢測儀器，可以大幅度降低生化檢測成本和 對高端設備的要求，對於改善不發達地區醫療衛生水平、大範圍水資源汙染監測、全球傳染 性疾病防治等問題具有重要意義。微流控晶片是具有廣闊應用前景的微型生化分析系統，但 其特徵尺寸僅為微米量級，限制了檢測樣品體積，樣品有效成分量的不足影響了檢測靈敏度 ，制約了微流控晶片的應用和發展。在樣品進入檢測環節前，採用富集技術對其樣品成分進 行高倍"濃縮"，可以保證樣品精確測定，降低對檢測元器件的靈敏度要求。目前已存在多 種可用於富集或濃縮方法，包括基於場放大效應的堆積富集、基於蒸發的濃縮以及固相萃取 等等。近期研究發現，納通道中流體雙電層重疊效應會形成離子濃縮/耗盡，利用此現象不 僅可能實現百萬倍樣品富集，而且由於微納通道的幾何結構和表面特性不易隨環境變化而變 化，有利於測試可重複性和穩定性。因此，電驅動下微納尺度流道中離子堆積的現象，可應 用於研製新型高倍率富集器件。隨著微加工技術進步，電動微納流體器件的可加工性和成本 會有顯著改善。而採用電控方法控制富集指標，控制方式靈活，與毛細管電泳/電滲驅動等 控制方式兼容，有助於實現多功能和集成化的微納流控裝置。
從上世紀70年代起，美國和歐洲等對於微納流控技術的研究有許多，其中涉及到利用微 納流動效應在晶片上進行樣品富集的專利，是"Hybrid microfluidic and nanofluidic system"，申請號7220345， US， 2006。該專利涉及的微納流控晶片採用三明治結構，在基 片和蓋片上分別加工有彼此正交的微通道。在兩條微通道相交處夾一層具有微納孔隙的薄膜 實現微通道間的納通道連接。該專利適用於PDMS-玻璃或PMMA-MMA或PDM-PDMS等材料的微納 流控晶片製作，不需要套刻和對準工藝，採用常溫或低溫鍵合，加工方法經濟，在晶片上容 易獲得高比表面積的納米結構。但由於所採用的夾心納米膜耐溫性有限，不能用於加工玻璃 一玻璃材料的微納流控晶片。另外，由於納米膜只在微通道相交處布置，在基片一薄膜和蓋
4片一薄膜周圍存在間隙，鍵合強度不高，容易引起洩露。
我國從1985年以來，國內以微納流控進行研究開發也取得了一些成就，如涉及到晶片上 樣品富集或試樣濃集的已批准的專利微量試樣濃集方法及其裝置，專利授權號ZL 200410066752.4;還有兩項專利正在審査中，分別是 一種基於微納米結構的樣品富集晶片 、製作方法及富集方法(申請號CN200710036415.4)和玻璃微-納流控一體化晶片的製作 方法(申請號CN200810062585.4)。授權專利"微量試樣濃集方法及其裝置"，該專利是 將試樣引入毛細通道內，以氣體吹掃毛細通道出口，使通道內液體蒸發，而原溶於液體內的 溶質在毛細通道出口附近得到濃集。其原理是通過溶劑蒸發提高樣品溶質的濃度，與本申請 專利基於樣品電動迀移的工作原理有根本性的不同。申請專利 一種基於微納米結構的樣品 富集晶片、製作方法及富集方法和玻璃微-納流控一體化晶片的製作方法，其共同特徵是
需要採用二次套刻-刻蝕技術，將微通道和納通道製作在同一塊玻璃基片上，然後利用鍵合 技術與另一塊無結構的玻璃片封合。其富集的物理機制與本申請專利相同，但其加工方法是 採用溼法腐蝕工藝在同一塊石英玻璃上分兩步製作微納流控晶片，需要進行二次光刻腐蝕( 包括勻膠、前烘、對準套刻)，實驗室需具備套刻功能的曝光機和高速勻膠機等設備，在同 一塊玻璃基片上分步製作微納結構只能採用串行工藝流程，工藝周期較長。
目前，公開發表文獻中涉及的微納流控晶片採用PDMS—PDMS、 PDMS-Si、 PDMS-玻璃材料 比較多，相應的加工方法包括納米壓印、離子束銑削、電擊穿等，如文獻"Poly-Based Protein Preconcentration Using a Nanogap Generated by Junction Gap Breakdown" (Anal. Chem. 2007， 79， 6868-6873)發表了基於二甲基矽氧烷材料(PDMS)的微納流控晶片制 作方法，在PDMS片上加工最小平面距離100 — 500能的兩條微通道，用另一塊基片將通道封裝 ，然後通過在兩條微通道上施加電壓擊穿的方法獲得納米孔隙橋，從而得到微納複合晶片。 該方法只能用於具有一定孔隙度的聚合物材料(如PDMS)，電擊穿效果受微通道間隙及鍵合 強度制約，過長的微通道間距和過高的鍵合強度都會影響擊穿效果。文獻"Efficient biomolecule pre-conceiitratioii by naiiofilter-triggered electrokinetic trapping"
(9th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 2005)提出PDMS-氮化矽或玻璃一矽複合材料的微納流控晶片製作方法，採用犧牲 層腐蝕技術製作了納通道橋，其納通道最小深度可達40nm，重複性和精度較好，但該方法需 要製作氮化矽的化學氣相沉積等高端微電子加工設備，不適合條件普通的實驗室。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可用於微量樣品富集的玻璃微納流控晶片、製作組
5裝方法及其輔助裝配裝置，避免在同一塊基片上二次套刻一顯影一腐蝕，降低對加工設備、 環境條件、操作者熟練程度的要求。本發明有利於實現低成本和批量化的微納流控晶片，並 且適合在只具備普通加工條件的實驗室或企業開展。 本發明的技術方案如下
本發明的玻璃微納流控晶片由基片和蓋片組成，微通道和儲液池分布在蓋片上，納通道 陣列分布在基片上。該晶片包含一個或多個微納富集單元，可以用於高通量並行富集，各微 納富集單元富集區域和耗盡區域分布在同一直線上，便於實驗觀測和自動化檢測。每個微納 富集單元主要由兩條微通道、納通道陣列及儲液池等組成。在每條微通道起點和終點有儲液 池，微通道對稱分布互不相交，在微通道中間通過納通道陣列將兩條微通道橋接；納通道陣 列包含多條納通道，納通道長度略長於微通道間距，並與微通道在連接處正交，降低了裝配 對準的精度要求。
本發明微納流控晶片製作方法包括微納通道成形和基片-蓋片組裝兩個步驟
(1) 微納通道成形採用溼法腐蝕實現，腐蝕液為HF: HN03: H20混合腐蝕液。具體步
驟為
光刻曝光強度10mW/cm2，光刻周期35s;顯影20s; 堅膜120。C， 20min; 以光刻膠為掩膜，腐蝕鉻；
以鉻為掩膜刻蝕微納通道對微通道腐蝕，腐蝕液體積比為5HF: 10HN03: 85H20，刻蝕 時間為120min，深度為25ym;對納通道刻蝕腐蝕液體積比為2HF: 8麗03: 901120刻蝕速率 時間為10nm/s;
去膠去鉻。
(2) 基片-蓋片組裝包括對準、預連接和鍵合三個步驟首先，利用微納流控晶片裝 配裝置實現微納結構的對準，實現微通道與納通道陣列的橋接；其次，通過熱板烘烤，使部 分水分揮發，利用水分子極性與玻璃表面懸掛鍵相互作用實現具有一定強度的基片-蓋片預 連接，達到運輸過程無位錯移動的目的，為將其移動至熱鍵合工位提供保障；最後，通過改 進熱鍵合工藝實現無位錯和無變形的微納流控晶片封裝。這種布置方法消除了對複雜的二次 對準光刻一顯影一腐蝕的需求，降低了工藝複雜性和成本，便於根據客戶需求靈活調整晶片 功能單元的結構和組成。
本發明微納流控晶片組裝方法包括以下步驟(1) 清洗利用去離子水和Piranha清洗液清洗蓋片和基片；
(2) 對準將蓋片和基片在水下貼合，取出放置在輔助對準裝置中基片定位板上對準， 使納通道與兩條微通道相接；
(3) 預連接小心取出基片定位板，放置在熱板上，烘至半乾狀態，利用水膜-玻璃表面 之間的相互作用實現蓋片一基片預連接；
(4) 熱鍵合移動預連接好的蓋片一基片至馬弗爐中熱鍵合，自然冷卻。 本發明的微納流控晶片輔助裝配裝置主要由顯微成像系統、基板、基片定位板、微手爪
、連接板、微動滑臺組成，基片定位板和微動滑臺固定在基板上，在基片定位板對應基片位 置深度方向，安裝有顯微成像系統，微手爪通過連接板連接在微動滑臺上，微動滑臺通過螺 旋測微器手柄調節帶動微手爪運動。
具有微納結構觀測、固定基片和微納結構調整對準等功能。從減小機械應力的角度出發 ，在裝置設計上採用了 "靠"的基片定位方式和"推"的蓋片移動調整方式，避免採用壓緊 、鎖緊、推-拉等容易引起變形應力的控制模式。
本發明的有益效果是本發明提供的微納流控晶片，基於納通道電動離子陷落的富集與耗 盡物理效應，可以用於蛋白和帶電離子等微量樣品富集，通過晶片上儲液池連接電極加直流 電，實現樣品電動輸運和富集，不需要外加注射泵或其他動力。
提供一種包含多組可變參數的富集結構高通量微納流控晶片的形式和製造組裝方法，提 高了晶片部件互換性，可以靈活選用不同組件建立所需微納流控晶片。
玻璃材料的微納流控晶片可以利用簡單的紫外曝光機和本發明提供的輔助裝配裝置製造 ，無需二次對準一套刻一腐蝕，降低了工藝複雜性，縮短了加工周期。
提供了簡單易行的微納流控晶片組裝方法，包括對準、預連接和熱鍵合，消除了組裝過 程中的錯位和變形問題。本方法稍加改動，就可以用於其他微系統的部件組裝中，具有一定 通用性。


圖l為根據本發明包含一個富集單元的微納流控晶片示意圖。 圖2 (A)為本發明微納流控晶片微通道示意圖。 圖2 (B)為本發明微納流控晶片納通道示意圖。 圖2(C)為本發明微納流控晶片微納通道示意圖。圖3為本發明製作微納流控晶片的製作、裝配流程圖。
圖4 (A)為本發明製作微納流控晶片中對準-預連接輔助裝置結構及組裝狀態的微納流 控晶片主視圖。
圖4 (B)為由圖4 (A)中A-A所示位置的裝置俯視圖。 圖5(A)為包含五個微納富集單元的微納流控晶片實物。 圖5(B)為微納流控晶片的其中一個富集單元的結構平面圖。 圖5 (C)為富集單元的樣品耗盡效果。 圖5 (D)為富集單元的樣品富集效果。
圖中l蓋片；2基片；3微通道A; 4微通道B; 5納通道陣列；6儲液池；7多組不交叉的 微通道；8納通道陣列組；9基板；IO基片定位板；ll顯微成像系統；12微手爪；13連接板； 14微動滑臺；15定位條。
具體實施例方式
下面結合

本專利的
具體實施例方式
實施例l:單富集單元的玻璃微納流控晶片
如圖1所示，晶片整體尺寸為30mmX50mm，由玻璃材料的蓋片1和基片2組成，微通道A、 微通道B和儲液池6布置在蓋片1上，納通道陣列5布置在基片2上，納通道陣列5由10條以上等 長納通道組成，為降低對準難度，納通道陣列5的長度比微通道A和微通道B間距長約10 — 40 um，納通道陣列的通道寬度為3 5ym，納通道陣列5通道間距與其寬度相同，通道深度為 100nm-500nm。 在蓋片1平面中心附近的微通道A和微通道B與基片2上的納通道陣列5在同一 平面上的投影呈正交布置，正交布置使得微通道A和微通道B與納通道陣列5在同一平面上的 投影最多只有兩條交線，消除了對準偏差等引起的幹涉問題。通過本專利的組裝方法，用納 通道陣列5將微通道A和微通道B橋接連通，就獲得包含一個富集單元的玻璃微納流控晶片。
實施例2:包含五個富集單元的玻璃微納流控晶片
如圖2 (A) 、 2 (B)和2 (C)所示，該晶片包含五個微納富集單元，可以用於高通量並 行富集。每個微納富集單元由兩條在微米級的微通道、在100nm級的納通道陣列及儲業池等 組成。在每條微通道起點和終點加工有儲液池，微通道對稱分布液池等組成。在每條微通道 起點和終點加工有儲液池，微通道對稱分布互不相交，間隔100 — 300ym，在微通道中間通 過納通道陣列將兩條微通道橋接；納通道陣列包含10條以上納通道，納通道長度略長於微通 道間距約10 — 40ym，並與微通道在連接處正交。本發明的微納流控晶片中微通道寬度為50ym，深度為25ym，長度為30mm;納通道陣列包含10條以上納通道，寬度為3 — 5ym，納通 道間隔為3 — 5ym，深度為100 — 500nm;儲液池直徑為2 — 3mm，與微通道首尾相接。晶片整體 尺寸為30mmX50mm。圖2 (A)為分離狀態的蓋片l，圖2 (B)為分離狀態的基片2，在蓋片l 和基片2上分別布置多組不交叉的微通道7和納通道陣列組8，每組微通道包括兩條微通道， 在微通道起點和終點有直徑為2mm的儲液孔，每組微通道的間距不同(100 y m， 150 y m， 200 ym， 250 ym， 300 ym)，每組之間間距為100能，基片的納通道陣列長度與微通道間距 相對應，對於同一塊基片和蓋片，通過移動蓋片改變對準組裝位置，就可以得到不同的參數 多富集單元微納流控晶片。在蓋片平面中心附近的微通道和基片上的納通道在同一平面上的 投影呈正交布置，正交布置使得所有的微通道和納通道陣列在同一平面上的投影最多只有十 條交線，消除了對準偏差等引起的幹涉問題，組裝狀態之一如圖2(C)。由於微通道組與納通 道陣列組不在同一塊基片上，因此晶片上富集單元的納通道尺寸可以根據需求，靈活選擇加 工。
實施例3:玻璃微納流控晶片加工和組裝的工藝流程 如圖3所示，工藝流程具體步驟如下
(1) 掩膜加工採用L-EDIT軟體分別繪製微通道掩膜圖，微通道掩膜設計線寬為20齙
，通過高清晰度雷射照排輸出在透明膠片上，然後將膠片貼在拋光玻璃上，得到包含微通道 結構的蓋片掩膜l;採用L-EDIT軟體繪製納通道掩膜圖，納通道最小線寬3um，超過高清晰 度雷射照排解析度，可採用電子束曝光製作在鉻版上，得到包含納通道結構的基片掩膜2。
(2) 微納通道成形蓋片1和基片2為表面鍍有鉻層和光刻膠的拋光硼矽玻璃，通過紫 外曝光一顯影一鉻圖形化一溼法腐蝕一去膠去鉻等工藝步驟分別在蓋片1和基片2上製作微通 道和深度在100nm-500nm的納通道，利用超聲打孔方法在蓋片l上加工儲液池。
(3) 組裝利用去離子水和Piranha清洗液清洗蓋片l和基片2，清理表面並增加親和力 。然後將蓋片1和基片2在水下貼合，取出放置在輔助裝配系統下對準，使納通道與兩條微通 道相接，利用水膜與玻璃表面懸掛鍵之間相互作用，在熱板上將對準的蓋片1和基片2烘至半 幹狀態實現具有一定強度的預連接，最後移動預連接好的蓋片一基片結構至馬弗爐中熱鍵合 ，最高鍵合溫度為55(TC，自然冷卻後取出，得到玻璃微納流控晶片。
實施例4:微納流控晶片輔助裝配裝置及晶片對準預連接方法
圖4 (A)為本發明涉及的微納流控晶片輔助裝配裝置，下面結合本圖說明輔助裝配裝置 的結構組成。用於微納晶片輔助裝配的裝置由基板9、基片定位板IO、顯微成像系統ll、微
9手爪12、連接板13、微動滑臺14組成。基片定位板10和微動滑臺14固定在基板9上，基片定 位板10上具有如圖4(B)所示定位微納流控晶片基片的兩個定位條15，在基片定位板10對應基 片位置深度方向，安裝有放大倍率可達20X的顯微成像系統11，用於動態觀測對準過程，微 手爪12通過連接板13連接在微動滑臺14上，微動滑臺14可以通過螺旋測微器手柄調節帶動微 手爪12運動。
結合圖4 (A)說明應用上述輔助裝置對準和預連接的方法。將加工好通道結構的蓋片l 置於基片2之上，為增強潤滑，在蓋片l-基片2之間留有水膜。通過定位條15以基片2的邊緣 為基準將基片2固定在基片定位板上，旋轉螺旋手柄使微動滑臺14帶動微手爪12移動蓋片1， 同時操作者通過顯微成像系統ll觀測對準狀態，實現微納結構對準。小心拿取裝有已對準的 蓋片1一基片2的基片定位板10至臨近的微熱板，利用微熱板對已對準的蓋片1一基片2複合結 構加熱，使部分水分揮發，殘留部分以單層膜水分子與玻璃表面懸掛鍵以氫鍵形式相連，使 得蓋片1一基片2之間具有相當強度的預連接力，在有意碰撞和翻轉實驗條件下達到無位錯和 無脫落的效果，為將其移動至熱處理房間的熱鍵合工位提供保障。
實施例5:微納流控晶片用於富集的使用方法
圖5(A)所示為微納流控晶片的實物圖。圖5 (B)所示，以一個微納富集單元為例，在每 條微通道起點和終點都有一個儲液池，首先在儲液池6. l中加入緩衝液，如PBS等，緩衝液將 通過毛細作用充滿整個流道，在儲液池6. 2中也加入緩衝液，儲液池6. 3和儲液池6. 4中加入 待富集樣品溶液，通過微量加液調平液面。將儲液池6. l和儲液池6.2接正電壓，儲液池6.3 和儲液池6. 4接地，溶液中離子或帶電物質將在電場作用下移動並在納通道一微通道界面處 發生離子陷落現象，就可以逐漸觀測到樣品在微納結合處富集和耗盡現象，根據樣品帶電狀 態不同，加電方式和幅度會有所調整。對含微量FITC螢光指示劑溶液富集效果如圖5(C)和 圖5(D)所示。圖5(C)為陽極端微納界面處樣品耗盡效果，圖5(D)為陰極端微納界面處樣品富 集效果，符合納通道電動離子陷落的富集與耗盡物理效應。利用專利製作的微納流控晶片對 濃度10nM/L的FITC (緩衝液為PBS10mM)，富集倍率可達到1000倍量級，對濃度10yM/L的 FITC (緩衝液為PBS10mM)，富集倍率可達到10倍量級。
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權利要求
1.一種玻璃微納流控晶片，其特徵在於該玻璃微納流控晶片由蓋片(1)和基片(2)組成，微通道A(3)，微通道B(4)和儲液池(6)分布在蓋片(1)上，納通道陣列(5)分布在基片(2)上；該晶片包含一個或多個微納富集單元，各微納富集單元富集區域和耗盡區域分布在同一直線上；每個微納富集單元包括微通道A(3)、微通道B(4)、納通道陣列(5)及儲液池(6)；在每條微通道起點和終點有儲液池(6)，微通道A(3)和微通道B(4)對稱分布，互不相交，在微通道A(3)和微通道B(4)中間通過納通道陣列(5)將兩條微通道橋接；納通道陣列(5)包含多條納通道，納通道長度略長於微通道A(3)和微通道B(4)的間距，並與微通道A(3)和微通道B(4)在連接處正交。
2.權利要求l所述晶片的製作方法，其特徵在於採用溼法腐蝕實現 微納通道成形，腐蝕液為HF: HN03: H20混合腐蝕液；將微通道A(3)和微通道B(4)與納通道陣列(5)的橋接；烘乾部分水分，利用水分子極性與玻璃表面懸掛鍵相互作用實現蓋片(l)-基片(2)預連接；通過改進熱鍵合工藝實現無位錯和無變形的微納流控晶片封裝。
3.權利要求l所述晶片的組裝方法，其特徵在於包括下述步驟(1) 清洗利用去離子水和Piranha清洗液清洗蓋片(1)和基片(2);(2) 對準將蓋片(1)和基片(2)在水下貼合，取出放置在輔助對準裝置中基片定位板( 10)上對準，使納通道陣列(5)與微通道A(3)和微通道B(4)相接；(3) 預連接小心取出基片定位板(10)，放置在熱板上，烘至半乾狀態，利用水膜-玻璃表面之間的相互作用實現蓋片(1)-和基片(2)預連接；(4) 熱鍵合移動預連接好的蓋片(1)和基片(2)至馬弗爐中熱鍵合，自然冷卻。
4.權利要求2所述製作方法所採用的輔助裝配裝置，其特徵在於:該裝 置包括顯基板(9)、基片定位板(IO)、微成像系統(ll)、微手爪(12)、連接板(13)和微動滑 臺(14)，基片定位板(10)和微動滑臺(14)固定在基板(9)上，在基片定位板(10)對應基片位置 深度方向，安裝有顯微成像系統(ll)，微手爪(12)通過連接板(13)連接在微動滑臺(14)上， 微動滑臺(14)通過螺旋測微器手柄調節帶動微手爪(12)運動。
5.根據權利要求l所述的晶片，其特徵還在於該晶片A微通道(3)和B 微通道(4)間隔100 — 300ym，微通道A (3)和微通道B (4)寬度為50 y m，深度為25ym，長度為 30mm;納通道陣列(5)包含10條以上納通道，納通道長度略長於微通道A(3)和微通道B(4)間 距約10 —40ym，寬度為3 —5ym，間隔為3 —5ym，深度為100 —500nm，與納通道陣列(5)在 連接處正交；儲液池(6)直徑為2 — 3mm，與微通道A (3)和微通道B (4)首尾相接。
6.根據權利要求2所述的製作方法，其特徵還在於包括步驟如下(l) 光刻曝光強度10mW/cm2，光刻周期35s;顯影20s; (2)堅膜:120。C， 20min; (3)以光刻膠 為掩膜，腐蝕鉻；(4)以鉻為掩膜刻蝕微納通道對微通道腐蝕，腐蝕液體積比為5HF: 10HN03: 85H20,刻蝕時間為120min，深度為25 y m;對納通道刻蝕腐蝕液體積比為2HF: 8HN03: 90H20刻蝕速率時間為10nm/s; (5)去膠去鉻。
全文摘要
本發明公開了一種玻璃微納流控晶片、製作組裝方法及輔助裝配裝置。該晶片包含一個或者多個微納富集單元，每個微納富集單元由兩條互不相交的微通道、納通道陣列和儲液池組成，微通道和儲液池分布在蓋片上，納通道陣列分布在基片上，利用組裝基片和蓋片的方法通過納通道陣列將兩條微通道橋接。組裝包括對準、預連接和鍵合三步，利用輔助對準裝置將微納通道的對準橋接，利用水膜與玻璃表面相互作用實現具有一定強度的基片-蓋片預連接，通過熱鍵合封裝微納流控晶片。本發明提供一種包含多組可變參數的富集結構高通量微納流控晶片和製造組裝方法，提高了晶片部件互換性。晶片製造簡單，無需二次對準-套刻-腐蝕，降低了工藝複雜性，實現低成本和批量化的目標。
文檔編號G01N35/00GK101561446SQ20091030290
公開日2009年10月21日 申請日期2009年6月4日 優先權日2009年6月4日
發明者衝 劉, 劉軍山, 徵 徐, 杜立群, 溫金開, 王德佳 申請人:大連理工大學