一種微流體離心晶片及其加工方法
2023-08-04 02:44:36 1
專利名稱：一種微流體離心晶片及其加工方法
技術領域：
本發明涉及一種微流體離心晶片及其加工方法。
背景技術：
離心技術是利用離心力，依據物質的沉降係數、擴散係數和浮力密度的差異而進行物質的分離、濃縮和分析的一種專門技術，在農業、醫藥、食品衛生、生物製品、生物工程、細胞生物學、分子生物學和生物化學等諸多領域裡得到了廣泛的應用，尤其是生物樣品預處理過程必不可少的處理環節。
近年來隨著微加工技術的發展，用於臨床檢驗研究的微晶片得到了廣泛的重視。建立在微晶片基礎上的微全分析系統(Micro Total Analysis Systems)成為分析化學、臨床醫學、生物學的研究熱點，而作為樣品預處理環節的重要組成部分的片上離心操作卻遲遲沒有突破，這主要是由於目前尚無法實現穩定、高效的迴轉運動部件。2003年，Nature上發表了一篇通過頂蓋驅動流動實現的微腔內高速的渦流，進而實現了晶片上的離心操作的文章(Nature，2003，42538)。該晶片結構如圖1所示，在該晶片中，流體可以高速地通過通道2，從而帶動微腔1內的流體實現高速的渦流運動，由於微腔尺度較小，高速的渦流運動將會在渦流內部產生非常高的離心加速度。但是，頂蓋驅動流所實現的離心操作無法對連續流動的樣品進行處理，因而不具有實際的離心應用價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種微流體晶片及其加工方法。
本發明所提供的微流體離心晶片，包括鍵合在一起的晶片基質和蓋片，在所述晶片基質上設有一具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形的微槽道，所述曲線的曲率半徑為20微米-1000微米；至少一個進口，位於微槽道的中心；至少兩個出口，位於微槽道的尾部。
在本發明微流體離心晶片中，出口可至少設置為兩個，分別位於微槽道的尾部內側和外側。
在本發明微流體離心晶片中，常用平面曲線選用螺旋線，優選為阿基米德螺旋線、雙曲螺旋線、連鎖螺線等，更優選為阿基米德螺旋線。其中，阿基米德螺旋線的螺距為5微米-35微米、微槽道寬度為10微米-200微米、深度為10微米-200微米。
常用晶片基質為矽片，蓋片為玻璃片。
該微流體離心晶片可以採用微加工方法進行製備，包括如下步驟1)在晶片基質上下表面上用熱氧化法形成一層二氧化矽層，在正面光刻出具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形圖形作為後續刻蝕的掩模；2)通過光刻膠保護，單面光刻形成進出口刻蝕的窗口，刻蝕，定義進出口位置；3)去膠，再次按曲線圖形刻蝕，形成槽道；4)在槽道內壁熱氧化二氧化矽層，形成槽道的鈍化層；5)將蓋片與晶片基質鍵合；6)在晶片基質的下表面澱積碳化矽層，在進口和出口處光刻，並腐蝕形成通孔，即得到所述微流體離心晶片。
本發明的微流體離心晶片還可以採用其他的能夠實現高深寬比、封閉通道的各種微加工方法進行加工，如PDMS、PMMA等有機材料的模具成型、光刻鑄造成型(LIGA)、玻璃刻蝕、SU-8厚膠光刻等。
本發明的特點1.採用微加工技術來製造，具有尺寸小和成本低的特點；2.採用微流體技術，使本發明離心晶片便於與其他基於微流體技術的生物或化學操作進行晶片上的集成，有利於研製真正的晶片實驗室(Lab-on-Chip)；3.通過調整晶片內樣品的速度，或選擇晶片中微通道的迴轉半徑大小，能夠實現可調範圍較大的離心加速度。
本發明微流體離心晶片的工作原理是基於樣品在具有微小迴轉半徑的微通道內高速運動來實現離心操作過程，與Nature上所發表的離心晶片不同的是本發明離心晶片基於連續微流體，能夠實現樣品的連續操作；此外，通過調整微通道的尺寸以及樣品的工作流速可以實現不同離心加速度的離心操作。
本發明微流體離心晶片採用矽微加工工藝製作，含有一個具有微小曲率半徑的螺旋線型微槽道，當流體樣品在該槽道內做高速運動時，由於彎曲通道的作用，將會產生離心加速度，從而實現片上離心操作。實驗證明本發明所提出的晶片適於微加工，能夠實現非常好的離心效果，同時具有成本低、速度快、便於與其他生物或化學操作進行片上集成等優點。
圖1為已有的頂蓋驅動的離心晶片的結構示意圖；圖2為本發明微流體離心晶片的正視圖；圖3為圖2微流體離心晶片的A-A視圖；圖4為晶片中心橫截面的加工過程圖；圖5為本發明微流體離心晶片對全血分離結果圖。
具體實施例方式
實施例1、微流體離心晶片的加工本發明的微流體離心晶片結構如圖2和圖3所示，其中，圖3是圖2的A-A剖視圖。該晶片主要包含刻蝕在矽片7上，並由玻璃蓋片8封閉的螺旋線型微槽道6(待離心的樣品在其中運動)；螺旋通道中心的進口3，用於樣品進樣；晶片包含兩個出口，外側出口4和內側出口5，用於提取離心操作後的樣品。矽片7的厚度為400μm；玻璃蓋片8厚度為500μm；螺旋線型微槽道6的寬度為120μm，深度為60μm，阿基米德(本實施例的螺旋線型)螺旋線的螺距為23μm，螺旋線角度從4π變化至37π；進口3，外側出口4和內側出口5均是通孔，其截面呈喇叭形，埠寬度為568μm，通孔的直徑為100μm。
該微流體離心晶片採用矽微加工方法實現，晶片中心橫截面的加工過程如圖4首先，在矽片9上下表面用熱氧化方法形成一層厚為6000的二氧化矽層，並在正面光刻出刻蝕圖形，使其成為微槽道的掩膜9(圖4-a)；通過光刻膠保護，單面光刻形成進出口刻蝕的窗口10(圖4-b)；ICP刻蝕矽40μm，去膠(圖4-c)；ICP刻蝕60微米，去正反面二氧化矽層(圖4-d)；熱氧化1500二氧化矽層，形成通道內壁的鈍化層11，通過RIE去除背面的二氧化矽層(圖4-e)；進行矽-玻璃陽極鍵合(通道面與玻璃8鍵合)，形成玻璃載體與完整微槽道(圖4-f)；另一側矽基表面澱積PECVD碳化矽層12，並光刻形成腐蝕開孔的窗口，並通過KOH腐蝕形成通孔(圖4-g)，即得到微流體離心晶片。
應用該微流體離心晶片對血液進行微流體離心操作，離心後白細胞數和紅細胞數在外側出口4/內側出口5的比率隨驅動壓差的變化圖如圖5所示(圖中，不同的標記為不同批次實驗結果)。
結果表明，該微流體離心晶片在0.7MPa的驅動壓差下可以產生最大為2000g的離心加速度，並且能夠很好地將白細胞從全血中富集分離出來。外側出口的白細胞數量與內側出口白細胞數量的比遠大於1，這表明該微流體離心晶片能夠實現較好的離心操作。
權利要求
1.一種微流體離心晶片，包括鍵合在一起的晶片基質和蓋片，在所述晶片基質上設有一具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形的微槽道，所述曲線的曲率半徑為20微米-1000微米；至少一個進口，位於微槽道的中心；至少兩個出口，位於微槽道的尾部。
2.根據權利要求1所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述出口為兩個。
3.根據權利要求1所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述進口和出口的截面呈喇叭口形。
4.根據權利要求1-3任一所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形為螺旋線形。
5.根據權利要求4所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述螺旋線形為阿基米德螺旋線、雙曲螺旋線、連鎖螺線。
6.根據權利要求5所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述阿基米德螺旋線的螺距為5微米-35微米，微槽道寬度為10微米-200微米，深度為10微米-200微米。
7.根據權利要求1-3任一所述的微流體離心晶片，其特徵在於所述晶片基質和蓋片為矽片和/或玻璃片。
8.權利要求1所述微流體離心晶片的加工方法，包括如下步驟1)在晶片基質上下表面上用熱氧化法形成一層二氧化矽層，在正面光刻出具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形圖形作為後續刻蝕的掩模；2)通過光刻膠保護，單面光刻形成進出口刻蝕的窗口，刻蝕，定義進出口位置；3)去膠，再次按曲線圖形刻蝕，形成槽道；4)在槽道內壁熱氧化二氧化矽層，形成槽道的鈍化層；5)將蓋片與晶片基質鍵合；6)在晶片基質的下表面澱積碳化矽層，在進口和出口處光刻，並腐蝕形成通孔，即得到所述微流體離心晶片。
9.根據權利要求8所述的加工方法，其特徵在於所述具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形為螺旋線形；所述螺旋線形優選為阿基米德螺旋線、雙曲螺旋線、連鎖螺線。
10.根據權利要求9所述的加工方法，其特徵在於所述阿基米德螺旋線的螺距為5微米-35微米，微槽道寬度為10微米-200微米，深度為10微米-200微米。
全文摘要
本發明公開了一種微流體離心晶片及其製備方法。本發明所提供的微流體離心晶片，包括晶片基質和蓋片，在所述晶片基質上含有一具有彎曲且連續展開特性的平面曲線線形的微槽道，所述曲線的曲率半徑為20微米－1000微米；至少一個進口，位於微槽道的中心；至少兩個出口，位於微槽道的尾部。本發明微流體離心晶片採用矽微加工工藝製作，含有一個具有微小曲率半徑的螺旋線型微槽道，當流體樣品在該槽道內做高速運動時，由於彎曲通道的作用，將會產生離心加速度，從而實現片上離心操作。實驗證明本發明所提出的晶片適於微加工，能夠實現非常好的離心效果，同時具有成本低、速度快、便於與其他生物或化學操作進行片上集成等優點。
文檔編號B01D21/26GK101086504SQ20061001211
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月6日 優先權日2006年6月6日
發明者李志宏, 王瑋 申請人:北京大學