三維聚焦流合成液滴微流控晶片及其製作方法與流程

2023-05-16 13:49:27

本發明涉及一種三維聚焦流合成液滴微流控晶片及其製作方法，該微流控晶片可以與質譜聯用、在氣液兩相流中用於產生微小液滴。

背景技術：

微流體晶片特別是具備高密度、大規模、高通量、多功能等特點的集成微流體晶片，已經在化學和生物學等領域發揮著重要的作用。與宏觀尺度的實驗裝置相比，這一技術顯著降低了樣品的消耗量，提高了反應效率。同時也降低了實驗產生廢物對環境的汙染；集成微流體晶片操作的並行優勢可以實現實驗的高通量、自動化控制；並且可以通過微閥微泵等微細結構進行精確控制。這使得微流體晶片在分析領域中具有不可替代的優勢。

亞微米液滴的直徑尺寸範圍在1nm到100μm。尺寸越小使比表面積比越高，相應的吸附能力、溶解能力、化學反應速率會有所提高，因此相對於大尺寸的材料，微納米材料的電性能、光性能、機械性能和化學性能具備特殊的優勢。其中，亞微米液滴因合成方式多樣、產量高、應用廣泛等特點被多個方向的研究學者青睞。將液滴固化可形成顆粒，在過去數十年時間的發展中，亞微米顆粒材料先被應用於工業產品的生成，後又被應用於化工業產品的合成。近幾年來又在生物醫學、微生物行業、分析行業和半導體行業得到廣泛的應用，例如藥物運輸、細胞封裝、生物降解、微生物傳感器等。這些研究都基於液滴合成系統。

研究中報導的具有較好亞微米液滴合成效果的微流體晶片多採用石英、玻璃材料。毛細管根據大小不同組裝成套管，形成自然的三維聚焦結構，可用於液滴生成。但是毛細管套管晶片不易形成聚焦流，生成幾微米的液滴難度較大，同時玻璃材料呈親水性，做油包水實驗需要預先對毛細管表面進行改性實驗。另一種常用材料是高聚物聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)，採用它製作一般的二維結構微流體新晶片，要得到好的聚焦流則比較困難，需要構造具有三維結構流道的微流體晶片。它相對前一種材料成本低很多，製作工藝簡單，製作時間短，可批量製作，所以對這種材料進行工藝上的創新研究具有很大的意義和價值。一種好的微流體晶片的結構、材料和製作方法，都能在成本和結構穩定性上給分析系統帶來很大的幫助。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於克服現有技術的不足，提供一種三維聚焦流合成液滴微流控晶片及其製作方法。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種三維聚焦流合成液滴微流控晶片，包含連續相層和離散相層；所述連續相層包含連續相流道(502)、連續相儲液池(503)、防堵塞陣列結構(507)、流體輸出流道(505)和流體輸出口(506)，所述離散相層包含離散相流道(501)、離散相儲液池(504)和收縮口(508)；所述連續相流道(502)從連續相儲液池(503)開始，經過所述防堵塞陣列結構(507)後形成一條流道，在中途分成兩條連續相流道(502)，對稱分布於所述離散相流道(501)兩側，並且最終在所述離散相流道(501)出口處相交相通，連續相流體360°對稱擠壓離散相流體使離散相流體形成聚焦流，流經所述收縮口(508)後進入所述流體輸出流道(505)；所述收縮口(508)的寬度小於所述離散相流道(501)的寬度以形成聚焦流動；所述連續相流道(502)的深度大於所述離散相流道(501)和所述收縮口(508)的深度，且所述離散相流道(501)出口在橫向和深度方向上位於所述連續相流道(502)的中間位置，形成三維立體結構。

所述結構適用於合成油包水型的液滴，即將水性流體作為離散相，油性流體作為連續相，整體三維微流道的壁面呈天然疏水性，有效阻礙離散相流體接觸壁面。同時可以通過表面改性實驗將整體流道壁面改性為親水性，則利於實現水包油型的液滴生成。

所述微流控晶片所用材料是高聚物聚二甲基矽氧烷即pdms，所述微流控晶片由上下兩片pdms鍵合形成，且兩片pdms都包含有相同鏡像的流道結構。

所述離散相流道(501)與所述連續相流道(502)相交處的夾角為90°。

所述連續相層和所述離散相層直接從光刻膠形成的模具中脫模成型。

所述收縮口(508)的深度和所述離散相流道(501)的深度相同。

一種製作所述的三維聚焦流合成液滴微流控晶片的製作方法，包括以下步驟：

使用離散相層掩膜版和連續相層掩膜版進行模具製作；

其中，所述連續相層掩膜版的透光區域定義連續相流道(502)、連續相儲液池(503)、防堵塞陣列結構(507)、流體輸出流道(505)和流體輸出口(506)的圖形；所述離散相層掩膜版的透光區域定義離散相流道(501)、離散相儲液池(504)和收縮口(508)的圖形；

模具製作過程中，在矽基片上甩最底層光刻膠後，通過所述離散相層掩膜版對最底層光刻膠曝光；再在矽基片上甩上層光刻膠後，通過所述連續相層掩膜版對上層光刻膠曝光，顯影后形成離散相層和連續相層，由此得到以矽基片為襯底的模具；

然後，使用模具分別成型出兩片鏡像對稱的pdms；

再後，將兩片鏡像對稱的pdms鍵合形成一塊完整的三維聚焦流合成液滴微流控晶片。

所述晶片可通過改變均價速率，獲得不同的離散相流道(501)和連續相流道(502)的深度比，可影響不同驅動壓力比下壓力比與生成液滴大小的關係。

所述離散相層掩膜版和所述連續相層掩膜版均含有對齊結構，用於曝光時將光刻膠形成的已有結構與在後使用的掩膜版對齊。

用於成型兩片pdms的pdms聚合物的基液與固化劑的比例不同。

基液與固化劑以1:10和1:15兩種比例混合，兩種混合比例分別用於成型上下兩片pdms。

所述光刻膠採用su-8膠。

本發明的有益效果：

受到毛細管套管的兩相流流體聚焦微晶片的啟發，發明人設計了能夠產生亞微米液滴的三維流體聚焦微晶片。目前用於兩相流中流體聚焦功能的微流體晶片大多屬於二維結構，要形成聚焦流生成亞微米液滴需要很高精度驅動壓力控制，同時伴隨高電壓施加於離散相流體；而發明人設計的三維流體聚焦微流體晶片實現了在沒有高電壓的情況下，具備油包水的流體聚焦功能，並且能夠穩定生成亞微米液滴。與傳統油水兩相流相比，該結構更容易產生聚焦流，可以直接收集微小液滴。連續相流道和連續相儲液池之間增加防堵塞的陣列結構，防堵塞陣列結構過濾掉連續相流體從儲液池中帶來的pdms殘渣，解決pdms微流體晶片中普遍存在的堵塞問題，避免液滴合成過程中pdms殘渣容易在收縮口處形成堵塞，避免影響液滴合成的穩定性。離散相流道出口設置收縮口結構，流道的尺寸突減能夠增大流體輸出的流速，有助於連續相流體對稱擠壓離散相流體形成聚焦流，同時可以防止流體倒流。

所述三維聚焦流合成液滴微流體晶片可以應用在生物製藥、藥物運輸、生物封裝等需要產生亞微米液滴的領域。

附圖說明

圖1示出了本發明微流體晶片製作方法的主要流程圖。

圖2示出了本發明涉及的兩塊掩膜版的示意圖。

圖3示出了兩層軟光刻套刻製作矽片模板的具體過程示意圖。

圖4示出了單片pdms成型俯視示意圖。

圖5示出了鍵合後的整體pdms晶片俯視示意圖、側向切面圖以及實物圖。

圖6示出了三維聚焦流合成液滴微流體晶片生成液滴的實驗圖。

圖7示出了三維聚焦流合成液滴微流體晶片合成液滴大小和壓力大小關係測試圖。

附圖標記：矽基片100，離散相流道模板101，連續相流道模板102，pdms上片103，pdms下片104，離散相層掩膜板200，連續相層掩膜板201，離散相掩膜版對齊標記202，連續相掩膜版對齊標記203，離散相流道出口204，防堵塞結構205，連續相流道相交處結構206，光刻膠300、301，切割後pdms結構層400，聚焦流形成結構401，光學顯微鏡圖402，pdms切割線403，完整三維聚焦流合成液滴微流控晶片500，離散相流道501，連續相流道502，連續相儲液池503，輸出流道505，輸出口506，防堵塞陣列結構507，收縮口508，完整三維聚焦流合成液滴微流控晶片a-a截面509，完整三維聚焦流合成液滴微流控晶片實物510，聚焦流600，大液滴601，小液滴602。

具體實施方式

以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。

在一種實施例中，一種三維聚焦流合成液滴微流控晶片，包括連續相層和離散相層，所述連續相層包含連續相流道502、連續相儲液池503、防堵塞陣列結構507、流體輸出流道505和流體輸出口506，所述離散相層包含離散相流道501、離散相儲液池504和收縮口結構508；連續相流道502從連續相儲液池503開始，經過防堵塞陣列結構507過濾掉流體中的殘渣後形成一條流道，在中途分成兩條連續相流道502，對稱分布於離散相流道501兩側，並且最終在與離散相流道501出口處相交相通，連續相流體360°對稱擠壓離散相流體使離散相流體形成聚焦流，流經收縮口508；收縮口508寬度尺寸小於離散相流道501，厚度和離散相流道501相同，流道的尺寸突減使流體流速增大，以形成聚焦流動；連續相流道502深度大於離散相流道501和收縮口508的深度，且離散相流道501出口在橫向上和深度方向上均位於連續相流道502相交處的中間位置，形成三維立體結構；所述三維聚焦微流體生成液體晶片所用材料是高聚物聚二甲基矽氧烷polydimethylsiloxane，pdms，三維聚焦微流體生成液體晶片由上下兩片pdms鍵合形成，且兩片pdms都包含有相同鏡像的流道結構；

所述離散相流道501與連續相流道502夾角為90°，所有流道直接從光刻膠形成的模具中脫模成型，而非切割修整所得；

輸出流道505的起始處增加深度與離散相流道501相同的收縮口508，增大流體輸出的流速，有助於連續相流體對稱擠壓離散相流體形成聚焦流，同時可以防止流體倒流；

連續相流道502和連續相儲液池503之間增加防堵塞的陣列結構507，過濾掉連續相流體從儲液池503中帶來的pdms殘渣。如果不增加防堵塞陣列結構507，液滴合成過程中pdms殘渣容易在收縮口508處形成堵塞，影響合成的穩定性。

如圖1所示，根據本發明的製作方法，主線工藝流程採用軟光刻工藝，基本流程如下：製作掩膜版200——甩光刻膠301——曝光——製作掩膜版201——甩光刻膠303——曝光——顯影——成模——混合pdms103傾倒入模——固化剝離——切塊——鍵合。

根據本發明實施例的製作方法，設計兩塊並製作菲林材料掩膜版，掩膜版上分為透光區和不透光區。兩塊掩膜版均含有標記結構202和203，它們用於確保在兩次曝光過程中，不同的兩塊掩膜版都能與矽基片100按相同的相對位置對齊。

根據圖2示出的本發明實施例涉及的兩塊掩膜版的示意圖，離散相層掩膜版200定義離散相儲液池、離散相流道和收縮口圖形，其用於最底層光刻膠的曝光，用來定義形成離散相層；連續相層掩膜版201主要定義連續相儲液池、連續相流道、防堵塞陣列結構、輸出流道和輸出口圖形，用於上層光刻膠的曝光，定義成連續相層。離散相層掩膜版200中離散相儲液池直徑2200μm，離散相流道寬80μm，收縮口寬度50μm，以防止流體回流；連續相層掩膜版201中連續相儲液池直徑2200μm，連續相流道與連續相儲液池連接的地方寬200μm，與離散相流道相交的地方寬100μm；防堵塞陣列結構205採用長250μm寬80μm的矩形，以30μm為間隔陣列；當兩塊掩膜版按標記結構202和203對齊定位後，離散相流道出口204恰好位於連續相流道相交處中間位置，連續相流道對稱分布於離散相流道兩側，保證了晶片核心結構的實現。

根據本發明實施例的製作方法，光刻膠採用su-8膠，它是一種負性、近紫外線光刻膠，即紫外線照射部分會產生交聯反應，顯影過程會保留下來，形成空間上與晶片溝道恰好互補的結構，它適於制超厚、高深寬比的微結構。

根據本發明實施例的製作方法，主要包括以下製作步驟：

勻膠機以較快旋轉速度在矽基片100上將稀薄狀液體su-8光刻膠甩到一個比較薄的厚度後，在光刻機上以離散相層掩膜版200對矽基片100上的光刻膠300進行曝光。

曝光後烘完成後，繼續重複甩膠過程，略微降低勻膠機旋轉速度，以增加光刻膠301的厚度。以連續相層掩膜版201重複曝光過程，曝光後進入顯影環節。

pdms聚合物的基液與固化劑分別以1:10和1:15兩種比例混合，兩種混合比例分別用於成型上下兩片pdms103、104，以提高兩片pdms的鍵合力度。混合完成的pdms聚合物傾倒入培養皿中，培養皿底部已預先放入覆有曝光過的光刻膠的矽基片100，固化之後從矽基片100上剝離pdms103。

沿著距離流道外結構至少5mm處的pdms切割線403進行切割之後，在以1:10配比的一片pdms聚合物103儲液池上面打孔。

將含有流道結構的上下兩片pdms聚合物103、104鍵合形成最終的三維聚焦流合成液滴微流控晶片。

以下進一步具體說明製作的過程。

軟光刻套刻過程包括三個步驟：等離子處理、甩膠第一層、前烘、第一層曝光、後烘、甩膠第二層、前烘、對準曝光第二層、後烘、顯影。首先將3寸矽片晶圓100放於氧等離子機中，打上等離子；隨後將矽片晶圓100固定在勻膠機的真空吸盤上，用滴管將適量稀薄狀su-82025膠滴在晶圓中心，以轉速3000轉/分鐘甩膠30秒；轉至熱板上以95℃烘6分鐘完成前烘，空冷至室溫；將前烘空冷後的矽片晶圓100放入紫外線光刻機的矽片臺上，將離散相層掩膜版200輕輕貼放於光刻膠上，保持矽片晶圓100與離散相層掩膜版200大致對中，卡緊後設置曝光時間為18秒，開始曝光；完成後小心將矽片晶圓100轉至熱板上，以95℃烘6分鐘，完成後烘過程。對於連續相層掩膜版200的甩膠、曝光過程，大體與上述的過程一致。然而為了得到較厚的光刻膠層，甩膠速度降為1500轉/分鐘；曝光過程中則是將連續相層掩膜版201放置於光刻膠上，利用其上的標記結構204與矽片晶圓100上已經交聯固化的光刻膠標記結構203對準，即可保證產生的連續相流道502對稱分布於離散相流道501兩側，離散相流道501出口恰好位於連續相流道502相交處，從而保證了離散相從離散相流道501中流出後，恰好被連續相流道502中的連續相對稱擠壓形成聚焦流。將冷卻的矽片晶圓100轉移到盛有顯影液的大培養皿中，保證顯影液能完全浸沒矽片，顯影10分鐘後取出，用乙醇衝洗乾淨。

至此，以矽片為襯底的光刻膠微流道模板製作完成。

如圖3，離散相層掩膜版200對應的製作只完成一次甩膠、曝光過程，連續相層掩膜版201對應的製作過程完成一次次甩膠、曝光、顯影過程。這樣使得連續相流道502的厚度(厚約150μm)遠大於離散相流道501厚度厚約25μm，從而有利於離散相從離散相流道501流出後懸浮於連續相中，而不與流道壁面接觸。在此矽片晶圓100上成型的pdms結構作為pdms結構層400，pdms結構層交叉口401以及流道示意圖清晰展示了離散相流道501和連續相流道502的相對位置和深度關係。

根據本發明的製作方法，分別用不同比例混合好的pdms聚合物製作兩片pdms，成型後的pdms結構如圖4所示。將其放置在顯微鏡下，用刀片沿著微流體晶片外輪廓線403進行切割，得到切割後pdms上片103和切割後pdms下片104。然後將兩片pdms在顯微鏡下對齊，鍵合形成一塊完整的三維聚焦流合成液滴微流控晶片，如圖5所示。

根據本發明的製作方法，將最終製得的三維聚焦流合成液滴微流控晶片放置在烘箱中，120℃烘烤24小時，或者更長時間。

本實施例中的pdms晶片的整個製作過程如上所述，製作方法也在本實施例進行了體現。本實施例中的三維聚焦流合成液滴微流控晶片主要用來產生亞微米液滴，聚焦流與形成大小液滴如圖6所示。所述離散相在本實施例中為水性液體樣品，所述連續相在本實施例中為油性液體樣品。水性液體樣品從三維聚焦流合成液滴微流控晶片聚焦流出後，離散成亞微米液滴。通過調節兩相壓力的值改變形成的液滴的大小，圖7展示了三維聚焦流合成液滴微流體晶片合成液滴大小和壓力大小關係測試圖。

以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬於本發明的保護範圍。