基於磁珠固定的微加工、表面修飾方法及微晶片結構的製作方法

2024-02-17 12:42:15

專利名稱：基於磁珠固定的微加工、表面修飾方法及微晶片結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物工程和分析化學技術領域，具體涉及微加工及表面修飾方法。
背景技術：
近年來，微流控晶片技術在分析化學和生化檢測領域得到越來越廣泛的應用。其中， 晶片通道內的微結構加工和晶片內部流動通路的表面修飾是晶片能夠實現特定功能的一個 重要的前提條件。用於晶片上微結構加工和表面修飾的方法很多，最常用的是光刻-化學蝕 刻方法和軟光刻方法。這些方法可以加工出很高精度的微結構，也可以在微通道表面修飾 微細的圖案。但是，這些加工方法通常都需要在晶片封裝，即通道完全密閉前完成。最近， 美國哈佛大學的Whitesides等人利用層流條件下的溶液擴散反應，在不同液體反應劑的界面 沉積固體反應物，從而實現封閉微通道中的微加工工藝，但這種方法難以控制，所能加工 的微結構也很簡單。另外，現有的方法也都不能實現在封閉的微通道中隨意產生、改變或 者移走微結構，儘管這些操作都具有重要的應用意義。例如，可以在需要的時候產生、改 變或者移走微結構，可以大大降低晶片設計的難度，避免某一操作所需要的微結構會對隨 後的實驗操作帶來幹擾。

發明內容
本發明針對現有技術的不足和微流控晶片技術的發展需要，提出了一種以微磁珠固定 為基礎的晶片內微結構加工和表面修飾的方法以及實現該方法的微晶片結構，以在需要的 時候產生、改變或者移走微結構，降低晶片設計的難度，避免某一操作所需要的微結構會 對隨後的實驗操作帶來幹擾。
本發明的技術方案如下-
該方法是通過在微流控晶片的微通道網絡底部外，根據所需要加工的微結構形狀或者 表面修飾圖案形狀，直接加工電磁線圈或結合永磁體，通過永磁體的磁場或者加載電流使 電磁線圈產生特定磁場吸附晶片微通道中流動的磁珠懸浮液中的微磁珠，使其按永磁體或 電磁線圈的磁場控制作用排列，並固定在微通道底部，在微通道內形成所需要的特定三維 微結構或者二維表面修飾圖案。這些結構和修飾圖案可以隨磁場的改變而改變。當不需要
3微結構或表面修飾時，移走永磁體或關閉電磁線圈的控制電源，然後用液體衝洗掉未固定 的磁珠；所述微通道網絡通過進、出樣口與外界管道連接，用於液體的流動；在加工了電 磁線圈的微通道網絡底部外覆蓋有絕緣層，絕緣層外由支撐層作支撐。
實現上述方法的微晶片結構通常包括通道層、支撐及電極層、絕緣層及支撐層；如果 採用永磁體產生磁場，可以只有通道層和支撐層。所述通道層上面加工微通道網絡，分別 與進出樣口相連接，支撐及電極層(在採用永磁體時是支撐層)與通道層通過物理方法結 合，作為晶片中微通道網絡的底部，和通道層一起構成封閉的流動網絡，微通道網絡內通 入有磁珠懸浮液；在所述支撐及電極層中加工有電磁線圈，用來產生特定的磁場。經過加 工處理的永磁體可以設置在微通道網絡的底部，也可以用來產生特定的磁場。永磁體或電 磁線圈的形狀根據需要加工的微結構形狀或者表面修飾圖案形狀確定。對於採用電磁線圈 產生磁場的晶片，在支撐及電極層表面還覆蓋絕緣層，支撐層結合在絕緣層外。
所述微晶片的通道層採用玻璃、有機玻璃、聚二甲基矽氧烷(PDMS)等透明晶片加 工材料製成。
所述微晶片的微通道的底部很薄，小於50微米。
所述磁珠的直徑在幾十納米到幾十微米之間。磁珠內部為超順磁顆粒，外面由有機材
料包裹。
利用上述以磁珠固定為基礎的微結構加工和表面修飾方法可以在晶片上進行細胞固定 和控制細胞定向生長，通過讓大量磁珠按一定方向排列，可以形成微水壩結構，讓細胞依 靠微水壩排列固定。也可以讓表面用poly-lysine修飾後的、直徑很小(l微米或者亞微米) 的磁珠顆粒在通道底部排列成特定圖案，以控制細胞的定向生長。
本發明提出的方法和晶片結構具有以下優點-
1) 晶片設計要求低，所需要的加工條件也很低，容易推廣；
2) 通道內的微結構和表面修飾圖案可以根據要求(如實驗進度)而隨時改變，增減; 避免某一操作所需要的微結構會對隨後的實驗操作帶來幹擾。
3) 晶片內部結構的組合和排列，可以產生很多新的功能。


圖1是晶片的剖面結構示意圖
圖2是採用永磁鐵時的晶片的剖面結構示意圖3是晶片的通道層示意圖；圖4是利用磁珠形成的微水壩進行細胞固定及紅細胞滲透脆性實驗；其中a.圖是顯示 在電極上通電後，磁珠固定在電極形成的磁場附近，圖中箭頭表示流動方向；b圖是顯示 用緩衝液衝洗掉未固定的磁珠；C圖是顯示在磁珠形成的條帶一側固定一列紅細胞；d.圖是 顯示停止對電極供電，磁場消失，用緩衝液衝洗掉未固定的磁珠；e圖是顯示紅細胞滲透 脆性實驗；f.沿紅細胞隊列上的鹽濃度梯度；
圖5是利用磁珠修飾的表面來培養細胞並控制細胞定向生長，其中a圖是顯示兩個相 同的微電極線圈，右側的有電流通過，產生的磁場上有磁珠固定；b圖是顯示在磁珠固定 的區域有神經細胞生長；C圖是.顯示神經細胞逐漸向新覆蓋的磁珠表面生長)。
具體實施方式
實施例h
參見圖1，以磁珠固定為基礎的微結構加工和表面修飾方法的晶片包括通道層1、支撐 及電極層2、絕緣層3及支撐層4。通道層l採用聚二甲基矽氧烷(PDMS)製成，上面加 工了 "H"形狀的微通道網絡7，分別與四個獨立的進出樣口9相連接(見圖3)。磁珠懸 浮液或者樣品溶液可以從任意的進出樣口進出晶片通道。支撐及電極層2的絕緣樹脂8 — 側結合在通道層1上加工有微通道網絡7的一面，有兩個功能 一個是作為晶片中微通道 網絡7的底部，和通道層1一起構成封閉的流動網絡；二是將微電磁線圈5微加工在這一 層中，用來產生特定的磁場。將矽材料的一側氧化生成二氧化矽絕緣層3，在未氧化的一 側用採用光刻及化學蝕刻的方法加工線圈5。然後在線圈5的上表面沉積金以增加導電性。 在線圈5加工完成後，覆蓋上很薄的一層樹脂8，剛好蓋過電極表面。該絕緣層可以防止 通道內液體和電極連通導電。其厚度很薄，有利於磁場穿過。而且，該樹脂容易形成非常 平整的表面，易於晶片的密封。支撐層4採用矽材料。
整個晶片的尺寸為20(長)xio(寬)x5(高)mm(請在附圖中標出長、寬、高)。 微通道網絡7的寬度和深度分別為200 Hm和12pm,電極的厚度為4 pm，樹脂層的厚度 是10^un。所有進出樣口9的直徑為2mm。
另外，這種微晶片也可以採用永磁鐵產生磁場，其結構如圖2所示，它包括通道層l 和支撐層4;所述通道層1上面加工微通道網絡7,分別與進出樣口 9相連接，支撐層4 加工在透明硬質材料上面，然後通過物理或者化學作用與通道層1結合，作為晶片中微通 道網絡7的底部，和通道層1一起構成封閉的流動網絡，微通道網絡7內通入有磁珠懸浮 液，圖中6微磁珠；在通道網絡7底部結合有永磁體10，永磁體IO根據需要加工的微結構形狀或者表面修飾圖案形狀加工成相應的形狀。通過永磁體10的磁場吸附晶片微通道網 絡7中流動的磁珠懸浮液中的微磁珠6，使其按永磁體的控制作用排列，並固定在微通道 內底部，在微通道內形成所需要的微結構或者表面修飾圖案。
實施例2:利用磁珠構成的微水壩結構固定細胞並進行紅細胞脆性實驗
在實施例1中所述的晶片的一個進出樣口9 (圖4的a圖中A)中加入10pm直徑的 磁珠懸浮液，在40Pa壓力的驅動下流向另外三個進出樣口 9。晶片中間通道下方的支撐及 電極層2中央橫穿過一個"U"形的微電磁線圈5，中間的距離為30^m。在微電磁線圈5 上用恆流直流電源加載上200 mA的直流電流。當微磁珠6流過該電極區域時，會與電極 產生的感應磁場作用而固定在微通道網絡7的底部(圖4的b圖)。經過一段時間的微磁珠 6沉積，可以在微通道7的底部沿微電磁線圈5的方向形成一條微磁珠帶(微水壩)。然後 用由下向上(該方向應在附圖中示出)的流動衝洗掉未固定的微磁珠6。在進出樣口 9 (圖 4的a圖中A)中加入紅細胞等滲懸浮液，在40 Pa壓力的驅動下流向另外三個進出樣口 9。 由於微磁珠6 (10pm直徑)與通道7 (12pm)頂部的縫隙是2 pm，紅細胞的直徑大約是 6-9 pm。有向下流動趨勢的紅細胞都會被磁珠微水壩阻擋，從而沿該微水壩固定(圖4的 c圖)。等紅細胞固定並吸附在通道底部後，關閉電源，用10Pa壓力驅動等滲緩衝液緩慢 衝洗掉所有的微磁珠6 (圖4的d圖)。在進口 A和B中分別流入等滲液和純水，等滲液 中的離子會逐漸擴散到純水中。控制流動速度讓沿細胞排列方向的離子濃度形成圖4f中所 示的濃度梯度。離子濃度越低，其向細胞內滲透的能力越強，滲入細胞中的液體越多，細 胞膨脹得越厲害。當細胞膨脹到一定程度後會發生破裂(圖4的e圖)。這就是晶片上的紅 細胞滲透脆性實驗。
實施例3:利用微磁珠形成的表面來控制細胞的生長
在與實施例l相似的晶片(其中通道的寬度為500 pm，長度為lmm)的通道下加工 兩個並列的微電磁線圈(圖5中的a圖)。每個線圈為12匝，微電磁線圈5的導線寬度為 10pm，間距也是10pm。電源對兩個線圈分別供電。
細胞在通道表面的吸附和生長通常需要一定的修飾表面，如poly-lysine修飾的表面。 在本實施例中，我們用poly-lysine修飾1 ^im直徑的微磁珠6。然後讓微磁珠懸浮液在通道 中流動，這些微磁珠會在通電線圈5上面吸附固定，形成一個矩形的修飾表面。實驗中， 先只給右邊的線圈供電，讓微磁珠6在上面固定，形成修飾表面。然後流入表達綠色螢光 蛋白的神經細胞懸浮液。祌經細胞在修飾的表面吸附，在加入培養液後會生長。等兩天後，
6在螢光顯微鏡下觀察，可以看到神經細胞開始在修飾的表面鋪展(圖5的b圖)。此時，給 左邊線圈供電，同時加入表面修飾的微磁珠懸浮液，讓磁珠也吸附在左側的線圈上面。再 經過兩天的培養，可以發現神經纖維開始向新修飾的表面生長(圖5的c圖)。
權利要求
1、一種微晶片中基於磁珠固定的微結構、表面修飾方法，其特徵在於該方法是通過在微流控晶片的微通道網絡底部外，根據所需要加工的微結構形狀或者表面修飾圖案形狀，直接加工電磁線圈或結合永磁體，通過永磁體的磁場或者加載電流使電磁線圈產生特定磁場吸附晶片微通道網絡中流動的磁珠懸浮液中的微磁珠，使其按永磁體或電磁線圈磁場控制作用排列，並固定在微通道內底部，在微通道內形成所需要的微結構或者表面修飾圖案，這些微結構和修飾圖案隨磁場的改變而改變；當不需要微結構或表面修飾時，移走永磁體或關閉電磁線圈的控制電源，然後用液體衝洗掉未固定的磁珠；所述微通道網絡通過進、出樣口與外界管道連接，用於液體的流動。
2、 實現權利要求1所述方法的微晶片結構，其特徵在於它包括通道層(1)、支撐 及電極層(2)、絕緣層(3)及支撐層(4);所述通道層(1)上面加工微通道網絡(7)， 分別與進出樣口 (9)相連接，支撐及電極層(2)加工在表面覆蓋了導電材料的透明硬質材料上面，並用絕緣材料(8)覆蓋，然後通過物理作用與通道層(1)結合，作為晶片中 微通道網絡(7)的底部，和通道層(O —起構成封閉的流動網絡，微通道網絡(7)內通入有磁珠懸浮液；在所述支撐及電極層(2)中加工有電磁線圈(5)，用來產生特定的磁 場，所述電磁線圈(5)的布局根據需要加工的微結構形狀或者表面修飾圖案形狀確定；所 述絕緣層(3)覆蓋在支撐及電極層(2)表面，支撐層(4)結合在絕緣層(3)夕卜。
3、 實現權利要求l所述方法的微晶片結構，其特徵在於它包括通道層(1)和支撐層(4);所述通道層(1)上面加工微通道網絡(7)，分別與進出樣口 (9)相連接，支 撐層(4)加工在透明硬質材料上面，然後通過物理或者化學作用與通道層(1)結合，作 為晶片中微通道網絡(7)的底部，和通道層(1) 一起構成封閉的流動網絡，微通道網絡 (7)內通入有磁珠懸浮液；在通道網絡(7)底部結合有永磁體(10),永磁體(10)根 據需要加工的微結構形狀或者表面修飾圖案形狀加工成相應的形狀。
4、 根據權利要求1或2所述的微晶片結構，其特徵在於所述微晶片的通道層(1)採用玻璃、有機玻璃或聚二甲基矽氧垸PDMS這些透明晶片加工材料製成。
5、 根據權利要求1或2所述的微晶片結構，其特徵在於所述微磁珠的直徑在幾十納 米到幾十微米之間，磁珠內部為超順磁顆粒，外面由有機材料包裹。
6、 根據權利要求1或2所述的微晶片結構，其特徵在於所述晶片的微通道底部的厚度小於50微米。
全文摘要
本發明提出一種在微晶片中進行微結構加工和表面修飾的方法，該方法所採用的晶片上有微通道網絡，通過進、出樣口與外界管道連接。微通道暢通，用於液體的流動。晶片下方由永磁體或者電磁線圈產生磁場。通道的底部很薄，有利於磁場穿透。晶片通道中流動的磁珠懸浮液中的磁珠在磁場作用下，可以固定在通道的底部。通過加載或者移開磁場可控制磁珠的固定情況。本發明中晶片結構簡單，易於加工。產生磁場的結構也容易製作，有利於推廣。它可以用於在微晶片上形成特定的微結構來完成一定的功能，也可以利用微小的磁珠顆粒來形成一定的表面修飾圖案，用於生化等相關研究。
文檔編號G01N27/72GK101477081SQ200810069438
公開日2009年7月8日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者劉向紹, 張麗果, 李圓怡, 軍 楊, 敏 王, 翟盛傑, 鄭小林, 陰正勤 申請人:重慶大學