紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法

2023-05-03 20:32:11 2

專利名稱：紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法
技術領域：
本發明屬微流控晶片技術領域，具體涉及一種紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃 微流控晶片的方法。
背景技術：
自從Manz於1990年首次提出微型全分析系統以來[l]，微流控晶片就以其高效、 快速、試劑用量少、低耗及集成度高等優點引起了國內外分析科學界及生命科學界有關 專家的廣泛關注，在生物醫藥、環境監測、臨床診斷、食品藥品分析等領域顯示了良好 的應用前景，目前制約其廣泛應用的瓶頸之一就是其較高的價格和較低的產量。微流控 晶片有著十分光明的應用前景和巨大的市場需求，建立其批量低成本加工技術勢在必 行。近年來，作為微流控晶片基礎的晶片材料和批量低成本加工技術研究已受到廣泛關 注。
微流控晶片主要使用玻璃、石英和聚合物製作[2]，玻璃和石英微流控晶片主要採 用光刻與化學刻蝕相結合的方法加工，技術和設備要求高，難以採用模具大批量生產， 價格比較昂貴，限制了其廣泛應用。於是近年來聚合物微流控晶片得到了發展和重視， 可使用模具通過注塑、印模和澆鑄等技術進行批量低成本生產[3]。用於加工微流控芯 片的聚合物有有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚二甲基矽氧垸、聚碳酸酯、聚苯乙烯 等，其中有機玻璃以其良好的機械和光學性能、電絕緣性、易成型、生物相容性好、批 量生產成本低和容易化學修飾等優點，在微流控晶片的加工中使用較多。有機玻璃也是 一種"綠色"晶片材料，廢棄後，在高溫下其又可以分解為甲基丙烯酸甲酯單體，可循 環利用。
目前，關於有機玻璃微流控晶片的加工技術有熱壓[4]、注塑[5]和雷射燒蝕[6]等， 其中熱壓技術最為常用，即在高於有機玻璃玻璃化溫度(105 °C)的條件下，通過施加 壓力使陽膜的結構複製到有機玻璃片上，使用的矽陽膜或金屬陽膜採用微機電加工技術 製作。熱壓對晶片模具的機械強度要求較高，矽模具易碎，通常熱壓次數不超過50次， 不適合有機玻璃微流控晶片的批量熱壓加工，目前使用較多的是機械強度較高的鎳模 具。據文獻報導，熱壓製作出來的塑料晶片上的微流通道有變形現象，與設計值有一定差異。最近採用熱引發[7]甲基丙烯酸甲酯本體聚合製備有機玻璃晶片已有文獻報導， 但存在的問題是聚合成形時間長達12小時，無法用於晶片的批量加工。此外，因聚合 過程中體積收縮，由於使用剛性模具空腔，晶片內部容易產生氣泡，聚合過程中需額外 添加單體溶液，操作比較複雜。於是，建立簡單快速的基於本體聚合的有機玻璃微流控 晶片加工方法對實現晶片的批量低成本加工具有重要意義。與本發明相關的現有技術如
下述參考文獻 Manz A., Graber N. ， Widmer H. M. Sens. Actuators B 1990, 1， 244 - 248. [2] Verpoorte E. Electrophoesis 2002' 23' 677 - 712. [3] Becker H., Gartner C. Electrophoresis 2000, 2, 12-26. [4]杜曉光，關豔霞，王福仁，方肇倫.高等學校化學學報，2003， 24， 962 - 1966.周小棉，戴忠鵬，羅勇，等.高等學校化學學報，2005, 26, 52 - 54. [6] Roberts M. A., Rossier J. S. ， Bercier P., Girault H. Anal. Chem. 1997, 69， 2035 - 2042. ChenZ. F. ， Gao Y. H. ， Su R. G., Li C. W., Lin J. M. Electrophoresis 2003, 24， 3246-3252.

發明內容
本發明的目的在於提出一種紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方 法。本發明藉助紅外線輔助有機玻璃單體甲基丙烯酸甲酯本體聚合的優勢，使用價廉的 矽模具製作有機玻璃微流控晶片，可縮短製作步驟和降低晶片製作成本，為微流控晶片 的批量低成本加工提供新技術。
本發明提出的紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法，採用可控溫 紅外線輔助本體聚合系統，將含少量熱引發劑的甲基丙烯酸甲酯於水浴中預聚，得到的 鑄模溶液15直接夾在商品有機玻璃板11和微流控晶片陽模9間，在紅外線16的輻照 下所述鑄模溶液於短時間內(如0.5-1小時)完全聚合，得有機玻璃微流控晶片基片 17，所述基片經鑽孔與蓋膜19或蓋片通過熱壓鍵合得有機玻璃微流控晶片。
本發明所述的紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法，具體步驟如
下
釆用計算機輔助設計軟體設計晶片結構，典型的設計如圖l所示，由單十字交叉微流通道和溶液連接孔構成，採用高解析度(如3600 dpi)雷射照排系統在透明薄膜上打 印成掩膜，微通道部分為黑色線條，寬度為40-100微米，其他部分為透明。在經氧化 處理的矽片(p型，厚500 Mm,直徑4英寸，晶向〈100〉，表面二氧化矽氧化層厚800nm) 通過旋轉塗膜技術塗覆一層正性光刻膠(Shipley S1813光刻膠，Shipley, Marlborough, MA，美國)，旋塗條件為2000-4000卬m，時間為40-80秒。然後在100-120 。C烘烤處 理40-80秒以提高光刻膠的附著並除出殘留的溶劑(暴光前烘)，然後蓋上掩膜(含設 計的微流結構)，使用Karl Suss MA6/BA6光刻機(Karl Suss, Germany)進行接觸式紫 外線曝光30-50秒後，浸入20% Microposit 351顯影劑(Shipley)60-100秒，以洗去 暴光部分的光刻膠層，然後於140-160 。C烘箱中烘20-40分鐘使毛細管通道和溶液連 接孔部分未曝光的光刻膠硬化，經0.5-2 M氟化氫銨洗去未被光刻膠覆蓋的Si02層後， 用50-70 。C的35%-55% KOH水溶液刻蝕裸露的矽片至深度為30-50微米，最後除去光 刻膠後即可製成矽片陽模9。
將一定質量的甲基丙烯酸甲酯單體與少量熱引發劑偶氮二異丁腈(單體質量的 0. 1-0.3%),在50 。C水浴加熱並搖動使其溶解，然後於80-90 。C水浴中加熱10-20分鐘， 每1-3分鐘搖動混合溶液一次,使單體溶該預聚成粘稠的甘油狀鑄模溶液15。該鑄模溶 液含熱引發劑，需在低溫條件下貯存，在4 'C的冰箱中可以保存至少6個月。
由於紅外線照射物體會產生熱量,而鑄模溶液聚合需要在一定溫度下進行，且溫度 過高容易產生暴聚，造成鑄模失敗，故本發明設計了可控溫的紅外線輔助聚合裝置，其 結構如圖2所示。將紅外線燈泡8 (功率100-500 W，紅外線波長範圍1.72到16.66 微米)安裝在一有通氣孔的箱子13中，在箱的側壁安裝風扇12,向箱內鼓入冷風以調 節箱內溫度。風扇12的啟動和關閉通過連有熱電偶10的溫度控制儀14控制，熱電偶 IO置於箱中以監測其中的溫度。因紅外線燈泡8會產生熱量，當箱中溫度高於設定溫 度(如40-60 °C)，溫度控制儀14將開啟風扇12，而當箱中溫度低於設定溫度，風扇 12將被關閉，從而構成可控溫的紅外線輔助聚合系統。
如附圖3所示，取1-3毫升鑄模溶液15沿微流控晶片陽模9凸出的分離通道直接 澆在陽模上並成條狀，將一片厚1毫米的有機玻璃片11直接蓋在鑄模溶液15上並壓緊， 使鑄模溶液15充滿有機玻璃片11與陽模9間的縫隙，要求微流通道結構全部在有機玻 璃片ll的下方，然後將工件水平放置在可控溫的紅外線輔助聚合裝置中，工件與紅外 線燈泡8下表面的距離為10-30釐米，溫度控制在40-60 °C。根據需要，通過控制引發 劑的量(單體質量的0. 1-0. 3%)可使鑄模溶液15在30分鐘至1小時內聚合完全。由於本發明中鑄模溶液15是被夾在有機玻璃片11和矽陽模9之間，且未使用剛性模具， 儘管隨鑄模溶液聚合會發生一定的體積收縮，有機玻璃片11和矽陽模9間的距離因未 被限制而隨之減小，但不會在鑄模溶液中和最終成形的的微流控晶片基片17中引入氣 泡，大大提高了晶片加工的成品率。當模具從微流控晶片基片脫去後，陽模凸出的微結 構可以高保真的被複製為微流控晶片基片17表面凹進去的微流結構。微流控晶片基片 17與模具9間的鍵合十分牢固，可將工件在30-50 'C水浴中超聲1-3分鐘以完成脫模。 如將鑄模溶液夾在兩間距離為50到200微米的平板玻璃間，可製得相應厚度的蓋膜。 將脫模後的微流控晶片基片17通道末端鑽孔(如圖1的溶液連接孔1、 4、 5和6，孔 徑1-3 mm)用於連接溶液。將通道末端鑽孔的微流控晶片基片17和蓋膜19用水衝洗， 吹乾後立即將蓋膜蓋19在基片17上，並用長尾票夾將基片17和蓋膜19夾在兩片玻璃 片間，要求長尾票夾的壓力直接施加在微流控晶片分離通道兩側，然後將工件置於 100-120 'C的鼓風烘箱中保持8-12min，取出自然冷卻到室溫，即完成基片17與蓋膜 19的鍵合封裝，製得的粗片經修邊得有機玻璃微流控晶片成品。
本發明提出的紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法，將甲基丙烯 酸甲酯本體聚合製備微流控晶片過程分為單體熱引發預聚和紅外線輔助本體聚合晶片
成形兩步，大大簡化了操作，具有設備簡單、操作簡便和成本低廉的特點，可用於有機 玻璃微流控晶片的批量低成本加工。


圖1為本發明涉及的常用單十字交叉微流控晶片設計圖，
其中，l為樣品溶液孔，2為分離微流通道，3為微流控晶片，4、 5和6均為緩衝 溶液孔，7為進樣微流通道。
圖2為本發明涉及的用於有機玻璃微流控晶片製備的可控溫紅外線輔助本體聚合 系統示意圖，
其中，8為紅外線燈泡，9為矽陽模，IO為熱電偶，ll為商品有機玻璃片，12為 機箱風扇，13為金屬箱，14為溫度控制儀。
圖3為本發明中紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片流程圖，
其中，9為矽陽模，ll為商品有機玻璃片，15為鑄模溶液，16為紅外線，17為含 微流結構的微流控晶片基片，18為微流通道的出口， 19為蓋膜，20為微流控晶片的橫 截面示意圖。圖4為本發明製備的有機玻璃微流控晶片封裝後的端面掃描電子顯微鏡圖片，放大 倍數為125倍。
圖5為使用本發明技術製備的有機玻璃微流控晶片分離lmM鉀(a)、鈉(b)和鋰 (c)離子標準混合溶液的電泳圖譜。
圖6為使用本發明方法製備的有機玻璃微流控晶片測定健康人(A)和腎病病人(B) 血清中鈉(b)離子的電泳圖譜。
圖7為採用紅外線輔助本體聚合法製備的用蓋片封裝的有機玻璃微流控晶片實物 照片。
具體實施例方式
下面通過實施例和附圖進一步描述本發明 實施例1
1、紅外線輔助本體聚合法製備用蓋膜封裝的有機玻璃微流控晶片
(A) 微流控晶片的設計
使用Adobe Illustrator 10. 0軟體設計晶片的微流通道和溶液連接孔，採用高分 辨率(3600 dpi)雷射照排系統在聚酯透明薄膜有藥膜的一面上列印成掩膜，掩膜上的微 流通道寬度為40 pm，溶液連接孔為直徑2 mm的圓孔，其中微流通道(分離毛細管2 和進樣毛細管7)和溶液孔1、 4、 5和6 (圖l)為黑色，剩餘部分為透明。微流控晶片 的設計見圖1。分離微流通道2長74 mm，進樣微流通道5長5 mm,其中毛細管4和5 交叉點到最近的三個溶液連接孔的距離均為5 mm。
(B) 矽陽模的製作
在經氧化處理的矽片(p型，厚500剛，直徑4英寸，晶向<100〉，表面二氧化矽 氧化層厚800 nm)通過旋轉塗膜技術塗覆一層^性光刻膠(Shipley S1813光刻膠， Shipley, Marlborough, MA，美國)，旋塗條件為3000 rpm，時間為60秒。然後在110 'C烘烤處理60秒以提高光刻膠的附著並除出殘留的溶劑，然後蓋上掩膜(含設計的微 流結構)，使用Karl Suss陽/BA6光刻機(Karl Suss， Germany)進行接觸式紫外線 曝光40秒後，浸入2(^Micr叩osit 351顯影劑(Shipley) 80秒，以洗去暴光部分的 光刻膠層，然後於150 'C烘箱中烘30分鐘使毛細管通道和溶液連接孔部分未曝光的光 刻膠硬化，將矽片浸於1 M氟化氫銨溶液中5分鐘除去未被光刻膠覆蓋的Si02層。接 著用60 。C的4(mK0H水溶液刻蝕裸露的矽片至深度為40微米(約2小時)，除去光刻膠後即製成矽片陽模9。
(C)紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片
將一定質量的甲基丙烯酸甲酯與少量熱引發劑偶氮二異丁腈(單體質量的0.2%), 在50 'C水浴加熱並搖動使其溶解，然後於85 'C水浴中加熱15分鐘,每2分鐘搖動混 合溶液一次，使單體溶該預聚成粘稠的甘油狀鑄模溶液。預聚後期聚合速度加快，當出 現氣泡時應立即停止加熱，並用冷水迅速冷卻。在預聚過程中要防止水進入，同時避免 溫度過高,否則會引發暴聚,造成物料的浪費。該鑄模溶液含熱引發劑，需在避光和低溫 條件下貯存，在4 'C的冰箱中可以保存至少6個月。
鑄模前，取2毫升鑄模溶液15沿微流控晶片陽模9凸出的分離通道直接澆在陽模 上並成條狀，將一片厚1毫米的有機玻璃片11直接蓋在鑄模溶液15上並壓緊，使預聚 溶液15充滿有機玻璃片11與陽模9間的縫隙，要求微流通道結構全部在有機玻璃片 11的下方，然後將工件水平放置於有紅外線燈泡8的金屬箱13中。由於紅外線燈泡8 不斷產生熱量，需要在箱13的側壁安裝風扇12鼓入冷風以調節箱內溫度。風扇12的 啟動和關閉通過連有熱電偶10的溫度控制儀14根據設定的溫度(50 °C)進行控制， 熱電偶探頭10置於箱13中，從而構成可控溫的紅外線輔助本體聚合製備有機玻璃微流 控晶片系統。鑄模溶液在紅外線的促進下發生本體聚合反應，40分鐘後聚合完全得到 含微流通道的微流控晶片基片17。微流控晶片基片17與模具9鍵合的十分牢固，可先 將工件在40 。C水浴中超聲2分鐘完成脫模。因為微流控晶片非接觸電導檢測電極需盡 量接近晶片內的通道，以提高檢測靈敏度，需使用厚度為150微米左右的蓋膜19來封 裝晶片。將鑄模溶液夾在兩間距離為150微米的平板玻璃(100 mm x 40 mm x 2 ) 間，可製得相應厚度的蓋膜。將脫模後的微流控晶片基片17通道末端鑽孔(如圖l的 溶液連接孔1、 4、 5和6，孔徑2 mm)用於連接溶液。將鑽孔後的微流控晶片基片17 和蓋膜19依次用水和異丙醇衝洗，吹乾後立即將基片17和蓋膜19合上，用長尾票夾 將基片17和蓋膜19夾在兩片蓋玻片(100 X 25 X 1 mm)間，要求長尾票夾的壓力 直接施加在微流控晶片分離通道兩側，然後將工件置於108 'C的鼓風烘箱中保持10 min，取出自然冷卻到室溫，即完成基片17與f膜19的鍵合封裝，製得的粗片經修邊 得有機玻璃微流控晶片成品。本發明製備的有機玻璃微流控晶片基片封裝後的端面掃描 電子顯微鏡圖片(放大倍數為125倍)見圖4，微流通道的底端寬度約為40微米，高 度約為37微米，頂端寬度約為100微米。由於本發明使用的矽陽模用於澆鑄液態的鑄 模溶液，加工過程對矽陽模的損傷很小，本發明採用同一片矽陽模加工500片有機玻璃微流控晶片未觀察到模具的明顯損傷，模具使用壽命遠高於熱壓法。
本發明製作的用蓋膜封裝的有機玻璃微流控晶片與0-3000V高壓直流電源和非接 觸電導檢測儀構成微流控晶片電導檢測系統，成功用於K+、 Na+和Li+三種陽離子的電泳 分離，獲得的1 mM K+(a)、 Na+(b)和Li+ (c)的電泳圖譜(見圖5),測試條件為分離 和進樣電壓為+1000 V，進樣時間為2 s，緩衝溶液為20 mM硼酸-20 mM三羥甲基氨基 甲烷(pH8.0)，電導檢測波形為正弦波(頻率為250 kHz，峰-峰電壓幅度為5V),對 上述測定的陽離子的線性範圍為0.01-5 mM，檢測下限範圍為2-6 pM。
本發明製作的有機玻璃微流控晶片還成功用於1: 150倍稀釋的健康人(A)和腎病病 人(B)血清中鈉離子的分離檢測，結果表明，鈉離子是人血清中存在的主要陽離子，根 據與相近濃度的標準溶液比較，可得血清樣品中鈉離子的濃度。其中測得健康人血清中 鈉離子的濃度為136.51 mM (相對標準偏差RSD = 3. 1%,測定次數n = 3)，在正常參 考值範圍(135-145 mM)內；而測得的腎病病人血清中鈉離子的濃度為50. 92 mM (RSD =3.7%, n = 3)，約為正常值的1/3，提示腎病病人腎功能受損，電解質從尿液流失而 使病人體內電解質紊亂。
實施例2紅外線輔助本體聚合法製備用蓋片封裝的有機玻璃微流控晶片 由於非接觸電導檢測的特殊要求，在實施例1中使用150微米厚的有機玻璃蓋膜 19與具有微流結構的微流控晶片基片17鍵合。但在更多情況下對晶片的強度有一定要 求，需要用蓋片代替上述蓋膜19來封裝晶片。其中紅外線輔助本體聚合法製備有機玻 璃微流控晶片基片17的方法同實施例1。將實施例1中的鑄模溶液1毫升澆在一厚2mm 的玻璃板(IOO國x 40 mm)上，要求鑄模溶液沿玻璃板的長邊的方向從中軸線的一頭連 續澆到另一頭，將一片厚1 mm的有機玻璃板(90國x 16 mm)蓋在鑄模溶液上並壓緊， 使預聚溶液充滿有機玻璃片與玻璃板間的縫隙，然後將工件水平放置於上述可控溫的紅 外線輔助本體聚合系統，設定溫度為50 'C， 40分鐘內可聚合完全。按實施例1中微流 控晶片基片脫模的方法脫模得蓋片，厚度一般在1.2毫米左右，按實施例1的方法完成 蓋片與微流控晶片基片17封裝，得用蓋片封裝的有機玻璃微流控晶片(見圖7實物照 片)。
權利要求
1、一種紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法，其特徵在於，採用紅外線輔助甲基丙烯酸甲酯本體聚合技術製備有機玻璃微流控晶片，包括下述步驟1)將熱引發劑溶解於甲基丙烯酸甲酯中，於水浴中加熱預聚成甘油狀鑄模溶液；2)採用光刻與化學溼法蝕刻相結合的技術製作含微流控晶片微結構的矽片陽模，將步驟1)的鑄模溶液澆在所述矽片陽模上，然後將一片有機玻璃片直接蓋在鑄模溶液上並置於可控溫的紅外線輔助聚合系統中；3)鑄模溶液在紅外線的促進下發生本體聚合反應，得含微流通道的微流控晶片基片；4)獲得的微流控晶片基片經鑽溶液連接孔後與有機玻璃蓋膜或蓋片通過熱壓封裝，修邊後得有機玻璃微流控晶片成品。
2、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，在所述的有機玻璃板上通過 紅外線輔助甲基丙烯酸甲酯本體聚合技術製作含微流通道結構層的有機玻璃微流控 晶片基片。
3、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的晶片製作技術中，包 括將甲基丙烯酸甲酯聚合分為單體熱引發預聚和晶片成形過程中的紅外線輔助本體 聚合兩步驟；其中的單體的預聚使鑄模溶液有粘度，便於澆鑄；和，縮短晶片成形 過程中鑄模溶液的紅外線輔助本體聚合的時間。
4、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的可控溫的紅外線輔助 聚合系統由紅外線燈泡8，帶排氣孔的金屬箱13、熱電偶10和溫度控制儀14構成; 所述的紅外線燈泡和熱電偶探頭置於金屬箱中，箱的側壁安裝機箱風扇12，連有熱 電偶的溫度控制儀根據設定的溫度控制風扇的啟動和關閉。
5、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的熱引發劑為偶氮二異 丁腈。
6、 根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述的設定的溫度為50 'C。
全文摘要
本發明屬微流控晶片技術領域，具體涉及一種紅外線輔助本體聚合法製備有機玻璃微流控晶片的方法。本發明採用可控溫紅外線輔助本體聚合系統，將含少量熱引發劑的甲基丙烯酸甲酯於水浴中預聚，得到的鑄模溶液直接夾在有機玻璃板和微流控晶片陽模間，在紅外線的輻照下所述鑄模溶液於0.5-1小時內完全聚合，得含微流通道的微流控晶片基片。基片經鑽溶液連接孔後與有機玻璃蓋膜或蓋片通過熱壓封裝，得有機玻璃微流控晶片成品。本發明的製備方法，具有設備簡單、操作簡化、簡便和成本低廉的特點，能用於有機玻璃微流控晶片的批量低成本加工。
文檔編號B81C99/00GK101434377SQ200810203769
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者婷 劉, 張魯雁, 剛 陳, 魏邦國 申請人:復旦大學