專利名稱：一種微流控芯片及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片及其制備方法。
背景技術：
近年來，微流控芯片作為一種新型的分析平臺具有微型化、自動化、集成化、便捷 和快速等優(yōu)點，已經(jīng)在很多領域獲得了廣泛的應用，例如，細胞生物學、分析化學、環(huán)境監(jiān)測 與保護、司法鑒定、藥物合成篩選、材料學和組織工程學等領域。在微流控芯片中，微量液體 的精確進樣是樣品處理和分析的關鍵，例如，微流控芯片電泳分離、色譜分離、免疫分析中 就需要這樣的操作，這是由于微流控芯片的特點就要對微觀尺度下的微流體進行操作和控 制，而作為操作和控制對象的流體量又極其微小，導致微流體的流動特性與宏觀有很大的 不同，在宏觀尺度下可以忽略的現(xiàn)象在微觀尺度下成為流體流動的主要影響因素，尤其是 在微流體流速小到納升/分鐘時，傳統(tǒng)的機械閥或機械泵就不能滿足實際應用的要求。對微流控芯片中微流體流動的控制可通過微閥來實現(xiàn)。近年來，隨著微流控芯片 技術的發(fā)展和成熟，研發(fā)出了很多方法和器件，在一定程度上實現(xiàn)了對微流控芯片中微流 體流動的控制，但同時也存在一定的局限性。根據(jù)微閥是否有動力驅動機構分為有源閥和 無源閥，有源閥包括電磁微閥、靜電微閥、形狀記憶合金微閥、壓電微閥和熱氣動微閥等，這 類微閥可以實現(xiàn)閥的開和關，制動性能較好、密閉性高，但缺點是結構復雜、體積大、難以實 現(xiàn)在微流控芯片上的集成化。而無源閥不需要外部動力制動，依靠閥兩側的壓力差來實現(xiàn) 閥的開關，且體積較小，但無源閥不能主動進行閥的開、關或切換。目前，也有一些利用無源 閥對微流體的驅動和控制的研究，但其技術方案多集中在對構成無源閥材料的修飾層分子 構型的物理響應，例如，修飾層是凝膠，凝膠可以在溫度或流經(jīng)無源閥的微流體PH變化下 進行響應，但制備過程復雜、條件苛刻等因素限制了它們的應用，而且，現(xiàn)有的研究只是單 純地實現(xiàn)無源微閥的開和關，而不能實現(xiàn)無源微閥的開關漸變控制以及開關的快速可逆性 轉變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的實現(xiàn)控制微流控芯片中微流體的無源微閥不能 實現(xiàn)開關漸變控制以及開關的快速可逆性轉變，從而提供一種可實現(xiàn)微閥開關漸變控制以 及開關的快速可逆性轉變的微流控芯片。本發(fā)明的再一目的是提供一種制備方法及條件簡單的微流控芯片的制備方法。本發(fā)明的微流控芯片包括上芯片單元和下芯片單元，所述上芯片單元和/或下芯 片單元的表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道，上芯片 單元與下芯片單元相互貼合并將微通道封閉在上芯片單元與下芯片單元之間；其中，所述 微流控芯片還包括微閥，所述微閥為形成在微通道上的陣列式排列的聚合物的三維微米和 三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、陣列式排列的聚合物的三維納 米結構中的一種；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，所述特定響應為聚合物的表面化學組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物的三維微米結 構、聚合物的三維納米結構以及聚合物的表面性能(如浸潤性變化親水性-疏水性之間， 或親油性-疏油性)中的一種或幾種的可逆性轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流體的流 動狀態(tài)的可控操作。所述外場選自光、電、溫度、微流體的pH值和微流體的離子強度中的一種或幾種。所述聚合物的表面化學組成的可逆性轉變，如是聚合物的氧化態(tài)與還原態(tài)之間的 可逆性轉變。所述的聚合物的三維微米和三維納米分級結構的可逆性轉變，如是聚合物的三維 納米尺度的結構向三維微米尺度的結構進行變化后再變化回三維納米尺度的結構的可逆 轉變，以及三維微米尺度的結構向更大尺度的三維微米尺度的結構進行變化后再回到原三 維微米尺度。所述的聚合物的三維微米結構的可逆性轉變，如是聚合物的三維微米尺度的結構 向更大尺度的三維微米尺度的結構進行變化后再回到近似于原三維微米尺度。所述的聚合物的三維納米結構的可逆性轉變，如是聚合物的三維納米尺度的結構 向更大尺度的三維納米尺度的結構進行變化后再回到近似于原三維納米尺度。所述的聚合物的表面性能的可逆性轉變，如是聚合物的親水性與疏水性之間或親 油性與疏油性之間的可逆性轉變。所述的聚合物的親水性與疏水性之間的可逆性轉變是聚合物的超親水性與超疏 水性之間的可逆性轉變，所述的聚合物的親油性與疏油性之間的可逆性轉變是聚合物的超 親油性與超疏油性之間的可逆性轉變。所述形成在微通道上的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣 列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構的體積都是占 整個微通道總容積的60-90%。所述陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物 的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構都可為納米線陣列結構、三角形 陣列結構、乳突形陣列結構和齒輪形陣列結構中的一種或幾種。所述儲液孔、流體通道和微通道優(yōu)選形成在下芯片單元的表面，所述微閥形成在 該微通道上。所述聚合物選自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙基甲 基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠和聚氨酯水凝膠等中的一種或幾種。本發(fā)明的微流控芯片的制備方法包括以下步驟(1)將上芯片單元與下芯片單元相互貼合，所述上芯片單元和/或下芯片單元的 表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道，所述微通道的表 面形成有陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣 列式排列的三維納米結構中的一種，所述貼合的方式使微通道封閉在上芯片單元與下芯片 單元之間；所述上芯片單元和/或下芯片單元的制備方法包括在上芯片單元和/或下芯片單 元的基材表面形成儲液孔、流體通道和微通道，使所述儲液孔與所述流體通道連通，所述微 通道與所述流體通道連通；然后在所述微通道表面形成陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構中的一種；(2)向微通道中導入聚合物單體溶液，使聚合物單體在步驟(1)形成的陣列式排 列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納 米結構的表面相對應的聚合形成陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣 列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構，由此形成微 閥；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，所述特定響應為聚合物的表 面化學組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物的三維微米結構、聚合物的三 維納米結構以及聚合物的表面性能(如浸潤性變化親水性-疏水性之間，或親油性-疏油 性)中的一種或幾種的可逆性轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的可控操 作。所述外場選自光、電、溫度、微流體的pH值和微流體的離子強度中的一種或幾種。所述聚合物的表面化學組成的可逆性轉變、聚合物的三維微米和三維納米分級結 構的可逆性轉變、聚合物的三維微米結構的可逆性轉變、聚合物的三維納米結構的可逆性 轉變及聚合物的表面性能的可逆性轉變等如前所述。所述儲液孔、流體通道和微通道優(yōu)選形成在下芯片單元的表面，所述陣列式排列 的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米 結構形成在該微通道上；所述微閥為相對應的形成在該陣列式排列的三維微米和三維納米 分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構上的陣列式排列的 聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式 排列的聚合物的三維納米結構。所述在微通道表面形成的陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排 列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構，以及所述陣列式排列的聚合物的三維 微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物 的三維納米結構都可為納米線陣列結構、三角形陣列結構、乳突形陣列結構和齒輪形陣列 結構中的一種或幾種。所述在微通道表面形成的陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式 排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構的體積都是占整個微通道總容積的 50-80%。所述聚合物單體選目偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙 基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠和聚氨酯水凝膠等中的一種或幾種。所述形成儲液孔、流體通道和微通道的方法選自數(shù)控銑刻、激光蝕刻、光刻-電 鑄-注塑技術、模塑法、熱壓法、化學腐蝕、軟刻蝕等中的一種或幾種；所述形成陣列式排列 的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米 結構的方法為物理方法和/或化學方法。所述基材選自石英、玻璃、單晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、銅、鋁、不銹鋼和鎳等中的一種或幾種。本發(fā)明提供的微流控芯片中的微閥是原位制備并微型化于微流控芯片上的，其實 質(zhì)上是一種無源微閥，其功能的體現(xiàn)，是在外場作用于微閥時，微閥能夠對微流控芯片中的 微流體的流動狀態(tài)進行智能調(diào)控，同時改進了控制微流體在芯片微通道中的流動狀態(tài)，尤其是對微升或納升級別的微流體的流動控制，可以實現(xiàn)微閥的開關漸變控制以及開關的快 速可逆性轉變；并且微閥可以和微流控芯片上的其它附加的功能單元如進樣單元、微流體 驅動單元、分析單元和檢測單元整合為一體，形成具有多功能集成化的芯片實驗室，以廣泛 適用于可控反應、可控混合、可控進樣、藥物控釋和基于微流控芯片分析的眾多領域，對利 用微流控芯片分析技術的發(fā)展具有重要意義。


圖1為本發(fā)明提供的微流控芯片的截面示意圖。附圖標記1.儲液孔 2.流體通道 3.微通道4.三維微米和三維納米分級結構、三維微米結構、三維納米結構
具體實施例方式按照本發(fā)明，所述微流控芯片包括上芯片單元和下芯片單元，所述上芯片單元和/ 或下芯片單元的表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道， 上芯片單元與下芯片單元相互貼合并將微通道封閉在上芯片單元與下芯片單元之間，其 中，所述微流控芯片還包括微閥，所述微閥為形成在微通道上的陣列式排列的聚合物的三 維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、陣列式排列的聚合物 的三維納米結構中的一種；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，所述 特定響應為聚合物的表面化學組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物的三 維微米結構、聚合物的三維納米結構以及聚合物的表面性能(如浸潤性變化親水性-疏水 性之間，或親油性-疏油性)中的一種或幾種的可逆性轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流 體的流動狀態(tài)的可控操作。按照本發(fā)明，所述陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物 的三維微米結構、或聚合物的三維納米結構是相對應的形成在如圖1所示的陣列式排列的 三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結 構4上的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三 維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構，其陣列結構既可以為微米級別的結 構，也可以為納米級別的結構；也可既有微米級別的結構又有納米級別的結構，因此稱為微 米和納米分級結構。當在外場作用下產(chǎn)生特定響應的時候，納米級別的結構有可能變成微 米級別的結構，而發(fā)生尺寸變大的效應。例如該聚合物的表面性能如浸潤性可在外場調(diào)控下從超親水性-超疏水性或從 超親油性-超疏油性進行外場響應性可逆轉變，因此，當聚合物與水接觸時，水在聚合物表 面的接觸角可從150°到5°進行可逆變化；或者聚合物的體積在外場調(diào)控下發(fā)生膨脹/收 縮的可逆轉變，從而有效地調(diào)控微流體在微通道中的流動狀態(tài)，如流動速度和流動方向；或 者聚合物的表面化學組成在外場調(diào)控下(如電場)在氧化態(tài)與還原態(tài)之間發(fā)生可逆性轉 變；此外，由于陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物 的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構可以增加微通道表面的粗糙度， 從而可對聚合物表面性能如浸潤性的轉變具有放大作用。
本發(fā)明提供的微流控芯片的微通道是按照對微流體進行智能調(diào)控而制備的，其中 的具有陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維 微米結構、陣列式排列的聚合物的三維納米結構，是一種微米和/或納米尺度的有機結合， 可在外場調(diào)控下，聚合物的三維微米和三維納米分級結構中的聚合物的三維納米尺度的結 構有可能向三維微米尺度的結構進行變化后再變化回三維納米尺度的結構的可逆轉變，以 及三維微米尺度的結構向更大尺度的三維納米尺度的結構進行變化后再回到原三維微米 尺度；而對于聚合物的三維微米結構則有可能向更大尺度的三維微米尺度的結構進行變化 后可再回到原三維微米尺度；對于聚合物的三維納米結構則有可能向更大尺度的三維納米 尺度的結構進行變化后可再回到原三維納米尺度。上述的可逆轉變對微通道中的微流體的 流動狀態(tài)進行有機響應控制，即微通道的粗調(diào)和納米通道的精細“開/關”調(diào)控(即在微通 道本身的粗調(diào)下的同時結合陣列式排列的聚合物的結構通道的精細調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對微通 道中的微流體的“開/關”調(diào)控”)，也包括從“開”到“關”等一系列中間狀態(tài)的調(diào)控。按照本發(fā)明，所述儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道 既可以在上芯片單元或下芯片單元表面形成，或者一部分在上芯片或下芯片單元表面形 成，另一部分在下芯片或上芯片單元表面形成，也可以同時在上、下芯片的表面形成，優(yōu)選 情況下，所述儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道形成在下芯片 單元的表面，且所述微閥形成在該微通道的表面上。如圖1所示，所述下芯片單元表面包括儲液孔1、流體通道2和連接流體通道的微 通道3，所述陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、陣 列式排列的三維納米結構4形成在微通道3的表面上。按照本發(fā)明，所述陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三 維微米結構、陣列式排列的三維納米結構，可以為納米線陣列結構、三角形陣列結構、乳突 形陣列結構和齒輪形陣列結構等中的一種或幾種。如圖1所示，其中，陣列式排列的結構a 為納米線陣列結構，結構b為乳突形陣列結構，結構c為齒輪形陣列結構。具體來說，所述 陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構中的微米結構指的是其陣列主體(凸起部位 的高和寬都是微米)結構的尺寸為微米，其陣列主體結構的表面有納米結構，和/或其陣列 主體結構之間的尺寸為納米(凹處部位)尺寸；例如乳突形陣列中的乳突為微米(高和寬 都是微米)尺寸，乳突的表面有納米結構(如納米尺度的小乳突)，乳突之間的尺寸為納米 尺寸；齒輪形陣列中的齒輪為微米(高和寬都是微米)尺寸，齒輪表面有納米結構，齒輪之 間的尺寸為納米；納米線形陣列中的納米線為微米(高和寬都是微米)尺寸，縱向排列的納 米線表面有納米結構，納米線之間的尺寸為納米；因此才稱為微米/納米分級結構的組合。 所述陣列式排列的聚合物的三維微米結構中的微米結構指的是其陣列主體(凸起部位的 高和寬都是微米)結構的尺寸為微米，其陣列主體結構之間的尺寸為微米或納米(凹處部 位)尺寸；所述陣列式排列的聚合物的三維納米結構中的納米結構指的是其陣列主體(凸 起部位的高和寬都是納米)結構的尺寸為納米，其陣列主體結構之間的尺寸為微米或納米 (凹處部位)尺寸。在一定的外場作用下，乳突、齒輪或者縱向排列的納米線的表面納米結 構有可能向微米結構進行可逆轉變，同時，乳突之間、齒輪之間或者縱向排列的納米線與納 米線之間的間距也會在納米級別上發(fā)生可逆變化。按照本發(fā)明，所述陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構的體積的可選擇范圍較寬，優(yōu)選情況下，所述陣 列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的 三維納米結構的體積都是占整個微通道總容積的50-80%，更優(yōu)選為60-70%。所述體積的 測量方法可以采用常規(guī)的方法進行測量，例如液-氣置換法。按照本發(fā)明，所述外場可以選自光(即圖1中的“L”)、電(即圖1中的‘ ”)、溫 度(即圖1中的“τ”)、微流體的PH值、微流體的離子強度中的一種或幾種；所述聚合物可 以為各種對光、電、熱、PH值和離子強度產(chǎn)生響應的聚合物，優(yōu)選情況下，這些物質(zhì)可以選自 偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠 和聚氨酯水凝膠中的一種或幾種。例如，所述聚異丙基丙烯酰胺和聚異丙基甲基丙烯酰胺可以對溫度/熱(例 如，20-50°C )產(chǎn)生響應，而發(fā)生超親水-超疏水之間的轉變；所述偶氮苯聚合物可以 對光產(chǎn)生響應，在紫外光(365nm)及藍光G36nm)交替照射后，發(fā)生超親水-超疏水之 間的轉變；所述聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩可以對電場產(chǎn)生響應，而發(fā)生超親水-超疏水 之間的轉變以及超親油-超疏油之間的轉變，其對應的氧化-還原電壓可以分別為 0. 6/1. 0V, -0. 2/1. 0V, -0. 1/0. 7V ；所述聚丙烯酸凝膠可以對pH(l_13)值產(chǎn)生響應，而發(fā)生 超親水-超疏水之間的轉變；所述聚氨酯水凝膠可以對離子濃度(例如在0. 01-lmol/L的 NaCl下)產(chǎn)生響應，而發(fā)生超親水-超疏水之間的轉變。按照本發(fā)明，所述微通道一般作為流體通道的一部分，其兩端分別與流體通道 連通，所述微通道的長度一般可以為10-20毫米，寬度可以為0. 1-0. 3毫米，深度可以為 0. 1-0. 3 毫米。按照本發(fā)明，所述儲液孔用于儲存被導入微流控芯片中的微流體，所述儲液孔的 直徑一般可以為1-3毫米。按照本發(fā)明，所述流體通道將儲液孔和微通道連通，用于輸送微流體，所述流體通 道的長度一般可以為5-20毫米，寬度可以為0. 3-0. 5毫米，深度可以為0. 3-0. 5毫米。所述儲液孔一般可以為多個，所述流體通道和微通道一般可以為多條，每條流體 通道均與至少一個儲液孔和至少一條微通道連通，且所述流體通道可以作為微通道的一部 分，使其兩端分別與微通道連通，也可以一端與微通道連通；多條流體通道和/或微通道 可以為并聯(lián)關系也可以為串聯(lián)關系，可以根據(jù)對微流體的不同控制方法選擇適當?shù)倪B接關 系。按照本發(fā)明，所述微流控芯片的尺寸可以為常規(guī)的微流控芯片的尺寸，例如，所述 微流控芯片的長度通常可以為3-5厘米，寬度通常可以為3-5厘米，厚度通常可以為1-5毫米。按照本發(fā)明，所述微流控芯片的制備方法包括(1)將上芯片單元與下芯片單元相互貼合，所述上芯片單元和/或下芯片單元的 表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道，所述微通道的表 面形成有陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣 列式排列的三維納米結構，所述貼合的方式使微通道封閉在上芯片單元與下芯片單元之 間；所述上芯片單元和/或下芯片單元的制備方法包括在上芯片單元和/或下芯片單元的基材表面形成儲液孔、流體通道和微通道，使所述儲液孔與所述流體通道連通，所述微 通道與所述流體通道連通；然后在所述微通道表面形成陣列式排列的三維微米和三維納米 分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構中的一種；(2)向微通道中導入聚合物單體溶液，使聚合物單體在步驟(1)形成的陣列式排 列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納 米結構的表面相對應的聚合形成陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣 列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構，由此形成微 閥；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，所述特定響應為聚合物的表 面化學組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物的三維微米結構、聚合物的三 維納米結構以及聚合物的表面性能(如浸潤性變化親水性-疏水性之間，或親油性-疏油 性)中的一種或幾種的可逆性轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的可控操 作。按照本發(fā)明，在基材表面形成儲液孔、流體通道和微通道的方法可以采用常規(guī)的 各種方法，例如，可以通過數(shù)控銑刻、激光蝕刻、LIGA技術(光刻-電鑄-注塑技術)、模塑 法、熱壓法、化學腐蝕等方法，也可利用軟刻蝕技術等加工方法。按照本發(fā)明，可以在上芯片單元和下芯片單元的表面均形成儲液孔、流體通道和 微通道，然后將上、下芯片單元貼合；優(yōu)選情況下，為了簡化操作并節(jié)省成本，可以使所述儲 液孔、流體通道只形成在下芯片單元的表面，然后將另一片基材直接作為上芯片單元與該 形成有儲液孔、流體通道的下芯片單元貼合。按照本發(fā)明，可以采用常規(guī)的各種方法在微通道中形成陣列式排列的三維微米和 三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構，例如，可 以通過物理方法，如數(shù)控銑刻、軟刻蝕技術等加工方法，制備三角形陣列、乳突形陣列和齒 輪形陣列；也可以通過化學方法，制備納米線陣列，例如，氧化鋅納米線陣列、氧化鈦納米線 陣列、氧化錫納米線陣列、碳納米管陣列、金屬納米線陣列、硅納米線陣列等；所述納米線陣 列的制備方法可以采用本領域常規(guī)的方法進行，以氧化鋅納米線的制備為例，可以通過兩 步溶液法在微通道表面制備氧化鋅(SiO)納米線陣列將ZnO溶膠均勻涂于形成有微通道 的石英表面，在420°c下退火，形成一層100-200納米厚的晶種膜，然后將石英浸入硝酸鋅 六水合物(0. 025M)和六亞甲基四胺(0. 025M)的水溶液中，在85°C下加熱15小時。最后， 用去離子水清洗，在85°C下烘干。得到氧化鋅納米線陣列。按照本發(fā)明，將上芯片單元和下芯片單元封合的方法可以采用各種常規(guī)的方法， 例如，熱封合、膠粘劑封合、表面活化輔助封合(包括玻璃室溫鍵合、聚合物交聯(lián)鍵合、等離 子輔助鍵合和紫外照射活化鍵合)以及陽極鍵合和低溫粘合等方法。按照本發(fā)明，向微通道中導入聚合物單體溶液，使聚合物單體在步驟(1)形成的 陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列 的三維納米結構的表面相對應的聚合形成陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分 級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構；所 述聚合的條件視不同聚合物單體溶液而定，且所述形成聚合物的單體溶液的量要滿足能夠 得到陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微 米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構的需要，優(yōu)選形成聚合物的單體溶液的用量要使形成的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物 的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構的體積占整個微通道總容積的 60-90%，優(yōu)選為 70-80%。所述單體選自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙基甲基 丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠和聚氨酯水凝膠中的一種或幾種聚合物的單體。按照本發(fā)明，將需要利用外場的作用使所述聚合物具有能夠對所述外場產(chǎn)生特定 響應時，需要將外場與微流控芯片連接或將外場直接作用于微流控芯片，根據(jù)外場的不同， 可以采用不同的方法將外場與微流控芯片連接，例如可以在下芯片上鍍上金屬線(金、 銅)后與外部電場連接；在上下芯片集成電化學聚合的三電極與電化學工作站的電極連 接；將芯片放置在熱臺上使溫度(熱)外場直接作用于芯片；直接將芯片放置在光源下，使 光外場直接作用于芯片。按照本發(fā)明，本發(fā)明的方法還包括在芯片單元表面形成儲液孔、流體通道和微通 道后，在陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三 維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構后對微通道進行清洗的步驟，所述清 洗的方法為本領域技術人員所公知，例如，可以用去離子水、乙醇、丙酮中的一種或幾種進 行清洗，除去通道中的雜質(zhì)。所述基材可以為各種用于制備微流控芯片的材料，例如，可以選自石英、玻璃、單 晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯、銅、鋁、不銹鋼和鎳 中的一種或幾種。本發(fā)明提供的微流控芯片，根據(jù)需要可選擇一種或多種外場對微流控芯片進行作 用，可實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的控制，具有智能可控性、制備/操作簡單、適用 范圍廣、精確度高、易和其它功能單元在芯片上集成化等特點。下面將通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。實施例1本實施例用于說明微流控芯片的制備如圖1所示，通過計算機輔助設計(CAD)繪制微流控芯片的設計圖形，按照設計 圖，用激光刻蝕法在一片石英片(長度為4厘米，寬度為3厘米，厚度為1毫米)表面刻蝕 出所需的芯片儲液孔1 (直徑為1毫米的圓孔)、流體通道2 (20X0. 3X0. 3毫米(長/寬/ 深度))和微通道3(15X0. 2X0. 2毫米(長/寬/深度))。用去離子水、乙醇、丙酮、去離 子水逐次清洗石英片，并在100°C下烘干。氧化鋅(S1O)納米線陣列通過兩步溶液法在微通道表面制備將ZnO溶膠均勻涂 于形成有微通道的石英表面，在420°C下退火，形成一層100-200納米厚的晶種膜，然后將 石英浸入硝酸鋅六水合物(0.025M)和六亞甲基四胺(0.025M)的水溶液中，在85°C下加熱 15小時。最后，用去離子水清洗，在85°C下烘干。得到氧化鋅的三維納米線陣列，納米線平 均直徑80納米，高度約為150微米，納米線與納米線之間的平均間距為100納米，三維氧化 鋅納米線陣列約占微通道容積的40%。在此基礎上，在氧化鋅的三維納米線陣列表面進行 鍍金，以及一條垂直微通道的電極連接金線。按照上述方法制備另一片同樣大小的石英片，然后將上述兩片石英片分別作為上 芯片單元與下芯片單元通過熱封合方法進行封合，并將儲液孔、流體通道和微通道封閉在兩片石英片之間(如果，儲液孔與流體通道和微通道在不同的上下芯片上，那么儲液孔應 和流體通道的末端對應；如果制備在一個芯片上(上或下)，另一芯片只是封合作用，那么 毫無疑問，儲液孔肯定是在流體通道的末端)。在上述三維氧化鋅納米線陣列(相當于圖1中的三維納米結構4)的表面制備具 有相應的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構。將苯胺-乙烯磺酸鈉-鹽 酸(鹽酸的濃度為1摩爾/升)溶液(苯胺-乙烯磺酸鈉-鹽酸為186 μ L/2mL/7. 8mL)通 氮氣脫泡后，通過注射泵導入微通道中，在-0.2至1. IV，流速為lOyL/min下，通過CV法 (循環(huán)伏安法)進行電化學聚合30分鐘，在上述氧化鋅納米線陣列的表面制得一具有相應 的陣列式排列的聚苯胺的三維微米和三維納米分級結構，陣列式排列的聚苯胺的三維微米 和三維納米分級結構占微通道體積的80%。用注射泵將去離子水導入微流控芯片中清洗 微通道，得到基于微流控芯片的智能微閥。交替進行波長為365納米的紫外光照射30分鐘 和暗處放置2小時，氧化鋅(氧化鋅外面有聚苯胺，但不是完全覆蓋，有空隙)的表面性能 將在超疏水和超親水之間進行可逆轉變；同時將下芯片的石英片上的金線與外部電場連接 后，在外部電場調(diào)控下(-0. 2V至1. OV)，聚苯胺既發(fā)生表面性能在親水和疏水之間轉變，同 時體積也在收縮和膨脹之間轉變。因此，由陣列式排列的聚苯胺的三維微米和三維納米分 級結構形成的該微閥可以在光和電場的協(xié)同調(diào)控下，漸變地通過控制氧化鋅和聚苯胺的表 面性能以及聚苯胺的體積效應來進行微通道中微流體的流動的智能響應控制。而且，通過 恒壓泵(恒壓泵的工作壓力范圍為O-lOMPa，實施中壓力為0 <壓力彡IOMPa)將去離子水 輸送至微流控芯片的微通道內(nèi)的同時并對該微流控芯片施加上述光和電協(xié)調(diào)作用，在芯片 流體出口進行去離子水流量的測量，發(fā)現(xiàn)去離子水的流量隨光和電場條件的改變而變化， 并最終去離子水的流速為0，由此說明上述微流控芯片的智能微閥在光和電場協(xié)同作用下 確實能夠對微流體流動產(chǎn)生智能控制，當智能微閥完全關閉時，微流體的流速為零。實施例2本實施例用于說明微流控芯片的制備如圖1所示，通過計算機輔助設計(CAD)繪制微流控芯片的設計圖形，按照設計 圖，用準分子激光刻蝕機在一片石英(長度為5厘米，寬度為4厘米，厚度為2毫米)表面 刻蝕出所需的芯片儲液孔(直徑為2毫米的圓孔)、流體通道(20X0.2X0.2毫米(長/寬 /深))和微通道(15X0. 2X0. 2毫米(長/寬/深))，用去離子水、乙醇、去離子水、乙醇 清洗基材表面，并自然晾干。通過兩步法軟刻蝕和化學腐蝕方法，在微通道內(nèi)制備乳突狀錐形陣列式微米和 納米分級結構，簡單步驟如下利用鉻層制備的光掩膜，通過光刻機曝光，將掩膜的圖案轉 移到石英片表面，再進行深度化學腐蝕(15ml氫氟酸/0. 1699g硝酸銀/35ml水)，最后得到 的單個乳突的尺寸為150 μ m/50 μ m(高/中部寬)，乳突之間的間距為10 μ m,在乳突的表 面是100-200納米的納米顆粒形成的簇。將另一片同樣大小的石英片作為上芯片，與上述作為下芯片的石英片用雙層壓力 粘性薄膜(ARcare 8890)進行封合，并將微通道封閉在兩片石英片之間。最后進行N-異丙基丙烯酰胺的聚合，簡單步驟如下將上述制備的下芯片浸入氫 氧化鈉溶液內(nèi)(0.1摩爾/升)2分鐘，再在含5% (重量百分比)氨丙基三乙氧基硅烷的甲 苯溶液中回流6小時。最后在2-溴代異丁酰溴(1.2毫摩爾/升)引發(fā)下，進行N-異丙基丙稀酰胺的聚合，在乳突狀錐形陣列上制備得到相應形狀的聚N-異丙基丙稀酰胺的三維 微米/三維納米分級結構，占微通道體積的70-80%。用注射泵將去離子水導入微流控芯片中清洗微通道，得到基于微流控芯片的智能 微閥，該智能微閥主體為溫度響應性聚合物，可在溫度的調(diào)控下對微流體的流動進行智能 響應控制。因此，該微閥可以在溫度調(diào)控下O0-50°C)，漸變地通過控制聚N-異丙基丙稀 酰胺的表面親水-疏水性能和體積效應來進行微流體的流動的智能響應控制。而且，通過 恒壓泵(恒壓泵的工作壓力范圍為O-lOMPa，實施中壓力為0 <壓力彡IOMPa)將去離子水 輸送至芯片微通道內(nèi)，在芯片流體出口進行去離子水流量的測量，發(fā)現(xiàn)去離子水的流量隨 溫度的改變而變化，并最終去離子水的流速為0，由此說明上述微流控芯片的智能微閥在溫 度作用下確實能夠對微流體流動產(chǎn)生智能響應控制，當智能微閥完全關閉時，微流體的流 速為零。實施例3本實施例用于說明微流控芯片的制備如圖1所示，通過計算機輔助設計(CAD)繪制微流控芯片的設計圖形，按照設計 圖，通過數(shù)控CNC微加工系統(tǒng)在一片基材為聚甲基丙烯酸甲酯(長度為4厘米，寬度為4 厘米，厚度為3毫米)的表面制備所需的芯片儲液孔(直徑為3毫米的圓孔)、流體通道 (15X0. 4X0. 4毫米(長/寬/深))和微通道(15X0. 2X0. 2毫米(長/寬/深))。然 后，通過光刻-化學腐蝕-復型技術，在芯片的微通道上制備類似齒輪狀的微米/納米分級 結構，半齒輪形狀的凸起在通道表面，齒輪主體直徑為100微米，相鄰齒輪的間距為10微 米，齒輪上的小齒寬度/高度為50-100/50-100納米。在此基礎上，在類似齒輪狀的表面進 行鍍金，以及一條垂直微通道的電極連接金線。將吡咯/十二烷基苯磺酸溶液(0. 14摩爾/升/0. 015摩爾/升)通氮氣脫泡后， 通過注射泵導入微通道中，流速為1 μ L/min，在0. 7V恒電壓下進行電化學聚合20分鐘，在 類齒輪狀的微米和納米分級結構表面制備得到一聚吡咯薄層，占微通道體積的70-80%。用 注射泵將去離子水導入微流控芯片中清洗微通道，得到基于微流控芯片的智能微閥，該微 閥主體為電場響應性聚合物，可以在電場的調(diào)控下進行微流體流動的智能響應控制。將下 芯片的聚甲基丙烯酸甲酯上的金線與外部電場連接后，在外部電場調(diào)控下(0. 6/1. 0V)，聚 吡咯的表面既發(fā)生親水-疏水之間性能的轉變，同時體積也在收縮和膨脹之間轉變。因此， 該微閥可以在電場的調(diào)控下，漸變地通過控制聚吡咯的表面性能和體積效應來進行微流體 的流動的智能響應控制。而且，通過恒壓泵(恒壓泵的工作壓力范圍為O-lOMPa，實施中壓 力為0<壓力彡IOMPa)將去離子水輸送至芯片微通道內(nèi)，在芯片流體出口進行去離子水流 量的測量，發(fā)現(xiàn)去離子水的流量隨電場大小的改變而變化，并最終去離子水的流速為0，由 此說明上述微流控芯片的智能微閥在電場作用下確實能夠對微流體流動產(chǎn)生智能響應，當 智能微閥完全關閉時，微流體的流速為零。對于本發(fā)明中所述的微閥為形成在微通道上的陣列式排列的聚合物的三維微米 結構和陣列式排列的聚合物的三維納米結構，以此實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的可 控操作的原理同上。
權利要求
1.一種微流控芯片，該微流控芯片包括上芯片單元和下芯片單元，所述上芯片單元和 /或下芯片單元的表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道， 上芯片單元與下芯片單元相互貼合并將微通道封閉在上芯片單元與下芯片單元之間，其特 征在于所述微流控芯片還包括微閥，所述微閥為形成在微通道上的陣列式排列的聚合物 的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、陣列式排列的聚 合物的三維納米結構中的一種；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應， 所述特定響應為聚合物的表面化學組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物 的三維微米結構、聚合物的三維納米結構以及聚合物的表面性能中的一種或幾種的可逆性 轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的可控操作；所述外場選自光、電、溫度、微流體的PH值和微流體的離子強度中的一種或幾種。
2.根據(jù)權利要求1所述的微流控芯片，其中，所述聚合物的表面化學組成的可逆性轉 變，是聚合物的氧化態(tài)與還原態(tài)之間的可逆性轉變；所述的聚合物的三維微米和三維納米分級結構的可逆性轉變，是聚合物的三維納米尺 度的結構向三維微米尺度的結構進行變化后再變化回三維納米尺度的結構的可逆轉變，以 及三維微米尺度的結構向更大尺度的三維微米尺度的結構進行變化后再回到原三維微米 尺度；所述的聚合物的三維微米結構的可逆性轉變，是聚合物的三維微米尺度的結構向更大 尺度的三維微米尺度的結構進行變化后再回到原三維微米尺度；所述的聚合物的三維納米結構的可逆性轉變，是聚合物的三維納米尺度的結構向更大 尺度的三維納米尺度的結構進行變化后再回到原三維納米尺度；所述的聚合物的表面性能的可逆性轉變，是聚合物的親水性與疏水性之間或親油性與 疏油性之間的可逆性轉變。
3.根據(jù)權利要求2所述的微流控芯片，其中，所述的聚合物的親水性與疏水性之間的 可逆性轉變是聚合物的超親水性與超疏水性之間的可逆性轉變，所述的聚合物的親油性與 疏油性之間的可逆性轉變是聚合物的超親油性與超疏油性之間的可逆性轉變。
4.根據(jù)權利要求1所述的微流控芯片，其中，所述形成在微通道上的陣列式排列的聚 合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排 列的聚合物的三維納米結構的體積占整個微通道總容積的60-90%。
5.根據(jù)權利要求1、2或4所述的微流控芯片，其中，所述陣列式排列的聚合物的三維微 米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的 三維納米結構為納米線陣列結構、三角形陣列結構、乳突形陣列結構和齒輪形陣列結構中 的一種或幾種。
6.根據(jù)權利要求1所述的微流控芯片，其中，所述儲液孔、流體通道和微通道形成在下 芯片單元的表面，所述微閥形成在該微通道上。
7.根據(jù)權利要求1、2或4所述的微流控芯片，其中，所述聚合物選自偶氮苯聚合物、聚 吡咯、聚苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠和聚氨酯水凝膠 中的一種或幾種。
8.一種根據(jù)權利要求1-7任意一項所述的微流控芯片的制備方法，其特征在于，該方 法包括以下步驟(1)將上芯片單元與下芯片單元相互貼合，所述上芯片單元和/或下芯片單元的表面 包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道；所述微通道的表面形 成有陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式 排列的三維納米結構，所述貼合的方式使微通道封閉在上芯片單元與下芯片單元之間；所述上芯片單元和/或下芯片單元的制備方法包括在上芯片單元和/或下芯片單元的 基材表面形成儲液孔、流體通道和微通道，使所述儲液孔與所述流體通道連通，所述微通道 與所述流體通道連通；然后在所述微通道表面形成陣列式排列的三維微米和三維納米分級 結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構；(2)向微通道中導入聚合物單體溶液，使聚合物單體在步驟(1)形成的陣列式排列的 三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結 構的表面相對應的聚合形成陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式 排列的聚合物的三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構，由此形成微閥；所 述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，所述特定響應為聚合物的表面化學 組成、聚合物的三維微米和三維納米分級結構、聚合物的三維微米結構、聚合物的三維納米 結構以及聚合物的表面性能中的一種或幾種的可逆性轉變，從而能夠實現(xiàn)對微通道中微流 體的流動狀態(tài)的可控操作；所述外場選自光、電、溫度、微流體的PH值和微流體的離子強度中的一種或幾種。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述儲液孔、流體通道和微通道形成在下芯片單 元的表面，所述陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、 或陣列式排列的三維納米結構形成在該微通道上；所述微閥為相對應的形成在該陣列式排 列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納 米結構上的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的 三維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其中，所述在微通道表面形成的陣列式排列的三 維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構， 以及所述陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的聚合物的三 維微米結構、或陣列式排列的聚合物的三維納米結構為納米線陣列結構、三角形陣列結構、 乳突形陣列結構和齒輪形陣列結構中的一種或幾種。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述在微通道表面形成的陣列式排列的三維 微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結構、或陣列式排列的三維納米結構的 體積占整個微通道總容積的50-80%。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述聚合物單體選自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚 苯胺、聚異丙基丙烯酰胺、聚異丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝膠和聚氨酯水凝膠中的一種 或幾種。
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述形成儲液孔、流體通道和微通道的方法選 自數(shù)控銑刻、激光蝕刻、光刻-電鑄-注塑技術、模塑法、熱壓法、化學腐蝕、軟刻蝕中的一種 或幾種；所述形成陣列式排列的三維微米和三維納米分級結構、陣列式排列的三維微米結 構、或陣列式排列的三維納米結構的方法為物理方法和/或化學方法。
14.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述基材選自石英、玻璃、單晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、銅、鋁、不銹鋼和鎳 中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及微流控芯片及其制備方法，該微流控芯片包括上下芯片單元，芯片單元的表面包括儲液孔、與儲液孔連通的流體通道和與流體通道連通的微通道，兩芯片單元相互貼合并將微通道封閉在兩芯片之間，所述微流控芯片還包括微閥，微閥主體為形成在微通道上的陣列式排列的聚合物的三維微米和三維納米分級結構、三維微米或三維納米結構；所述聚合物具有在外場作用下能夠對外場產(chǎn)生特定響應，特定響應為聚合物的表面化學組成、上述結構及表面性能中的一種或幾種的可逆性轉變，從而實現(xiàn)對微通道中微流體的流動狀態(tài)的可控操作。本發(fā)明的微流控芯片中的微閥是原位制備并微型化于微流控芯片上，可實現(xiàn)對微流體的流動的開關漸變控制及開關的快速可逆性轉變。
文檔編號B01J19/00GK102059161SQ20091023774
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權日2009年11月18日
發(fā)明者朱道本, 江雷, 聶富強 申請人:中國科學院化學研究所