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水溶性犧牲層微流控芯片制備方法

文檔序號(hào):6130722閱讀:1068來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):水溶性犧牲層微流控芯片制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種水溶性犧牲層微流控芯片制備 方法。
技術(shù)背景微流控芯片是把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢 測(cè)及細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米 (甚至更小)的芯片上,由微通道形成網(wǎng)絡(luò),以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng),用以取代常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)平臺(tái)。微流控芯片是21世紀(jì) 最為重要的前沿技術(shù)之一。最早的微流控芯片器件由玻璃、石英或單晶硅制成,制備過(guò)程一般經(jīng)過(guò)薄 膜沉積、光刻掩膜制作、光刻、腐蝕、去膠等步驟,工藝復(fù)雜、成本較高;有 機(jī)玻璃(P麗A)、聚碳酸酯(PC)等高聚物材料可以利用熱壓法、模塑法、注塑 法等制備芯片,工藝簡(jiǎn)單、成本低,適用于大規(guī)模生產(chǎn),但是封接較困難,并 且通道容易變形[Bilitewski, U., Genrich, M., Kadow, S., Mersal, G., Jwa/.所oa"a/. C//em. 2003, 377, 556-569.];犧牲層刻蝕法是在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種 微結(jié)構(gòu)與微器件制造方法,具有易與薄膜電子元件集成、不需要高溫?zé)岱饨印?避免通道變形、成本低、適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),目前已被用于微通道與微流控 芯片的制備。例如,Kelly等采用石蠟作為犧牲層,利用石蠟受熱融化的相變特 點(diǎn),通過(guò)溶劑封接方式制備了PMMA微流控器件[Kelly, R. T., Pan, T., Woolley, A. T., ^W.Cte肌2005, 77, 3536-3541.]; Sharma等采用Si02作為犧牲層,借助于硅絕緣體
技術(shù),通過(guò)多步刻蝕,制備了集成有電動(dòng)液體處理與樣品檢測(cè)的微流控器件[Sharma, S., Buchholz, K., Luber, S. M., Rant, U. e"/., J.滅crae/e"廠簡(jiǎn)ec/;. 5,. 2006, ", 308-313.]; LEE和LIN等利用多晶硅作犧牲層、磷硅酸鹽玻璃作通道 壁制備了微流控通道[Lee, K. B., Lin, L., &肌j"認(rèn)tora j 2004, /", 44-50.]; Craighead等采用多晶硅作為犧牲層,在硅襯底上,依次制備二氧化硅、氮化硅、 多晶硅、掩膜層、鋁、有機(jī)玻璃多層薄膜結(jié)構(gòu),通過(guò)多步成型與刻蝕,制備了 集成式納流篩分結(jié)構(gòu)[Turner, S. W., Perez, A. M., Lopez, A., Craighead, H. G., J&c. 5W. rec/wo/. S 1998, M, 3835-3840.]; Peeni等采用SU-8、鋁、光刻膠不 同犧牲層材料,以氧化硅或氮化硅或非晶硅為通道壁材料,結(jié)合薄膜制備技術(shù) 制備了不同結(jié)構(gòu)的微流控器件[Peeni, B. A,, Conkey, D. B., Barber, J. P., Kelly, R. T.a/.,Z^ 2005, 5, 501-505.]。以上工作采用犧牲層方法成功制備了不同結(jié)構(gòu)、不同功能的微流控器件,但總體而言,尚存在以下問(wèn)題1、 多晶硅是目前應(yīng)用最多的犧牲層材料,溶解犧牲層的刻蝕劑為KOH或HF或四甲基氫氧化銨溶液,具有很強(qiáng)腐蝕性與危險(xiǎn)性;光刻膠是一種有強(qiáng)烈刺激性氣味、有毒性的化合物,對(duì)操作人員有一定的危害作用,并且以光刻膠作為犧牲層制備微流控器件需要特殊的制備條件與設(shè)備;而去除鋁犧牲層則需要 HC1與HN03混合強(qiáng)酸溶液,需加熱且刻蝕時(shí)間長(zhǎng);2、 目前使用的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿犧牲層刻蝕劑腐蝕性極強(qiáng),在溶解犧牲層物質(zhì)的 同時(shí),對(duì)微通道壁材料也具有一定的腐蝕作用,因此造成微通道的質(zhì)量下降、 分辨率降低;3、 目前犧牲層法制備微流控器件過(guò)程中大多需要與等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 沉積、低壓化學(xué)氣相沉積等昂貴、復(fù)雜薄膜制備技術(shù)相結(jié)合,且涉及多步制 過(guò)程與多歩化學(xué)刻蝕過(guò)程, 一定程度上增加了工藝難度與成本。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)便易行、低成本、環(huán)保的水溶性犧 牲層微流控芯片制備方法,犧牲層物質(zhì)可以選擇葡聚糖、聚乙烯醇、聚丙烯酰 胺、聚丙烯酸鈉中的任一種水溶性聚合物。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用光刻技術(shù)制作單晶硅片陽(yáng)模板,在硅片陽(yáng)模板上制備含有微通道的 PDMS陰模板;將PDMS陰模板貼在鉆好孔的載玻片上,形成微通道;以無(wú)水乙 醇潤(rùn)濕通道壁,然后使?fàn)奚鼘游镔|(zhì)的水溶液進(jìn)入通道中;待通道內(nèi)物質(zhì)凝固后, 將PDMS模板移走,在載玻片上形成凸起的犧牲層微結(jié)構(gòu);然后進(jìn)行通道壁的成 型與芯片的封接,得到含有犧牲層的芯片雛形;將芯片雛形置于去離子水中, 使?fàn)奚鼘油耆芙?,形成通道,即可制得微流控芯片。本發(fā)明的效果益處是本發(fā)明采用水溶性的犧牲層制備微流控芯片,除具有犧牲層方法所具有的 易集成、通道不變形、適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)外,由于采用的犧牲層刻蝕劑為去 離子水,不必使用腐蝕性刻蝕劑或毒性有機(jī)溶劑,實(shí)現(xiàn)了微流控芯片的安全、 環(huán)保制備;同時(shí)由于去離子水只溶解犧牲層而對(duì)由PDMS或SU-8膠或環(huán)氧烷膠構(gòu) 成的通道壁無(wú)刻蝕作用,因此避免了強(qiáng)酸、強(qiáng)堿與有機(jī)溶劑等腐蝕劑各向同性 刻蝕的弊端,提高了芯片微通道的質(zhì)量與分辨率;此外,利用本發(fā)明方法制備 的微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通道壁成型與芯片封接一步完成,且整個(gè)過(guò)程可在室 溫下進(jìn)行,因此芯片制備工藝大大簡(jiǎn)化,成本顯著降低,更加有利于微流控芯 片的批量生產(chǎn)。


附圖是水溶性犧牲層法制備微流控芯片流程圖。圖中—代表si基片,nun代表pdms, M代表載玻片,1=1代表犧牲層,GH代表膠體材料。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。1、 硅陽(yáng)模板的制備采用傳統(tǒng)光刻技術(shù)在單晶硅片上制備出所需圖形的陽(yáng) 模板,見(jiàn)圖(1),此模板可重復(fù)使用;2、 PDMS陰模板的制備見(jiàn)圖(2) - (3),將PDMS單體和膠聯(lián)劑以體積 比10: l混合均勻,利用機(jī)械泵抽氣去除氣泡;把除去氣泡的PDMS溶液緩慢 均勻地倒入到步驟1中制備的硅陽(yáng)模板上,然后在8(TC溫度下恒溫1-2小時(shí), 使PDMS完全固化;將PDMS從模板上取下,得到具有微通道的PDMS陰模板;3、 犧牲層溶液的配制犧牲層物質(zhì)可以選擇葡聚糖、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉中的任一種水溶性聚合物,以去離子水為溶劑配制溶液,為加速聚合物溶解,可在50-IO(TC水浴中加熱攪拌溶解;配制溶液的質(zhì)量濃度分別 為葡聚糖20-60%、聚乙烯醇1_15%、聚丙烯酰胺0.1-2%、聚丙烯酸鈉1-25%;4、 犧牲層結(jié)構(gòu)的制備見(jiàn)圖(4) - (5),把步驟2中制備好的PDMS陰模板 緊密地粘在打孔載玻片上,使PDMS上的通道對(duì)準(zhǔn)載玻片上的圓孔;在通道內(nèi)注 入無(wú)水乙醇保持5-10分鐘以潤(rùn)濕通道壁,然后將乙醇抽出;取步驟3中配制好 的犧牲層溶液l-5ml,通過(guò)圓孔緩慢注入到PDMS微通道中,然后放置l-2小時(shí) 使水分揮發(fā),聚合物凝固,然后將PDMS模板移走,即可在載玻片上形成凸起 的犧牲層結(jié)構(gòu);5.微流控芯片的成型、封接見(jiàn)圖(6), PDMS、 SU-8膠或環(huán)氧烷膠均可 以作為成型、封接材料,將膠體倒在步驟4中制好的具有犧牲層結(jié)構(gòu)的載玻片 上,在膠體上覆蓋另一片載玻片,利用壓力調(diào)節(jié)所需膠體膜厚度;然后室溫下放置24小時(shí)或置于烘箱中50-8(TC溫度下恒溫1-2小時(shí)使膠體凝固成型,通道 壁成型與芯片封接一歩完成,得到含有犧牲層的芯片雛形;6.微流控芯片完成見(jiàn)圖(7),將步驟5中封接好的芯片雛形置于去離子 水中5-30分鐘,使通道內(nèi)犧牲層完全溶解,將通道內(nèi)溶液抽出,即制得微流控 心片。
權(quán)利要求
1、水溶性犧牲層微流控芯片制備方法,其特征在于1)采用光刻技術(shù)制作單晶硅片陽(yáng)模板,然后把PDMS單體與交聯(lián)劑按體積比101混合均勻,利用機(jī)械泵抽氣去除氣泡,把除去氣泡的PDMS溶液緩慢均勻地倒在硅陽(yáng)模板上,在80℃下恒溫1-2小時(shí),使PDMS固化成型后,將PDMS從模板上取下,得到具有微通道的PDMS陰模板;2)犧牲層物質(zhì)可以選擇葡聚糖、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉中的任一種水溶性聚合物,以去離子水為溶劑配制溶液,為加速聚合物溶解,在50-100℃水浴中加熱攪拌溶解;配制溶液的質(zhì)量濃度分別為葡聚糖20-60%、聚乙烯醇1-15%、聚丙烯酰胺0.1-2%、聚丙烯酸鈉1-25%;3)把PDMS陰模板緊密地粘在打孔載玻片上,使PDMS上的通道對(duì)準(zhǔn)載玻片上的圓孔;在通道內(nèi)注入無(wú)水乙醇保持5-10分鐘以潤(rùn)濕通道壁,然后將乙醇抽出;取配制好的犧牲層溶液1-5ml,通過(guò)圓孔緩慢注入到PDMS微通道中,然后放置1-2小時(shí)使水分揮發(fā),聚合物凝固后,將PDMS模板移走,在載玻片上形成凸起的犧牲層結(jié)構(gòu);4)PDMS、SU-8膠或環(huán)氧烷膠作為微流控芯片的成型、封接材料;將膠體倒在具有犧牲層結(jié)構(gòu)的載玻片上,在膠體上覆蓋另一片載玻片,利用壓力調(diào)節(jié)所需膠體膜厚度;然后室溫下放置24小時(shí)或置于烘箱中50-80℃溫度下恒溫1小時(shí)使膠體凝固成型,通道壁成型與芯片封接一步完成,得到含有犧牲層的芯片雛形;5)將封接好的芯片雛形置于去離子水中5-30分鐘,使通道內(nèi)犧牲層完全溶解,將通道內(nèi)溶液抽出,即制得微流控芯片。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種水溶性犧牲層微流控芯片制備方法。采用光刻技術(shù)制作單晶硅片陽(yáng)模板,在硅片陽(yáng)模板上制備含有微通道的PDMS陰模板;將PDMS陰模板貼在鉆好孔的載玻片上;以無(wú)水乙醇潤(rùn)濕通道壁,然后使?fàn)奚鼘游镔|(zhì)的水溶液進(jìn)入通道中;待通道內(nèi)物質(zhì)凝固后,將PDMS模板移走,在載玻片上形成凸起的犧牲層微結(jié)構(gòu);然后進(jìn)行通道壁的成型與芯片的封接,得到含有犧牲層的芯片雛形;將芯片雛形置于去離子水中,使?fàn)奚鼘油耆芙?,形成通道。本發(fā)明有益效果是犧牲層刻蝕劑為去離子水,實(shí)現(xiàn)微流控芯片的安全、環(huán)保制備,提高微通道質(zhì)量與分辨率;制備的微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通道壁成型與芯片封接一步完成,制備可在室溫下進(jìn)行,成本低,適于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01N31/00GK101149364SQ20071015820
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月10日
發(fā)明者姜雪寧 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)
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