基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件及其制备方法，属于材料科学技术领域，本发明专利技术的方法涉及光刻技术与等离子刻蚀方法结合制备硅片表面的微米图案化结构阵列，通过气相沉积技术对图案化结构进行表面修饰进而用于微芯片多孔道分流器件。整个过程操作简单，不涉及复杂昂贵的制备技术，并且所制备的图案化微米结构阵列具有很好的稳定性，微小的图案化结构对孔道中流体的流动行为有很大的影响。通过调节芯片孔道基底微结构的排布可以实现多个微孔道流体的流动行为的调控，孔道中的分流情况可以得到有效控制，并且微孔道中流体分流的实现大部分依赖于对基底结构气液固三相线的调控。

Microfluidic chip fluid shunt device based on patterned design surface and preparation method thereof

The invention discloses a patterned surface design of microfluidic chip fluid shunt device and a preparation method thereof based on, which belongs to the technical field of materials science, the method of the invention involves lithography and plasma etching method for fabrication of micro structure array patterned silicon wafer surface system combined by gas phase deposition technique on patterned surface modification for micro structure and multi chip channel diversion device. The whole process is simple, does not involve the preparation technology of complex and expensive, and the patterned micron structure array prepared has good stability, has a great influence on the flow behavior of micro pore structure pattern of fluid. The regulation of flow behavior by adjusting the pore arrangement of the micro structure of the chip substrate can achieve a number of micro fluid diversion, the ducts can be effectively controlled, and realize the shunt in microporous fluid most dependent on the basement structure of gas liquid solid three phase control.

【技术实现步骤摘要】
基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件及其制备方法
本专利技术属于材料科学
，具体涉及一种基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件及其制备方法，特别是涉及具有多个微孔道的芯片的流体分流方法。
技术介绍
由于微流体芯片反应样品微量，低成本，易于携带，高灵敏度和检测时间短等特性，在过去十年里，微流体技术已经被应用于合成化学，生物医学和临床诊断等领域(G.M.Whitesides,Nature,2006,442,368–373)。然而为了实现微流体技术的商品化，还有很多问题亟待解决。在这些技术问题当中，微芯片孔道中流体的控制是微流体技术走向实际应用的一个基本的技术问题。人们相继提出了微阀、微泵、微混合器等技术来实现对微芯片中流体的操控，其中，微阀门的应用较为广泛。目前多种微阀门器件已经相继被报道，比如机械阀门和气动阀门等等，但是这类阀门需要复杂的外部控制装置，很大程度增大了微芯片的运行成本，这与微流体技术简单、快速、高效的特性相违背。被动阀门器件基于孔道维度、基底结构和牺牲层实现对微孔道中流体的操控，降低了微芯片对昂贵的外部控制设备的依赖，为微孔道流体调控提供了新思路。然而目前的被动阀门器件多是控制单一孔道中流体的流动情况，于是探索一种简单的微流体分流器件的制备方法实现对微芯片中多个微孔道流体的流动行为的操控是研究人员亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述缺点，本专利技术的目的是提供一种简单、廉价的基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制备方法。本专利技术的方法涉及光刻技术与等离子刻蚀方法结合制备硅片表面的微米图案化结构阵列，通过气相沉积技术对图案化结构进行表面修饰进而用于制备微芯片多孔道分流器件。整个过程操作简单，不涉及复杂昂贵的制备技术，并且所制备的图案化微米结构阵列具有很好的稳定性，微小的图案化结构对孔道中流体的流动行为有很大的影响。通过调节芯片孔道基底微结构的排布可以实现多个微孔道流体的流动行为的调控，孔道中的分流情况可以得到有效控制，并且微孔道中流体分流的实现大部分依赖于对基底结构气液固三相线的调控。本专利技术主要通过在微芯片孔道中排布图案化结构的方法，绝大程度的减少了常规微流体芯片复杂的外部流体控制设备。本专利技术的基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制备方法，具体步骤如下：(1)、微芯片下表面基片的处理：将基片置于丙酮中超声清洗5～15min，再用无水乙醇清洗5～10min，之后用去离子水清洗至无有机溶剂残留；随后对基片进行酸性氧化处理(质量分数为98％浓硫酸和质量分数为30％过氧化氢的混合溶液，两者体积比为7：3)，之后用去离子水清洗至无酸液，存放于去离子水中待用；(2)、将步骤(1)所得的基片置于氧等离子体清洗机中清洗5～10min，使其表面变为羟基，再在基片表面悬涂一层光刻胶(悬涂条件为1000～3000rpm,10～60s，胶膜厚度为2-4μm)；随后将基片置于图案化微结构阵列掩模板下紫外曝光10～30s，再将基片置于显影液中浸泡10～30s，得到图案化的光刻胶表面；(3)、将步骤(2)所得的图案化光刻胶表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为2～20min(刻蚀气压为0～20mTorr，刻蚀温度10～20℃，刻蚀基底气体流速10～50sccm，刻蚀功率为RF为0～400W，ICP为0～400W)；之后将基片置于无水乙醇中超声清洗5～10min，再用去离子水超声清洗5～10min；随后将基片置于氧等离子体清洗机中清洗5～10min，使其表面变为羟基，再通过气相沉积法使基片表面接枝上疏水的接枝材料，便得到疏水的图案化硅结构阵列；(4)、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按质量比10：0.8～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后，倾倒至微芯片孔道模板表面，置于温度为60～100℃的烘箱中，固化3～10h，将其揭起便得到了PDMS微流体孔道；将所得到的微流体孔道与步骤(3)中制备的图案化硅结构阵列压到一起便得到了基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件。步骤(1)中使用的基片可为玻璃载玻片、石英片或单晶硅片。步骤(2)中使用的光刻胶为正性光刻胶BP212-37s、BP212-45或负性光刻胶SU-8等。步骤(2)中使用的紫外灯波长是365nm，功率为30～100W。步骤(2)中使用的显影液为质量分数0.5～2％的氢氧化钠溶液或光刻胶专用显影液。步骤(2)中的图案化微结构阵列掩模板是铬层图案化的微米级阵列。步骤(3)中使用的刻蚀气体为氧气、三氟甲烷/六氟化硫、三氟甲烷/氩气等单独气体或多组分混合气体。步骤(3)中疏水的接枝材料为1H，1H，2H，2H-过氟辛基三氯硅烷(PFS)或三氯十八硅烷(OTS)等。步骤(4)中使用的微芯片孔道模板是具有单入口和多出口的微芯片孔道模型。步骤(4)中使用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂为184SILICONEELASTOMER套装，购于美国DowCorning公司。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：1、本专利技术制备过程简单，微小的图案化表面结构即可实现孔道中流体流动行为的调控，简单的的形貌结构可实现孔道中的单向阀门功能，较大程度的简化了原有的单向阀门。2、本专利技术可通过简单的图案化表面结构实现微芯片孔道中气体和水的分离，分离效果接近100％。3、通过简单的图案化表面结构的排布，本专利技术即可实现微芯片中多孔道中流体流动行为的调控，与现有技术相比较大程度的简化了微芯片流体控制所需的复杂的外部辅助设备，降低了微芯片的运行成本。本专利技术操作简单，微小的表面结构可以对孔道中流体的流动行为产生很大的影响，可以根据微芯片中流体操控的需求灵活控制图案化硅结构阵列的排布，制作过程中不需要昂贵的试剂即可得到微芯片多孔道的流体分流器件，器件具有很好的稳定性。附图说明图1：(a)为制备图案化结构阵列的实验流程图；(b)为基于实例3所制备的图案化硅阵列的扫描电子显微镜照片；(c1)-(c2)为基于实例3所制备的图案化硅阵列的原子力显微镜照片的平面图和三维图。图2：(a)基于实例4所制备的直线型微流体孔道的单向阀门的模型图；(b)(c)为水流体从直线型孔道入口流出后所拍摄的荧光显微镜照片，压力为50mbar，其中图(b)中孔道嵌入单向阀门，对流体起到调控作用；图(c)中孔道无单向阀门，流体自由流经孔道。图3：(a)基于实例5所制备的四孔道微流体芯片的初级分流器件的模型图；(b1)-(b4)为水流体从四孔道微流体芯片入口流出后所拍摄的荧光显微镜照片，(b1)当水流体压力增大到45mbar时，流体流过出口1的图案化硅阵列，出口1开启，同理，(b2)-(b4)当压力增大到55、63和72mbar时，流体分别流过出口2、3和4的图案化硅阵列，出口2、3和4依次开启。图4：(a1)-(a2)基于实例6所制备的T型微流体孔道的初级气液分流器件通入水流体的荧光显微镜照片，(a1)压力为50mbar时，水流体只沿一个方向的孔道流动，只有出口1开启，(a2)当压力大于75mbar时，水流体沿两个方向的孔道流动，两个孔道都开启；(b1)-(b4)基于实例6所制备的T型微流体孔道的初级分流器件的通入气液混合物所拍摄的荧光显微镜照片，其中液体经出口1本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制备方法，具体步骤如下：(1)、微芯片下表面基片的处理：将基片置于丙酮中超声清洗5‑15min，再用无水乙醇清洗5‑10min，之后用去离子水清洗至无有机溶剂残留；随后对基片进行酸性氧化处理，之后用去离子水清洗至无酸液，存放于去离子水中待用；(2)、将步骤(1)所得的基片置于氧等离子体清洗机中清洗5‑10min，使其表面变为羟基，再在基片表面悬涂一层光刻胶；随后将匀胶基片置于图案化微结构阵列掩模板下紫外曝光10‑30s，再将基片置于显影液中浸泡10‑30s，得到图案化的光刻胶表面；(3)、将步骤(2)所得的图案化光刻胶表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为2‑20min；之后将基片置于无水乙醇中超声清洗5‑10min，再用去离子水超声清洗5～10min；随后将基片置于氧等离子体清洗机中清洗5‑10min，使其表面变为羟基，再通过气相沉积法使基片表面接枝上疏水的接枝材料，便得到疏水的图案化硅结构阵列；(4)、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按质量比10：0.8‑1.0的比例混合均匀，真空脱气10‑30min后，倾倒至微芯片孔道模板表面，置于温度为60‑100℃的烘箱中，固化3‑10h，将其揭起便得到了PDMS微流体孔道；将所得到的微流体孔道与步骤(3)中制备的图案化硅结构阵列压到一起便得到了基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件。...

【技术特征摘要】
1.基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制备方法，具体步骤如下：(1)、微芯片下表面基片的处理：将基片置于丙酮中超声清洗5-15min，再用无水乙醇清洗5-10min，之后用去离子水清洗至无有机溶剂残留；随后对基片进行酸性氧化处理，之后用去离子水清洗至无酸液，存放于去离子水中待用；(2)、将步骤(1)所得的基片置于氧等离子体清洗机中清洗5-10min，使其表面变为羟基，再在基片表面悬涂一层光刻胶；随后将匀胶基片置于图案化微结构阵列掩模板下紫外曝光10-30s，再将基片置于显影液中浸泡10-30s，得到图案化的光刻胶表面；(3)、将步骤(2)所得的图案化光刻胶表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为2-20min；之后将基片置于无水乙醇中超声清洗5-10min，再用去离子水超声清洗5～10min；随后将基片置于氧等离子体清洗机中清洗5-10min，使其表面变为羟基，再通过气相沉积法使基片表面接枝上疏水的接枝材料，便得到疏水的图案化硅结构阵列；(4)、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按质量比10：0.8-1.0的比例混合均匀，真空脱气10-30min后，倾倒至微芯片孔道模板表面，置于温度为60-100℃的烘箱中，固化3-10h，将其揭起便得到了PDMS微流体孔道；将所得到的微流体孔道与步骤(3)中制备的图案化硅结构阵列压到一起便得到了基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件。2.如权利要求1所述的基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的酸性氧化处理是用质量分数为98％浓硫酸和质量分数为30％过氧化氢的混合溶液进行处理，两者的体积比为7：3。3.如权利要求1所述的基于图案化设计表面的微流体芯片流体分流器件的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊虎，于年祚，王树立，杨柏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22