一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片及其应用，属于微流控技术领域，由多个表面具有浮雕式结构的芯片通过拼接口拼接而成；所述的浮雕式微流控芯片的结构按功能分，有传输、筛分、劈裂、融合、震荡、跳跃、替换和收集八种。该结构包含了具有某种特定运动轨迹控制功能的微流控通道结构和外沿的拼接口结构，通过将芯片按照既定目的进行灵活拼装集成，同时结合重力驱动和芯片表面的超疏水改性，可以实现对液滴进行高速度、多通道和功能性的运动轨迹控制。

Gravity driven integrated relief micro fluidic chip and application thereof

The invention discloses a microfluidic chip and the application of a gravity driven integrated relief, which belongs to the field of microfluidic technology, composed of a plurality of surface relief structure is formed by splicing interface chip splicing; the structure of the microfluidic chip according to the function of relief, a transmission, screening, splitting, fusion, shake, jump, replace and collect eight. The structure contains spell interface structure with some specific trajectory control function of the microfluidic channel structure and the outer edge of the chip, the flexible assembly in accordance with the established objective integration, combined with the gravity driven and chip surface super hydrophobic modification, can realize the trajectory of high speed, multi-channel and functional control of liquid drop.

【技术实现步骤摘要】
一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片及其应用
本专利技术属于微流控
，具体涉及利用软光刻的方法加工获得可集成的浮雕式微流控芯片，并由重力驱动液滴在芯片的轨道中运动，以实现对液滴行为和运动轨迹的控制。技术背景微流控是指通过尺寸在微米量级的微型管道对液滴进行操控的技术。而包含这种微型管道结构的微流控装置即称为微流控芯片。从上世纪70年代起，微流控的发展经历了从最早的利用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪，到后来的微流控毛细血管电泳仪和微型反应器等，在化学、生物和临床医学等方面都有重要应用。由此可见，无论是技术内核还是应用前景，都要求微流控芯片具有高度的可集成性和对液滴的精准操控能力。微流控对液滴的操控原理除了依据微尺度环境下液滴的独特流体性质以外，还依赖于加工成微流控芯片的材料表面特性和引入的外界驱动力。比如，在材料方面，疏水材料表面具有对水滴的显著排斥性，使得水滴可在其上自由、快速滚动或滑动。将疏水材料加工成微流控芯片，可实现液滴的快速传输，大大地提高微流控芯片的效率。于是，疏水材料成为目前加工微流控芯片的主流材料。近年来，一些常见的疏水材料被用来加工各种二维/三维、开放/封闭式微流控芯片，包括硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯等。值得注意的是，鉴于材料表面的疏水性对液滴流速的决定性作用，可以考虑通过对材料进行表面改性来进一步获得微流控芯片表面的超疏水性，进而提升芯片的驱动效率。而在引入外界驱动力方面，人们尝试了引入外界电场、磁场、热梯度、光场和机械力等，对微流控芯片中的液滴进行驱动。这些外界驱动力虽然都能一定程度上实现驱动效果，但是全部需要提供一个附加装置来产生相应的力场(例如电场需要附加电极，磁场需要附加磁极等)。这样不仅在芯片设计上增加了复杂度，而且还涉及到能量消耗和效率等问题。而利用无处不在的重力恰恰能够解决这一问题。依据这个方案，人们利用激光直接在金属或硅板等疏水材料表面打出取向迂回的微型沟槽，然后向整片芯片施以一个微小倾角；这样，在引力场的驱动下，液滴即在沟槽内受自身重力作用牵引而快速运动。不过，目前这种方法仅实现了对液滴运动的简单的引导。据此，更精准和功能化的微流控通道设计才能满足对液滴运动的全方位操控和应用需求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片。即单片芯片包含具有某种液滴行为控制功能的微流控通道结构和外沿的拼接口结构；通过拼接口将芯片两两拼接，可实现多芯片之间的紧密拼合，集成具有一系列连续性、多通道结构的微流控芯片。通过将芯片按照既定目的进行灵活拼装集成，同时结合重力驱动和芯片表面的超疏水改性，可以实现对液滴进行高速度、多通道和功能性的运动轨迹控制。本专利技术通过如下技术方案实现：一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片，由多个表面具有浮雕式结构的芯片通过拼接口拼接而成；所述的浮雕式微流控芯片的结构按功能分，有传输、筛分、劈裂、融合、震荡、跳跃、替换和收集八种。进一步地，所述的传输为使液滴定向移动；所述的筛分为依据液滴尺寸或动量对其进行筛分；所述的劈裂为利用撞击的冲力使液滴劈裂；所述的融合为使两个液滴相遇并融合；所述的震荡为使液滴反复改变运动方向；所述的跳跃为使液滴飞越多个通道；所述的替换为使液滴2撞击液滴1后将其替换；所述的收集为把液滴限制在某处。进一步地，所述的芯片的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。进一步地，所述的拼接口结构为正负两种拼接口；正负拼接口分别位于矩形芯片的四条边上，顺序为“正→负→正→负”，集成时将相邻两片芯片的正负口严密咬合实现拼接。本专利技术的另一个目的是提供了一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片的应用，具体地为，驱动方式为重力驱动，将所述的可集成浮雕式微流控芯片与水平面成一个微小倾角放置(1-15°)，使液滴在重力作用下沿微流控通道自高向低运动；具体应用在拉曼信号增强、生物监测和化学反应器等方面。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、在液滴驱动方面，重力驱动结合芯片表面的超疏水改性可以提高液滴流速，并使芯片结构更为简化、紧凑；2、在液滴轨迹控制方面，通过芯片集成可获得多种功能化的复合微流控通道，提高了芯片的功能性、灵活性和应用性；3、在芯片使用方面，集成芯片支持“掌上实验室”功能，即其任意集成/拆分的特性支持随时随地进行实验演示和研究，同时具有良好的便携性。附图说明图1为本专利技术的表面具有浮雕式微流控通道结构的芯片及其相应的微流控效果示意图；其中，图1(a)-(h)为模块化的单片芯片上的七种浮雕式微流控结构，分别为传输结构、筛分结构、劈裂结构、融合结构、震荡结构、跳跃结构、替换结构和收集结构；图1(i)为集成后的浮雕式微流控芯片结构示意图；图2为本专利技术的重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片的结构示意图；图3为本专利技术实施例2的重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片应用于生物标记时的荧光显微镜照片；其中，图3(a)为被标记细胞的明场荧光显微镜照片，图3(b)为被标记细胞的暗场荧光显微镜照片，数字标号指示癌细胞所在位置。图4为本专利技术的重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片应用于化学合成时反应生成的聚苯胺的扫描电镜照片；图5为本专利技术的重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片应用于拉曼信号增强时的芯片表面和沉积的银颗粒的激光共聚焦显微镜照片；图6为本专利技术的重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片应用于拉曼信号增强时所激发的表面增强拉曼光谱；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例1通过重力驱动和浮雕式微流控通道设计的结合实现对液滴运动轨迹的多种控制。利用CO2激光器加工微流控芯片并对其表面改性，可获得具有超疏水表面的、支持液滴高速流动的微流控芯片。以重力作为驱动力，同时结合不同结构的微流控通道，可实现对液滴运动轨迹控制的多种方式的精准控制。利用CO2激光器加工微流控芯片并对其表面改性的方法，具体步骤为：(1)、板材雕刻：首先，建立激光焦点的运动轨迹，使用Coreldraw软件，依据待加工的微流控反结构的具体形貌将其沿纵深方向(即z轴方向)分割成10层，按照每层结构绘制出对应的二维格式图案，即为激光扫描每层结构时的焦点运动轨迹；然后，利用激光直写扫描对板材进行雕刻，激光焦点的扫描方式为“逐线扫描成层→逐层扫描成体”，线宽与线间距均为0.1mm，每层结构对应的图案均由线条组合而成；具体地，先将清洗并吹干后的PMMA有机玻璃板置于CO2激光器工作面，将激光聚焦在待雕刻板材表面；随后，将绘制好的二维格式图案导入到激光器的控制电脑中，雕刻时利用LaserCAD软件对图案格式进行识别并据此对激光焦点的运动轨迹进行实时控制，按照预设的运动轨迹在板材上以层层扫描的方式，加工出目标微流控芯片结构的反结构，即可供翻模的PMMA模板；扫描完毕后，再次清洗并吹干雕刻完毕的PMMA模板；其中，PMMA板材/模板的清洗是指在超纯水环境下超声20min，吹干是指在氮气流下吹干。(2)、芯片翻模：将配置好的PDMS浇筑在雕刻清洗后的PMMA模板上，置于温度为80℃的恒温烘箱中烘2小时；待PDMS固化后，将其从PMMA模板上揭下，得到初期的PDMS微流控芯片。其中，PDMS的配置步骤为：按照10:1的质量将PDMS与固化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片，其特征在于，由多个表面具有浮雕式结构的芯片通过拼接口拼接而成；所述的浮雕式微流控芯片的结构按功能分，有传输、筛分、劈裂、融合、震荡、跳跃、替换和收集。

【技术特征摘要】
1.一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片，其特征在于，由多个表面具有浮雕式结构的芯片通过拼接口拼接而成；所述的浮雕式微流控芯片的结构按功能分，有传输、筛分、劈裂、融合、震荡、跳跃、替换和收集。2.如权利要求1所述的一种重力驱动的可集成浮雕式微流控芯片，其特征在于，所述的传输为使液滴定向移动；所述的筛分为依据液滴尺寸或动量对其进行筛分；所述的劈裂为利用撞击的冲力使液滴劈裂；所述的融合为使两个液滴相遇并融合；所述的震荡为使液滴反复改变运动方向；所述的跳跃为使液滴飞越多...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，张永来，王欢，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22