一种基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗泵微流控芯片。该芯片由微沟道、微电渗泵、电极和电极反应柱组成。本电渗泵芯片设计通过选用超薄纳米多孔材料、改良电极摆放位置、优化反应溶液及填充琼脂糖凝胶，使电渗泵的工作电压更低(1‑10V)，流速更加稳定。本发明专利技术提供的芯片式电渗泵，可通过调节施加电压来精确控制溶液流速和方向，流速范围0～100μl/min，且将电渗泵整合入芯片中，使其具有微型化、易操作、无移动部件、低成本等优点，还可进一步集成外接通道和微流控芯片实验室的其他单元样品分离、混合及分析等集成，实现真正的无需外部流体泵支撑的微流控微型芯片集成实验室。

A low voltage and high performance electroosmosis micropump chip based on solid state track etching nanopores

The invention discloses a low-voltage high-performance electroosmotic pump microfluidic chip based on solid-state track etching nano holes. The chip consists of micro channel, micro electroosmotic pump, electrode and electrode reaction column. The electroosmotic pump chip design uses ultra-thin nano porous material, improved electrode placement, optimized reaction solution and filled agarose gel, so that the working voltage of the electroosmotic pump is lower (1 10V), and the flow rate is more stable. The chip type electroosmotic pump can precisely control the flow rate and direction of the solution by adjusting the applied voltage, and the flow rate range is 0-100 \u03bc L / min. the electroosmotic pump is integrated into the chip, which has the advantages of miniaturization, easy operation, no moving parts, low cost, etc., and can further integrate the external channel and other unit samples of the microfluidic chip Laboratory for separation, mixing and separation Analysis integration, to achieve a real microfluidic microchip Integration Laboratory without external fluid pump support.

【技术实现步骤摘要】
一种基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片
本专利技术属于微电子机械系统领域，涉及一种应用于医药、化学分析领域的微流控领域的电渗泵微流芯片，以及使用该电渗泵芯片的流体驱动系统。
技术介绍
微流控芯片具有的精确流体控制、少量样品需求、快速反应及大规模集成的优势，使其成为临床诊断及疾病筛查的有力工具。近年来微流控芯片在核酸、蛋白质分析，细胞培养、分选以及药物筛选等方面应用十分广泛，可为生物医学研究提供精确、高通量、易集成的应用平台，集成化和自动化的微流控芯片系统已发展成为生物医学、电子、材料、流体等交差学科的崭新研究领域。各种微泵的制造和测试都是为微流体应用而进行的，在这些微泵中，以电渗流原理工作的电渗泵近年来受到越来越多的关注。电渗泵有几个突出的特点：它能以紧凑的结构产生恒定的和无脉冲的流量；流量的大小和方向便于控制；没有移动部件。本专利技术将电渗泵集成到芯片中并加以改进，解决了其流体驱动过程中存在的操作复杂、工作电压高、流速慢等问题，得到更优越的性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的是电渗泵在流体驱动过程中存在的操作复杂、工作电压高、流速慢以及难于与微流芯片集成等问题，公开了一种基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片及其制备方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是固态径迹刻蚀纳米孔电渗泵的微型芯片化并明显提高电渗泵的流速及其长时间稳定性，在10V低电压下，该电渗泵芯片流速可达7μL/min，且流速稳定无衰减。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：r>步骤一、固态纳米孔的制备：固态纳米孔制备选用径迹刻蚀法，它是一种基于高能重离子辐照和化学刻蚀的制备方法。首先利用高能重离子辐照高分子薄膜材料，在高分子薄膜材料中形成一条由损伤区域组成的纳米尺度潜径迹；接着利用化学刻蚀的方法对潜径迹进行选择性的刻蚀，从而得到纳米尺寸的孔道结构。径迹刻蚀纳米孔的直径、孔型和密度均可以通过调节辐照条件和刻蚀条件实现高度可控制备。步骤二、电渗泵芯片的制备：(a)微沟道的制备：使用低成本聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，通过现有的3D数控微钻技术制备得到电渗泵芯片微沟道；(b)电渗泵芯片的制备：如图2所示，电渗泵芯片由六层构成，其中底层和顶层材料为聚碳酸酯(PC)片材。第四层为具有微沟道的PMMA片材。第二、三、五层为具有通透微结构的双面胶，以粘合上述材料。第二、三层双面胶之间夹载一面3*3mm的纳米孔薄膜。顶层片材上粘合2个电极反应柱与芯片微沟道相连通，柱1位于纳米孔薄膜顶部，柱2位于侧沟道部位；(c)向电极反应柱2及侧沟道内加2％琼脂糖凝胶1000μl。步骤三、电路连通测试：在制备完成的电渗泵芯片微沟道和电极反应柱中充满TAE缓冲液(0.5～1*TAE)，加入铂电极连接电源，柱1连接外加电场的正极，柱2连接外加电场的负极，设置电压10V并连通电源，观察电流情况。步骤一中，使用的是来自中科院兰州近代物理研究所UNILAC加速器产生的17MeV/u的Ar离子轰击后的离子径迹高分子薄膜，其型号为PET1238(即厚度为12μm，密度为3*10^8/cm2)，该高分子薄膜经过紫外光线辐照3小时后在2M60℃NaOH溶液中刻蚀8.5分钟即可得到外径约200nm，内径约30nm的双锥形固态纳米孔薄膜。步骤一中，制备固态纳米孔的高分子薄膜型号为PET1238，这种超薄纳米多孔材料的厚度仅有12μm，因为膜的厚度较小，可在纳米孔内形成很强的电场。双锥孔型的设计进一步聚焦电场于双锥孔的中心狭窄区域。步骤二(a)中，电渗泵芯片微沟道布局在AdobeIllustrator中设计，然后使用SilhouetteCAMEO3切割绘图仪切割PMMA片材得到。该沟道由连接电渗泵功能区的直沟道a、填充琼脂糖凝胶的梯形侧沟道b以及沟道c组成。直沟道a主要用于放置固态纳米孔薄膜、连接正负极，梯形侧沟道b主要用于填充琼脂糖凝胶，沟道c主要用于观察液体流动。其中，侧沟道b设计为梯形可减小其电阻，从而减小电压降损失，同时，固态纳米孔薄膜加载部位应尽量接近侧沟道b以减小无效沟道长度，从而降低其电阻，使电压更多地施加在纳米孔薄膜上，增强电渗流。步骤二(b)中，第二、三层双面胶之间夹载的3*3mm的纳米孔薄膜为上述步骤一中径迹刻蚀法制备得到。步骤二(b)中，电极反应柱用来放置电极，可避免将电极伸入芯片中距离纳米孔薄膜过近，从而避免电极处电解反应产生的气泡和pH值变化影响电渗泵性能。步骤二(c)中，向电极反应柱2及侧沟道内填充1000μl2％琼脂糖凝胶的目的在于隔绝电解反应产生的气泡和pH值变化。步骤三中，使用TAE缓冲液对制备完成的电渗泵芯片进行电路连通测试。TAE缓冲液在此过程中具有维持合适pH值的作用。电渗流时正极与负极都会发生电解反应，正极发生氧化反应(4OH--4e-＝2H2O+O2)，负极发生还原反应(4H++4e-＝2H2)，长时间的电渗流将使正极pH值降低，负极pH值升高。TAE具有较强的缓冲能力，可使溶液两极的pH值保持基本不变。TAE缓冲液的另一个作用是使溶液具有一定的导电性，使电场均匀地施加在纳米孔上产生电渗流。步骤三中，使用1*TAE缓冲液对制备完成的电渗泵芯片进行电路连通测试。若无电流(一般＜0.1mA)则电路未连通，电渗泵芯片异常；若有电流(一般为0.1mA～0.2mA)则电路连通，电渗泵芯片正常。步骤三中，使用铂电极对制备完成的电渗泵芯片进行电路连通测试。铂属于惰性贵金属，不易与其他物质发生化学反应。此外，本专利技术提供所述基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片的制备方法，其制备步骤如前面所述。本专利技术与现有技术相比，具有以下特点：1、快速高效，稳定性好：本电渗泵芯片通过使用新型超薄固态纳米孔材料、改良电极摆放位置、更换反应溶液及填充琼脂糖凝胶等，使其工作电压更低流速更高，且流速稳定无明显衰减。2、操作简单，流速可控：本电渗泵芯片制备方法简单，功能结构紧凑，通过施加恒定直流电压即可驱动溶液高速流动，流量的大小和方向也可通过电压调控。3、微型芯片化，实际应用性强：本电渗泵芯片可与外接通道和微流控芯片的其他单元集成，以提供实时快速、精确高通量的应用平台。附图说明图1为本专利技术基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片的工作原理图。图2为本专利技术基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片的沟道结构图。图3为本专利技术基于固态径迹刻蚀纳米孔的低电压高性能电渗微泵芯片的设计示意图。图4为工作电压为50V时，电渗泵芯片在不同反应溶液下的电流情况。图5为电渗泵芯片在不同反应溶液和不同电压下的流速情况。图6为反应溶液为0.5*TAE时，电渗泵芯片在不同电压下的流速情况。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步的说明，其目的是为了更好理解本专利技术的内容，但所举的实施例并不限制本专利技术的保护范围：如附图2中所示的步骤，搭建电渗泵微流芯片体系。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片，其特征在于，制备方法包括如下步骤：/n步骤一、固态纳米孔的制备：固态纳米孔制备选用径迹刻蚀法，利用高能重离子辐照高分子薄膜材料，在高分子薄膜材料中形成一条由损伤区域组成的纳米尺度潜径迹；接着利用化学刻蚀的方法对潜径迹进行选择性的刻蚀，从而得到纳米尺寸的孔道结构；径迹刻蚀纳米孔的直径、孔型和密度通过调节辐照条件和刻蚀条件实现高度可控制备；/n步骤二、电渗泵芯片的制备：(a)微沟道的制备：使用低成本聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，通过3D数控微钻技术制备得到电渗泵芯片微沟道；(b)电渗泵芯片的制备：电渗泵芯片由六层构成，其中底层和顶层材料为聚碳酸酯(PC)片材；第四层为具有微沟道的PMMA片材；第二、三、五层为具有通透微结构的双面胶，以粘合材料；第二、三层双面胶之间夹载一面3*3mm的纳米孔薄膜；顶层片材上粘合2个电极反应柱与芯片微沟道相连通，柱1位于纳米孔薄膜顶部，柱2位于侧沟道部位；(c)向电极反应柱2及侧沟道内加2％琼脂糖凝胶1000μL；/n步骤三、电路连通测试：在制备完成的电渗泵芯片的微沟道和电极反应柱中充满TAE缓冲液(0.5～1*TAE)，加入铂电极连接电源，柱1连接外加电场的正极，柱2连接外加电场的负极，设置电压10V并连通电源，观察电流情况。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
步骤一、固态纳米孔的制备：固态纳米孔制备选用径迹刻蚀法，利用高能重离子辐照高分子薄膜材料，在高分子薄膜材料中形成一条由损伤区域组成的纳米尺度潜径迹；接着利用化学刻蚀的方法对潜径迹进行选择性的刻蚀，从而得到纳米尺寸的孔道结构；径迹刻蚀纳米孔的直径、孔型和密度通过调节辐照条件和刻蚀条件实现高度可控制备；
步骤二、电渗泵芯片的制备：(a)微沟道的制备：使用低成本聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，通过3D数控微钻技术制备得到电渗泵芯片微沟道；(b)电渗泵芯片的制备：电渗泵芯片由六层构成，其中底层和顶层材料为聚碳酸酯(PC)片材；第四层为具有微沟道的PMMA片材；第二、三、五层为具有通透微结构的双面胶，以粘合材料；第二、三层双面胶之间夹载一面3*3mm的纳米孔薄膜；顶层片材上粘合2个电极反应柱与芯片微沟道相连通，柱1位于纳米孔薄膜顶部，柱2位于侧沟道部位；(c)向电极反应柱2及侧沟道内加2％琼脂糖凝胶1000μL；
步骤三、电路连通测试：在制备完成的电渗泵芯片的微沟道和电极反应柱中充满TAE缓冲液(0.5～1*TAE)，加入铂电极连接电源，柱1连接外加电场的正极，柱2连接外加电场的负极，设置电压10V并连通电源，观察电流情况。


2.如权利要求1所述的基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片，其特征在于，步骤一中，使用来自中科院兰州近代物理研究所UNILAC加速器产生的17MeV/u的Ar离子轰击后的离子径迹高分子薄膜，其型号为PET1238，厚度为12μm，密度为3*10^8/cm2，该高分子薄膜经过紫外光线辐照3小时后在2M60℃NaOH溶液中刻蚀8.5分钟即可得到外径约200nm、内径约30nm的双锥形固态纳米孔薄膜。


3.如权利要求1所述的基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片，其特征在于，步骤一中，制备固态纳米孔的高分子薄膜型号为PET1238，这种超薄纳米多孔材料的厚度仅有12μm，膜的厚度小，可在纳米孔内形成强的电场；双锥孔型的设计聚焦电场于双锥孔的中心狭窄区域。


4.如权利要求1所述的基于固态纳米孔的低电压高性能电渗泵芯片，其特征在于，步骤二(a)中，电渗泵芯片微沟道布局在AdobeIllustrator中设计，然后使用SilhouetteCAMEO3切割绘图仪切割PMMA片材得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琴华，任芳玲，王册明，罗丹，冉凤英，张斌强，
申请(专利权)人：湖北医药学院，国药东风总医院，
类型：发明
国别省市：湖北;42