(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103962192 A(43)申请公布日 2014.08.06
(21)申请号 201410145535.8(22)申请日 2014.04.11
(71)申请人兰州大学
地址730000 甘肃省兰州市城关区天水南路
222号(72)发明人蒲巧生 杨升宏 吴晶
(74)专利代理机构北京中恒高博知识产权代理
有限公司 11249
代理人夏晏平(51)Int.Cl.
B01L 3/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图4页权利要求书1页 说明书5页 附图4页
(54)发明名称
一种高分子聚合物微流控芯片的制备方法(57)摘要
本发明公开了一种高分子聚合物微流控芯片的制备方法，利用CNC雕刻机直接加工微流控设备。本申请采用数控机床雕刻机对高分子材料进行雕刻的方法来实现微流控芯片的制备，较现有的方法，极大的降低高分子聚合物微流控芯片的制作成本，并能灵活的调节芯片微通道深度，简单易用，有利于芯片的大批量生产。
CN 103962192 ACN 103962192 A
权 利 要 求 书
1/1页
1.一种高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：利用CNC雕刻机直接加工微流控设备。
2.根据权利要求1所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：具体工艺步骤为：
1）利用数控软件进行微流控芯片的通道设计，并得到相应的雕刻路径，编写雕刻用代码；
2）将雕刻代码导入控制CNC雕刻机的软件中，对要进行制作的高分子聚合物材料按照设计进行制作；
3）图案制作结束后，根据不同的要求，封接芯片，即可得到功能化的微流控设备。3.根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行加工时，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在CNC雕刻机平台上，选择合适的雕刻起始点，调整主轴转速7000r/min，进给速度40mm/min，调整雕刻坐标归0，常温下添加冷却液为乙二醇和乙醇按体积比1:1的混合液，循环开始。
4.根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行加工时，采用平底尖刀或钻头进行雕刻，利用平底尖刀刀片尺寸控制或者钻头直径的控制得到不同宽度的通道。
5.根据权利要求4所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：平底尖刀的刀片尺寸为0.1mm-2mm，钻头直径为0.1mm-2mm。
6.根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行加工时，通过设置雕刻代码中Z的参数改变微通道的深度，并实现具备不同功能芯片的制备。
7.根据权利要求6所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行加工时，在一定雕刻长度的始末设置不同的雕刻深度，实现微通道的深度是在一定的长度内渐变。
8.根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，对高分子聚合物材料雕刻完成后，采用钻头，根据需求在合适的位置机械控制打孔后进行芯片封接。
9.根据权利要求8所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：打孔时，所述钻头的直径为2mm以上。
10.根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行加工时，利用合金钻头，编写点阵列的雕刻代码，进行雕刻，得到微阵列芯片。
2
CN 103962192 A
说 明 书
一种高分子聚合物微流控芯片的制备方法
1/5页
技术领域
[0001]
本发明涉及一种微流控芯片制作技术，主要用于高分子聚合物材质微流控芯片制
作。背景技术
高分子聚合物微流控芯片的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀
法、LIGA技术、软刻蚀法等。
[0003] 热压法是一种应用比较广泛的快速复制电泳微通道的芯片制作技术。在热压法中，模具的性质，如表面粗糙度、硬度以及与基片材料直接的摩擦系数等参数直接决定了所得到的微通道质量。
[0004] 模塑法的主要步骤是，首先采用光刻和蚀刻的方法制造出微通道凹突的阳模，然后在阳模上浇注液态的高分子聚合物，在一定的温度下固化后使高分子材料从阳模上剥离，即可制得带有微通道的芯片基片，与盖片封接后，可以制得高分子聚合物的微流控芯片。模具和高分子聚合物的选择是模塑法制作微流控芯片的重点。模具的许多性质影响微流控芯片的质量，如模具表面的粗糙程度影响制得高分子聚合物基片表面的平整度，进而影响它与盖片的封接。研究表明模具表面越粗糙，在其上固化的高分子聚合物基片的表面也就越粗糙，从而在两片基片封接的时候就越容易渗漏。
[0005] 注塑法的工艺是通过光刻和蚀刻技术在硅片上刻蚀出电泳芯片阴模，用此阴模进行24h左右的电铸，得到0.5cm厚的镍合金模，再将镍合金模加厚，精心加工制成金属注塑模具，将此模具安装在注塑机上批量生产聚合物微流控芯片基片。在注塑法制作工程中，模具制作非常复杂，技术要求高，周期长，但是好的模具重复性好，生产周期短，成本低廉，适宜于已成型的芯片生产。
[0006] 激光烧蚀法是一种非接触式的微细加工技术。激光烧蚀法对掩膜的依赖性较小，可根据实际需要设计制作不同结构和功能的聚合物微流控芯片，灵活性较高，但一次只能制作一片，生产效率低，此外紫外激光器价格昂贵、能量大，有一定危险，需在专门的环境中操作，限制了激光烧蚀法的进一步发展。
[0007] 软光刻技术是20世纪90年代末一种新的微图形复制技术，该技术用弹性模代替了光刻中使用的硬模产生微形状和微结构。软光刻便宜、方便，适用于实验室使用。但仍然存在一定的缺陷，如加工中材料的弹性和热膨胀性使其很难获得高的精确性，也使软光刻在多层面的微加工中收到限制，由于弹性模太软，无法获得大的深宽比，太大或太小的深宽比都将导致微结构的变形和扭曲。[0008] 综上，热压法、模塑法、注塑法、软刻蚀法主要依赖于模具的性质，其模具使用周期短或者价格昂贵等缺点，极大的限制了这些技术的推广，而激光烧蚀法生产效率低，价格昂贵，难以进行大规模生产高分子微流控聚合物芯片。
[0002]
发明内容
3
CN 103962192 A[0009]
说 明 书
2/5页
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种低成本、快速制备具有
复杂微通道网络结构、多样化微通道构型和深度，以及多种芯片功能的高分子聚合物微流控芯片的制备方法。
[0010] 本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种高分子聚合物微流控芯片的制备方法，利用利用计算机数字控制机床（Computer number control，CNC）雕刻机直接加工微流控设备。[0011] 上述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，具体工艺步骤为：
1）利用数控软件进行微流控芯片的通道设计，并得到相应的雕刻路径，编写雕刻代码（常见的代码如G代码、M代码等，其他类似作用的代码均可使用）；
2）将雕刻代码导入控制CNC雕刻机的软件中，对要进行制作的高分子聚合物材料进行雕刻；
3）雕刻结束后，根据不同的要求，对芯片封接，即可得到功能化的微流控芯片。[0012] 优选的，根据权利要求2所述的高分子聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在CNC雕刻机平台上，选择合适的雕刻起始点，调整主轴转速7000r/min，进给速度40mm/min，调整雕刻坐标归0，常温下添加冷却液为乙二醇和乙醇按体积比1:1的混合液，循环开始。
[0013] 所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，采用平底尖刀或钻头进行雕刻，利用平底尖刀刀片尺寸控制或者钻头直径的控制得到不同宽度的通道。[0014] 进一步的，平底尖刀的刀片尺寸为0.1mm-2mm，钻头直径为0.1mm-2mm。优选的，所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，通过设置雕刻代码中Z的参数改变微通道的深度，并实现具备不同功能芯片的制备。[0016] 进一步优选的，所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，在一定雕刻长度的始末设置不同的雕刻深度，实现微通道的深度是在一定的长度内渐变。[0017] 优选的，所述步骤3）中，对高分子聚合物材料雕刻完成后，采用钻头，根据需求在合适的位置机械控制打孔后进行芯片封接。[0018] 进一步优选的，打孔时，所述钻头的直径为2mm。[0019] 优选的，所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，利用合金钻头，编写点阵列的雕刻代码，进行雕刻，得到微阵列芯片。[0020] 本发明的有益效果：
本发明克服了现有技术制作微流控芯片设备成本高、制作效率低，难以实现芯片通道深度多样化的缺点, 利用CNC雕刻机直接加工微流控通道，建立了一种制作聚合物微流控芯片的新技术。该技术不仅能极大的提高制备微流控芯片设备的效率，降低成本，而且能突破传统技术的瓶颈，可以得到深度多样化的通道，有利于实现微流控芯片器件的功能多样化。
[0021] 通过本技术得到的微流控芯片设备，可以证明本发明技术制得的芯片设备能够成功应用于溶液的混合(参见附图5,6,7)，电泳(参见附图2)等领域，微阵列可以在生物医学领域得到广泛应用，相比与传统微流控芯片制备技术具有更好的应用前景。[0022] 对高分子聚合物材料进行雕刻时，在一定雕刻长度的始末设置不同的雕刻深度，
[0015]
4
CN 103962192 A
说 明 书
3/5页
实现微通道的深度是在一定的长度内渐变，这是传统技术不能实现的。[0023] 对高分子聚合物材料雕刻完成后，采用钻头，根据需求在合适的位置机械控制打孔，使图案的雕刻和打孔均由机器自动实现（传统方法一般是在微通道制备好之后，需要操作者自己利用台钻打孔），相比传统方法减少了人力。[0024] 对高分子聚合物材料进行雕刻时，用合金钻头，编写点阵列的雕刻代码，进行雕刻，能很容易得到微阵列，相比传统方法更加容易，简便且耗时短。（参见附图10）
一直以来，雕刻机都应用于工艺品的雕刻，很难联想到在科研中的应用，本申请经大胆的偿试和深入的探索，采用CNC雕刻机对高分子材料进行雕刻的方法来实现微流控芯的制备，较现有的方法，极大的降低高分子聚合物微流控芯片的制作成本，并能灵活的调节芯片微通道的设备，简单易用，有利于芯片的大批量生产。与传统技术相比：本发明能很好的控制微通道深度，可实现通道深度的逐渐变化；可以灵巧的制作微阵列，相比传统方法简单，易操作且耗时短；将图案的制作和后续的打孔均由仪器自动完成，排除了人为因操作熟练程度造成的偏差和人力的消耗。附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明方法制作的用于电泳的芯片实物图；
图2是本发明方法制作的芯片用于电泳并成功分离三种氨基酸电泳图；图3是本发明方法制作的用于用于微通道反应的芯片实物图；图4是测试本发明方法制作的用于溶液混合测试的芯片设计图；图5是Y型通道溶液混合示意图，上面为水相中，下面为乙醇相中；图6是在折型通道溶液混合示意图，上面为水相中，下面为乙醇相中；图7是在环型折行通道溶液混合示意图，上面为水相中，下面为乙醇相中；图8是本发明方法制备的深度重复渐变通道芯片设计图；图9是深度不同的微通道形态照片。
[0026] 图10是利用本发明方法制备的微阵列。
[0025]
具体实施方式
[0027] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。[0028] 实施例1：
如图1所示，经典十字构型芯片电泳芯片（上）和增加分离通道的十字构型芯片（下），通道宽度均为100微米、深度为80微米。[0029] 其制备工艺步骤为：
1）利用数控软件进行微流控芯片的通道设计，并得到相应的雕刻路径，编写雕刻用雕刻代码；
2）将雕刻代码导入控制雕刻机的软件中，对要进行制作的高分子聚合物材料进行雕刻；
5
CN 103962192 A
说 明 书
4/5页
3）雕刻结束后，根据不同的要求，对芯片封接，即可得到功能化的微流控芯片。[0030] 所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，雕刻刀的尺寸为100μm，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在CNC雕刻机平台上，选择合适的起始雕刻坐标，设置转速为5000r/min，速度为50mm/min，添加冷却液为乙醇乙二醇的混合液（体积比1:1），循环开始。
如图2所示，我们成功的将雕刻的制作的芯片用于电泳分析中，三种氨基酸，包括
甘氨酸，精氨酸，亮氨酸达到很好的基线分离，并且柱效达到500000塔板/m以上,显示了很好的分离能力。[0032] 实施例2：
如图3所示，微型反应器的芯片，芯片包括两个进样口，一个产物流出口，通道宽度100微米，深度80微米，有效反应距离54cm，而芯片大小仅有1.8cm×7cm。[0033] 制作工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，雕刻刀的尺寸为100μm，选择合适的起始雕刻坐标，设置转速为7000r/min，速度为50mm/min，添加冷却液为乙醇乙二醇的混合液（体积比1:1），循环开始。[0034] 实施例3：
如图4所示，用于表征溶液混合效果的几种类型芯片示意图，以证明雕刻机制作的芯片对于溶液的混合没有障碍，其通道宽度设计为200μm、深度为80μm。[0035] 制作工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，雕刻刀的尺寸为200μm ，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在雕刻机平台上，选择合适的起始雕刻坐标，设置转速为5000r/min，速度为50mm/min，添加冷却液为乙醇乙二醇的混合液（体积比1:1），循环开始。[0036] 实施例4：
图5、6、7是在上述制作的三种芯片中进行溶液混合的实际图片，从图中可以看出，经过溶液的流动，荧光素和罗丹明B逐渐混合均匀，与光刻法制备的芯片效果一致，也符合化工的基本原理。证明雕刻机制作的芯片能成功用于溶液混合过程。[0037] 实施例5：
图8表示的是用于雕刻深度重复渐变的芯片设计示意图，每个重复单元的间隔是0.5毫米，深度从50微米渐变到120微米。[0038] 制作工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，雕刻刀的尺寸为100μm，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在雕刻机平台上，选择合适的起始雕刻坐标，设置转速为7000r/min，速度为50mm/min，添加冷却液为乙醇乙二醇的混合液（体积比1:1），循环开始。
[0031]
如图9所示，图9a我们可以明显看出每个单元之间的界限，而图9b则是用荧光素染色后得到的微通道照片，明显可以看出区带之间的分界，并且每个区带的荧光也由弱到强呈现一个渐变的过程，这再一次佐证了我们得到的芯片是深度重复变化的，图9c，d是此形态微通道的扫描电镜图，能更加清晰的看到深度在一定长度微通道上重复渐变的过程，这充分证明了我们的技术能够方便制作不同深度、构型的通道，与传统的技术相比有明显的优势。
[0040] 实施例6：
[0039]
6
CN 103962192 A
说 明 书
5/5页
图10表示的是利用机械雕刻制备的微阵列的实物图，其直径为800μm，深度为200μm。
[0041] 制作工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：所述步骤2）中，对高分子聚合物材料进行雕刻时，将雕刻刀换成直径为800μm的合金钻头，将要进行制作的高分子聚合物材料固定在雕刻机平台上，选择合适的起始雕刻坐标，设置转速为4000r/min，速度为50mm/min，添加冷却液为乙醇乙二醇的混合液（体积比1:1），循环开始。[0042] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
7
CN 103962192 A
说 明 书 附 图
1/4页
图1
图2
8
CN 103962192 A
说 明 书 附 图
2/4页
图3
图4
图5
9
CN 103962192 A
说 明 书 附 图
3/4页
图6
图7
图8
10
CN 103962192 A
说 明 书 附 图
4/4页
图9
图10
11
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容