基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法.pdf

本发明属微流控芯片技术领域，具体为一种基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法。将一定量聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯中或将溶解有光引发剂的甲基丙烯酸甲酯于紫外灯下预聚一段时间，可制得粘性光敏胶液。该胶液涂布在聚合物基膜上后，有胶的一面压覆上一层可剥离保护膜后可得光敏触变胶膜。使用前将该胶膜裁剪成与预加工芯片同样尺寸的小片，撕去保护膜后，通过压辊将有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模表面，经紫外线引发聚合成形可得有微流结构的芯片基片。与钻有溶液连接孔的微流控芯片盖片通过热压封装后，得有机玻璃微流控芯片成品。

1、  一种基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶解于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中或将溶有光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液于紫外线下预聚，制得粘性光敏胶液；
(2)将步骤(1)所得粘性光敏胶液涂布在聚合物基膜上，有胶液的一面覆盖一层保护膜，即得光敏触变胶膜；
(3)使用前将步骤(2)所得光敏触变胶膜裁剪成与预加工芯片同样尺寸的小片，撕去保护膜，通过辊压将有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模表面，经紫外线引发聚合成形，得有微流结构的芯片基片；
(4)将步骤(3)所得芯片基片与钻有溶液连接孔的微流控芯片盖片通过热压封装，即得有机玻璃微流控芯片。

2、  根据权利要求1所述的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述光引发剂为安息香及其醚类或二苯甲酮类化合物。

3、  根据权利要求1所述的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤(1)中将聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶解于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中，其中，聚甲基丙烯酸甲酯和光引发剂的质量百分含量分别为15-30％和0.1％-0.2％。

4、  根据权利要求1所述的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤(1)中溶有光引发剂的甲基丙烯酸甲酯于紫外线下预聚指在室温条件于波长为365nm的紫外线下照射30-120分钟，其中，光引发剂的加入量为甲基丙烯酸甲酯质量的0.1％-0.2％。

5、  根据权利要求1所述的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤(3)中有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模表面，经紫外线引发聚合，采用波长为365nm的紫外线照射10分钟-30分钟引发光敏触变胶层的完全聚合。

基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法
技术领域
本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法。
背景技术
自从1990年Manz等首次提出微型全分析系统以来[1]，微流控芯片就以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析科学界及生命科学界有关专家的广泛关注，在生物医药、环境监测、临床诊断、食品药品分析等领域显示了良好的应用前景，目前制约其广泛应用的瓶颈之一就是其较高的价格和较低的产量。微流控芯片有着十分光明的应用前景和巨大的市场需求，建立其批量低成本加工技术势在必行。近年来，作为微流控芯片基础的芯片材料和批量低成本加工技术研究已受到广泛关注。
微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[2]，玻璃和石英微流控芯片主要采用光刻与化学刻蚀相结合的方法加工，技术和设备要求高，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了发展和重视，可使用模具通过注塑、印模和浇铸等技术进行批量低成本生产[3]。用于加工微流控芯片的聚合物有有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，其中有机玻璃以其良好的机械和光学性能、电绝缘性、易成型、生物相容性好、批量生产成本低和容易化学修饰等优点，在微流控芯片的加工中使用较多。有机玻璃也是一种“绿色”芯片材料，废弃后，在高温下其又可以分解为甲基丙烯酸甲酯单体，可循环利用。
目前有机玻璃微流控芯片的加工技术有热压[4]、注塑[5]和激光烧蚀[6]等，其中热压技术最为常用，即在高于有机玻璃玻璃化温度的条件下，通过施加压力使阳膜的结构复制到有机玻璃片上，使用的硅阳膜或金属阳膜采用微机电加工技术制作。热压对芯片模具的机械强度要求较高，硅模具易碎，通常热压次数不超过50次，不适合有机玻璃微流控芯片的批量热压加工。最近，采用热引发[7]甲基丙烯酸甲酯本体聚合制备有机玻璃芯片已有文献报道，但存在的问题是聚合成形时间长达12小时，无法用于芯片的批量加工。此外，因聚合过程中体积收缩，由于使用刚性模具空腔，芯片内部容易产生气泡，聚合过程中需额外添加单体溶液，操作比较复杂，于是，建立快速简便的有机玻璃微流控芯片批量低成本加工技术具有重要意义。
发明人设想将有机玻璃溶解于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中或将含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液于紫外线下预聚，制得的粘性光敏胶液涂布到聚合物基膜上制得光敏触变胶膜，在此基础上将建立基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片制备方法。该芯片加工技术具有操作简便、设备简单和成本低的优点，使用的光敏触变胶膜可采用现有涂布技术大规模生产，芯片成形工艺容易自动化，在有机玻璃微流控芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。
参考文献
[1]Manz A.，Graber N.，Widmer H.M.Sens.Actuators B 1990，1，244-248.
[2]Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712.
[3]Becker H.，Gartner C.Electrophoresis 2000，2，12-26.
[4]杜晓光，关艳霞，王福仁，方肇伦.高等学校化学学报，2003，24，962-1966.
[5]周小棉，戴忠鹏，罗勇，等.高等学校化学学报，2005，26，52-54.
[6]Roberts M.A.，Rossier J.S.，Bercier P.，Girault H.Anal.Chem.1997，69，2035-2042.
[7]Chen ZF，Gao YH，Su R G，Li CW，Lin JM.Electrophoresis 2003，24，3246-3252.
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，在紫外光引发甲基丙烯酸甲酯本体聚合的基础上，发明了光敏触变胶膜并用于有机玻璃微流控芯片的加工，可缩短芯片制作步骤和降低芯片制作成本，为微流控芯片的批量低成本加工提供新技术。
本发明提出的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片的制备方法，具体步骤为：
(1)将聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶解于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中或将溶有光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液于紫外线下预聚，制得粘性光敏胶液；
(2)将步骤(1)所得粘性光敏胶液涂布在聚合物基膜上，有胶液的一面覆盖一层保护膜，即得光敏触变胶膜；
(3)使用前将步骤(2)所得光敏触变胶膜裁剪成与预加工芯片同样尺寸的小片，撕去保护膜，通过辊压将有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模表面，经紫外线引发聚合成形，得有微流结构的芯片基片；
(4)将步骤(3)所得芯片基片与钻有溶液连接孔的微流控芯片盖片通过热压封装，即得有机玻璃微流控芯片。
本发明中，步骤(1)中所述光引发剂为安息香及其醚类或二苯甲酮类化合物，如安息香、安息香甲醚、安息香二乙醚或二苯甲酮等。
本发明中，步骤(1)中将聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶解于含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中，其中，聚甲基丙烯酸甲酯和光引发剂的质量百分含量分别为15-30％和0.1％-0.2％。
本发明中，步骤(1)中溶有光引发剂的甲基丙烯酸甲酯于紫外线下预聚指在室温条件于波长为365nm的紫外线下照射30-120分钟，其中，光引发剂的加入量为甲基丙烯酸甲酯质量的0.1％-0.2％。
本发明中，步骤(3)中有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模表面，经紫外线引发聚合，采用波长为365nm的紫外线照射10分钟-30分钟引发光敏触变胶层的完全聚合。
本发明提出的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片制备方法，进一步详述如下：
采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，典型的设计如图1所示，由单十字交叉微流通道和溶液连接孔构成，采用高分辨率(如3600dpi)激光照排系统在透明薄膜上打印成掩膜，微通道部分为黑色线条，宽度为20-100微米，其他部分为透明。在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚800nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层正性光刻胶(ShipleyS1813光刻胶，Shipley，Marlborough，MA，美国)，旋涂条件为2000-4000rpm，时间为40-80秒。然后在100-120℃烘烤处理40-80秒以提高光刻胶的附着并除出残留的溶剂(暴光前烘)，然后盖上掩膜(含设计的微流结构)，使用KarlSussMA6/BA6光刻机(KarlSuss，Germany)进行接触式紫外线曝光30-50秒后，浸入20％Microposit351显影剂(Shipley)60-100秒，以洗去暴光部分的光刻胶层，然后于140-160℃烘箱中烘20-40分钟使毛细管通道和溶液连接孔部分未曝光的光刻胶硬化，经0.5-2mol/L氟化氢铵洗去未被光刻胶覆盖的SiO₂层后，用50-70℃的35％-55％KOH水溶液刻蚀裸露的硅片至深度为30-50微米，最后除去光刻胶后即可制成硅片阳模14。
在一定质量的甲基丙烯酸甲酯单体中溶解少量光引发剂(安息香及其醚类和二苯甲酮类化合物，单体质量的0.1-0.2％)，然后加入聚甲基丙烯酸甲酯粒子，充分溶解后得甘油状粘性光敏胶液9，其中聚甲基丙烯酸甲酯粒子的含量为15-30％。粘性光敏胶液9还可通过将溶有光引发剂安息香乙醚(单体质量的0.1-0.3％)的甲基丙烯酸甲酯溶液在室温条件于波长为365nm的紫外线下照射30-120分钟获得。粘性光敏胶液9需在低温避光条件下贮存，在4℃的冰箱中可以保存至少6个月。粘性光敏胶液9可通过丝网漏印涂布和刮片涂布等技术涂到厚度为25-100μm的聚合物基膜8上，如附图2所示，光敏触变胶液层厚度为100-300μm，然后于波长为365nm的紫外线下进一步聚合30-60秒，以提高光敏触变胶层9的内聚力以及与基膜8的结合力。然后将厚度为25-100μm的聚合物或纸质保护膜13通过辊压覆盖到光敏胶层9上得光敏触变胶膜12。光敏触变胶膜12的三维示意图见附图3。
如附图4所示，将光敏触变胶膜12裁剪成与预加工的微流控芯片同样尺寸的小片，撕去保护膜13后，通过辊压将有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模14的表面，然后经波长为365nm的紫外线10照射10-30分钟引发光敏触变胶层的完全聚合，阳模14凸出的微结构可以高保真的被复制为微流控芯片基片15表面凹进去的微流通道。微流控芯片基片15与模具键合的十分牢固，撕去基膜后，可先于75-85℃的水浴中加热10-20秒，然后置于20-25℃的冷水中1-2分钟，基片15与模具14自动分离完成脱模，可得有微流结构的芯片基片15。封装前，基片15和钻有溶液连接孔的微流控芯片盖片17用水和异丙醇冲洗，压缩空气吹干后立即将基片15和盖片17的表面面对面合上，用液压机压头将基片15和盖片17夹在两片玻璃片间，在100-120℃的温度下按芯片面积施加约2-5kg/cm²的压力8-12min，取出冷却到室温，即完成基片15与盖片17的封装，制得的粗片经修边得有机玻璃微流控芯片成品，实物照片见图5。使用本发明加工的有机玻璃微流控芯片中微流通道横断面的扫描电子显微镜照片见附图6。
本发明提出的基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片制备方法，将甲基丙烯酸甲酯本体聚合制备有机玻璃微流控芯片过程分为光敏触变胶膜12的制备和紫外光引发光敏触变胶膜12聚合加工有机玻璃微流控芯片两步，大大简化了操作，加工工艺容易自动化和批量化，且成本低廉，可用于有机玻璃微流控芯片的批量低成本加工。
附图说明
图1为本发明涉及的常用单十字交叉微流控芯片设计图。
图2为本发明中光敏触变胶膜加工示意图。(A)在基膜8表面涂布粘性光敏胶液9；(B)紫外光照射粘性光敏胶液9进一步引发聚合以增加胶层自聚力和附着力；(C)覆保护膜13。
图3为本发明中光敏触变胶膜结构三维示意图。
图4为本发明中基于光敏触变胶膜的有机玻璃微流控芯片加工流程图。(A)撕去光敏触变胶膜的12保护膜13，有胶一面辊压在硅阳模14上；(B)紫外线10引发粘性光敏胶液9完全聚合；(C)撕去基膜8并脱模得有机玻璃微流控芯片基片15；(D)基片15与有机玻璃盖片17键合得成品有机玻璃微流控芯片(端面示意图)。
图5为使用本发明方法制备的有机玻璃微流控芯片实物照片(在本实施例中，在单十字交叉微流控芯片芯片中增加了网格和芯片标识文字)。
图6为使用本发明加工的有机玻璃微流控芯片中微流通道横断面的扫描电子显微镜照片。放大倍数为200。
图中标号：1为样品溶液孔，2为分离微流通道，3为微流控芯片，4、5和6均为缓冲溶液孔，7为进样微流通道，8为聚合物基膜，9为光敏触变胶液层，10为紫外光，11为无保护膜的光敏触变胶膜，12为成品光敏触变胶膜，13为保护膜，14为硅阳模，15为有机玻璃微流控芯片基片，16为微流控芯片中微流通道的出口，17为盖片，18为有机玻璃微流控芯片微流控芯片的横截面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图进一步描述本发明：
实施例1、紫外线引发光敏触变胶膜聚合法加工有机玻璃微流控芯片
(A)微流控芯片的设计
使用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的微流通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3600dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜有药膜的一面上打印成掩膜，掩膜上的微流通道宽度为40μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离毛细管2和进样毛细管7)和溶液孔1、4、5和6(图1)为黑色，剩余部分为透明。微流控芯片(75mm×16mm)的设计见图1，分离微流通道2长66mm，进样微流通道5长5mm，其中毛细管4和5交叉点到最近的三个溶液连接孔的距离均为5mm。
(B)硅阳模的制作
在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚800nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层正性光刻胶(Shipley S1813光刻胶，Shipley，Marlborough，MA，美国)，旋涂条件为3000rpm，时间为60秒。然后在110℃烘烤处理60秒以提高光刻胶的附着并除出残留的溶剂，然后盖上掩膜(含设计的微流结构)，使用Karl Suss MA6/BA6光刻机(Karl Suss，Germany)进行接触式紫外线曝光40秒后，浸入20％Microposit 351显影剂(Shipley)80秒，以洗去暴光部分的光刻胶层，然后于150℃烘箱中烘30分钟使毛细管通道和溶液连接孔部分未曝光的光刻胶硬化，将硅片浸于1mol/L氟化氢铵溶液中5分钟除去未被光刻胶覆盖的Si0₂层。接着用60℃的40％KOH水溶液刻蚀裸露的硅片至深度为40微米(约2小时)，除去光刻胶后即制成硅片阳模14。
(C)光敏触变胶膜的制备
在溶解有少量光引发剂安息香乙醚(单体质量的0.15％)的甲基丙烯酸甲酯溶液中，溶解甲基丙烯酸甲酯质量1/4的有机玻璃粒子，得甘油状粘性光敏胶液9，该溶液需在低温避光条件下贮存，在4℃的冰箱中可以保存至少6个月。粘性光敏胶液9通过丝网漏印涂布技术涂布到厚度为50μm的涤纶基膜8上，如附图2所示，胶层9厚度为200μm，使用的丝网的目数为100目。然后于波长为365nm的紫外线下进一步聚合40秒，以提高光敏触变胶层9的内聚力以及与基膜8的结合力。使用的紫外灯为40W低压汞灯，灯与膜间的建立为15厘米。然后，将厚度为50μm的聚乙烯保护膜13通过辊压覆盖到光敏胶层9上得光敏触变胶膜12。
(D)光敏触变胶膜在有机玻璃微流控芯片加工中的应用
如附图4所示，将光敏触变胶膜12裁剪成与预加工的微流控芯片同样尺寸(75mm×16mm)的小片，撕去保护膜13后，通过辊压将有胶的一面压贴到有凸起微结构的微流控芯片阳模14的表面，然后经波长为365nm的紫外线10照射20分钟引发光敏触变胶层9的完全聚合。阳模14凸出的微结构可以高保真的被复制为微流控芯片基片15表面凹进去的微流通道。微流控芯片基片15与模具键合的十分牢固，撕去基膜后，先将于80℃的水浴中加热15秒，然后置于20℃的冷水中1分钟，由于热胀冷缩基片与模具自动分离完成脱模，可得有微流结构的芯片基片15。然后，基片15和钻有溶液连接孔的微流控芯片盖片17用水冲洗，吹干后立即将基片15和盖片17的表面面对面合上，用液压机压头将基片15和盖片17夹在两片玻璃片间，在110℃的温度下按芯片面积施加约3kg/cm²的压力10min，取出冷却到室温，即完成基片15与盖片17的封装，制得的粗片经修边得有机玻璃微流控芯片成品(见附图5)。采用本发明加工的有机玻璃微流控结构完整，表面无裂纹，内部无气泡。其中芯片内部的微流通道横断面通过附图6扫描电子显微镜图片可见微流通道结构完整无裂缝，微流控芯片基片15和盖片17已完全融合。
实施例2、粘性光敏胶液的紫外光引发预聚法制备及其在有机玻璃微流控芯片加工中的应用
实施例1使用的粘性光敏胶液是将聚甲基丙烯酸甲酯粒子溶解在含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯溶液中制得，本实施例2采用紫外光引发预聚法制备。方法为：将光引发剂安息香乙醚(甲基丙烯酸甲酯质量的0.15％)溶解于甲基丙烯酸甲酯中，在室温条件下，用波长为365nm的紫外线照射该溶液60-80分钟，可得粘性光敏胶液。该可胶液采用与实施例1同样的方法涂布成光敏触变胶膜并用于有机玻璃微流控芯片的加工，制得的芯片质量与实施例2加工的芯片相当。