專利名稱：一種基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，主微通道設(shè)有親水/疏水門控開關(guān)，通過溫度響應(yīng)性分子對微通道表面進行改性，在外場溫度刺激下，微通道的表面形貌和化學(xué)構(gòu)型的可逆性變化導(dǎo)致表面浸潤性的變化，控制液流體在微通道表面的運動，從而實現(xiàn)對微流體流動的控制的智能微閥，主要應(yīng)用于電泳分離、色譜分離、免疫分析等相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
創(chuàng)新分析測試技術(shù)在人類發(fā)展的歷史上對全世界的科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展起到了極其重要的推動作用。微流控分析芯片作為ー種新型的分析平臺具有微型化、自動化、集成化、便捷和快速等優(yōu)點，已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如細胞生物學(xué)、分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測與保護、司法鑒定和藥物合成篩選。在微流控分析芯片中，微量液體的精確進樣是樣品處理和分析的關(guān)鍵，例如微流控芯片電泳分離、色譜分離、免疫分析中就需要這樣的操作，這是由于微流控分析芯片的特點就要對微觀尺度下的微流體進行操作和控制，而作為操作和控制對象的流體量又極其微小，導(dǎo)致微流體的流動特性與宏觀有很大的不同，在宏觀尺度下可以忽略的現(xiàn)象在微觀尺度下成為流體流動的主要影響因素。近年來，在微流控分析芯片上如何實現(xiàn)對微流體的驅(qū)動和控制，已經(jīng)成為微流控分析芯片技術(shù)中的研究難題和熱點。對微流控芯片中微流體的驅(qū)動和控制可通過兩種方式實現(xiàn)微閥和微泵。近年來，隨著微流控技術(shù)的發(fā)展和成熟，研發(fā)了很多方法和器件，在一定程度上實現(xiàn)了對微流控芯片中微流體的驅(qū)動和控制，同時也存在ー些局限性。在微閥研究方面，根據(jù)是否有動カ驅(qū)動機構(gòu)分為有源和無源閥，有源閥如電磁微閥、靜電微閥、形狀記憶合金微閥、壓電微閥、熱氣動微閥等，這類微閥可以實現(xiàn)閥的開/關(guān)，制動性能好、密閉性高，但缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、難以實現(xiàn)芯片上的集成化。無源閥不需要外部動カ制動，依靠閥兩側(cè)的壓力差來實現(xiàn)開關(guān)，其體積較小，但不能主動進行閥的開/關(guān)或切換。然而，常規(guī)技術(shù)很難在微通道中完成對微流體的智能驅(qū)動和控制，因此，通過控制表面浸潤性的變化來驅(qū)動和控制微流控芯片中的微流體，發(fā)展ー種便捷、快速、高效、低成本的微流體驅(qū)動和控制技術(shù)，應(yīng)是微流控芯片上微閥的研究方向之一，目前尚未有實質(zhì)性的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，主微通道設(shè)有親水/疏水門控開關(guān)，通過溫度響應(yīng)性分子對微通道表面進行改性，在外場溫度刺激下，微通道的表面形貌和化學(xué)構(gòu)型的可逆性變化導(dǎo)致表面浸潤性的變化，控制液流體在微通道表面的運動，從而實現(xiàn)對微流體流動的控制的智能微閥，主要應(yīng)用于電泳分離、色譜分離、免疫分析等相關(guān)領(lǐng)域。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的操作步驟(I)用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計和繪制微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括進樣孔、分離主通道和分離分通道。(3)利用雙層粘性薄膜，將各層微流控芯片對齊、粘合、加壓封合，組成微滴流動可控的微流控芯片。(4)在微通道進行溫度響應(yīng)性分子對微通道的表面改性。(5)開啟電源，在微流體入口和出ロ之間切換溫度，微通道表面的浸潤性從親水至疏水可調(diào)。本發(fā)明中，微流體流動可控的微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、COC,銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃圓片，也可是市售的各類普通CD光盤。本發(fā)明中，基于微流控芯片的智能微閥的微流控芯片和粘性薄膜的微結(jié)構(gòu)和微通道可以通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕制備，也可用軟刻蝕技術(shù)制備。本發(fā)明中，基于微流控芯片的智能微閥的微流控芯片是由兩層芯片組成，各層芯片之間用粘性薄膜貼合，粘性薄膜可以是雙層カ致粘性薄膜，也可是普通雙面膠薄膜。本發(fā)明中，基于微流控芯片的智能微閥的微流控芯片的微通道是用溫度響應(yīng)性分子進行表面修飾的。本發(fā)明中，基于微流控芯片的智能微閥的微流控芯片的溫度響應(yīng)性分子在不同的溫度產(chǎn)生親水和疏水的變化。本發(fā)明中，基于微流控芯片的智能微閥的溫度控制系統(tǒng)采用的是低壓電源，范圍是0-200伏，溫度控制在0-100度。本發(fā)明提出的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，操作簡單、實現(xiàn)了微流體的智能驅(qū)動和控制，極大降低了微流體驅(qū)動和控制的成本，具有便攜、經(jīng)濟、快速、高效的特點，在電泳分離、色譜分離、免疫分析等相關(guān)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。


圖1.微流體流動可控的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。a.溶液入口，b.微流體控制通道(微閥)，c.親水修飾區(qū)域，d.疏水修飾區(qū)域，e.溶液出口。
具體實施方案實施例1用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計和繪制微流體流動可控的微流控芯片的兩層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。利用數(shù)控CNC系統(tǒng)加工制備兩層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸 餾水清洗各層芯片，并用こ醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等污潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對齊、粘合、加壓封合，制成基于微流控芯片的智能微閥。將樣品溶液加入微流控芯片的進樣注入孔，溶液在外置蠕動泵的驅(qū)動下進入微通道中，利用外置溫度控制系統(tǒng)進行溫度調(diào)控，在微通道的微閥區(qū)域，進行親水開/關(guān)和疏水開/關(guān)的切換，最后實現(xiàn)了微閥對微流體流動的智能控制。實施例2用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計和繪制離心式微流控芯片的兩層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。利用數(shù)控CNC系統(tǒng)加工制備兩層圓片狀聚碳酸酯(PC)芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清 洗各層芯片，并用こ醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等污潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對齊、粘合、カロ壓封合，制成基于微流控芯片的智能微閥。將樣品溶液加入微流控芯片的進樣注入孔，溶液在外置蠕動泵的驅(qū)動下進入微通道中，利用外置溫度控制系統(tǒng)進行溫度調(diào)控，在微通道的微閥區(qū)域，進行親水開/關(guān)和疏水開/關(guān)的切換，最后實現(xiàn)了微閥對微流體流動的智能控制。
權(quán)利要求
1.一種基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，主微通道設(shè)有親水/疏水門控開關(guān)，通過溫度響應(yīng)性分子對微通道表面進行改性，在外場溫度刺激下，微通道的表面形貌和化學(xué)構(gòu)型的可逆性變化導(dǎo)致表面浸潤性的變化，控制液流體在微通道表面的運動，從而實現(xiàn)對微流體流動的控制的智能微閥。
2.按權(quán)利要求1所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，其制作步驟如下 (1)用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計和繪制微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。
(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括進樣孔、分離主通道和分離分通道。
(3)利用雙層粘性薄膜，將各層微流控芯片對齊、粘合、加壓封合，組成微滴流動可控的微流控芯片。
(4)在微通道進行溫度響應(yīng)性分子對微通道的表面改性。
(5)開啟電源，在微流體入口和出ロ之間切換溫度，微通道表面的浸潤性從親水至疏水可調(diào)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥的核心功能器件是微流控芯片，此芯片可以批量生產(chǎn)、多次利用、靈活設(shè)計與組裝。
4.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥的微結(jié)構(gòu)和微通道是通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕、軟刻蝕技術(shù)的微加工方法在芯片基材表面制備，尺寸在微米級別。
5.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥是由兩層芯片疊加而成，構(gòu)成三維立體的微結(jié)構(gòu)和微通道網(wǎng)絡(luò)。
6.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥可以在ー塊芯片上制作多組微結(jié)構(gòu)和微通道，構(gòu)成多組控制単元，可選擇性控制微流體的流動方向。
7.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥在微通道表面進行了溫度響應(yīng)性分子的表面修飾。
8.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥通過施加溫度控制，在微通道表面進行親水開/關(guān)和疏水開/關(guān)調(diào)控。
9.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的智能微閥可快速實現(xiàn)對溶液的開/關(guān)。
10.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，其特征在干，這種基于微流控芯片的智能微閥具有便攜、經(jīng)濟、快速、高效，在電泳分離、色譜分離、免疫分析所涉及的眾多相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微流控芯片的智能微閥及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，主微通道設(shè)有親水/疏水門控開關(guān)，通過溫度響應(yīng)性分子對微通道表面進行改性，在外場溫度刺激下，微通道的表面形貌和化學(xué)構(gòu)型的可逆性變化導(dǎo)致表面浸潤性的變化，控制液流體在微通道表面的運動，從而實現(xiàn)對微流體流動的控制的智能微閥，主要應(yīng)用于電泳分離、色譜分離、免疫分析等相關(guān)領(lǐng)域。該微流控芯片實現(xiàn)了微流體的智能驅(qū)動和控制，極大降低了微流體驅(qū)動和控制的成本，具有便攜、經(jīng)濟、快速、高效的特點，為微流體的驅(qū)動和控制提供了一種全新的分析技術(shù)。
文檔編號F16K99/00GK103062497SQ20121058967
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者葉嘉明, 王曉東, 沙俊, 聶富強 申請人:蘇州汶顥芯片科技有限公司