專利名稱：實(shí)現(xiàn)高溫高壓的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片及其制備方法，可高效、安全地實(shí)現(xiàn)各類需要在高溫高壓下進(jìn)行的化學(xué)、生物反應(yīng)。
背景技術(shù)：
微流控芯片是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)等基本操作單位集成或基本集成在一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種迅速 發(fā)展的高新技術(shù)，是多學(xué)科交叉科技前沿領(lǐng)域之一。微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以使珍貴的生物樣品和試劑消耗降低到微升甚至納升級(jí)，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化學(xué)領(lǐng)域可以在一塊小的芯片上使用很少量樣品和試劑，并在很短的時(shí)間同時(shí)完成大量實(shí)驗(yàn)，并且由于排污很少，也是一種環(huán)保的“綠色”技術(shù)。高溫高壓環(huán)境可以增大很多化學(xué)反應(yīng)的速率，改善各類反應(yīng)的進(jìn)行。但由于嚴(yán)格的安全預(yù)防要求，高壓化學(xué)反應(yīng)需要特殊的、復(fù)雜的、昂貴的設(shè)備，因此化學(xué)反應(yīng)單元小型化到微米級(jí)可以提供大量的優(yōu)勢(shì)。在已有文獻(xiàn)中僅有有限的信息記載了高壓化學(xué)反應(yīng)的微流體器件，Roald M. Tiggelaar 等人(Roald M. Tiggelaar, Fernando Benito-Lopez, etaI;Fabrication,mechanical testing and application of high-pressure glassmicroreactor chips, Chemical Engineering Journal 131 (2007) 163-170.)實(shí)現(xiàn)了能夠達(dá)到90bar工作壓強(qiáng)的基于玻璃的微反應(yīng)芯片，但芯片內(nèi)反應(yīng)溫度最高僅為100°C。到目前為止，利用高壓環(huán)境來提高反應(yīng)液體沸點(diǎn)，從而在在高壓、高溫(可達(dá)100°C以上)環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，且工藝成熟、可批量化生產(chǎn)的集成化微流控芯片尚未出現(xiàn)。目前存在的相應(yīng)裝置，由于材料的化學(xué)不兼容性等限制，沒有有效的方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫、高壓環(huán)境，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，制作工藝較為困難，操作不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提供一種連續(xù)流動(dòng)式的、實(shí)現(xiàn)高溫高壓反應(yīng)環(huán)境的微流控芯片及其制備方法，利用流體通道提供的高壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)片上高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行的各類化學(xué)、生物反應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，包括入口、混合區(qū)、加熱區(qū)、增壓區(qū)和出口，各部分之間通過微流體通道依次連接；所述混合區(qū)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的混合；所述加熱區(qū)設(shè)有加熱電阻，提供高溫的反應(yīng)環(huán)境；所述增壓區(qū)為高流阻區(qū)，為所述加熱區(qū)提供高壓環(huán)境；所述加熱區(qū)和所述增壓區(qū)分別設(shè)有測(cè)溫傳感電阻。進(jìn)一步地,所述入口為兩個(gè),分別輸入兩種參與反應(yīng)的液體。
進(jìn)一步地，所述加熱區(qū)與所述增壓區(qū)通過所述混合區(qū)隔開；所述混合區(qū)與所述加熱區(qū)之間，以及所述混合區(qū)與所述增壓區(qū)之間設(shè)有隔熱槽。進(jìn)一步地，在連接加熱區(qū)與增壓區(qū)的通道上設(shè)有測(cè)溫傳感電阻，用于輔助了解微流控芯片的溫度分布。進(jìn)一步地，在所述增壓區(qū)設(shè)有加熱電阻，用于通過改變?cè)鰤簠^(qū)微流體通道內(nèi)液體溫度來改變液體粘度，從而改變?cè)鰤簠^(qū)壓強(qiáng)提升值。進(jìn)一步地，所述加熱電阻和所述測(cè)溫傳感電阻為Pt電阻。一種制備上述連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片的 方法，其步驟包括I)對(duì)娃片進(jìn)行光刻和DRIE (深反應(yīng)離子刻蝕，Deep reactive-ion etching)刻蝕，定義微流體通道圖形；2)通過硅-玻璃陽極鍵合制作混合區(qū)、加熱區(qū)和增壓區(qū)的微流體通道；3)米用 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法淀積SiO2，然后在SiO2上剝離制作測(cè)溫傳感電阻和加熱電阻；4)通過光刻和DRIE刻蝕方法制作入口、出口。進(jìn)一步地，所述連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片的制備方法還包括通過光刻和深反應(yīng)離子刻蝕制作隔熱槽。進(jìn)一步地，在所述入口處粘合有機(jī)玻璃(PMMA)模具。本發(fā)明的微流控芯片利用了流體通道提供的高壓環(huán)境，提供了一個(gè)在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)、生物反應(yīng)的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下a)反應(yīng)物質(zhì)可在微流通道內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)片上高溫(100°C以上)高壓(2atm-15atm)環(huán)境下進(jìn)行的、微量的各類化學(xué)、生物反應(yīng)；b)可以通過MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))工藝制作,制作工藝成熟,適于批量化生產(chǎn)；c)采用Pt電阻加熱，溫度由外加電壓靈活控制；采用Pt電阻傳感，靈敏性較好，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各區(qū)溫度；d)通過刻斷硅面得到的隔熱槽，對(duì)混合區(qū)、加熱區(qū)和增壓區(qū)三個(gè)區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)最大程度的隔熱，各區(qū)域之間溫度影響小。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的微流控芯片的版圖示意圖。圖2為圖I中增壓區(qū)及出口的掃描電子顯微圖像(SEM)。圖3為圖I中微流控芯片入口的掃描電子顯微圖像。圖4為圖I中混合區(qū)與加熱區(qū)之間接口過渡通道的掃描電子顯微圖像。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的微流控芯片的制備過程示意圖。附圖標(biāo)記說明I.入口 ；2.混合區(qū)；3.加熱區(qū)；4.加熱區(qū)加熱電阻；5.加熱區(qū)測(cè)溫傳感電阻；
6.輔助測(cè)溫傳感電阻；7.隔熱槽；8.增壓區(qū)；9.出口 ；10.增壓區(qū)測(cè)溫傳感電阻；11.增壓區(qū)加熱電阻；12.增壓區(qū)連接加熱區(qū)的通道；13.入口過濾結(jié)構(gòu)；14.加熱區(qū)與混合區(qū)過渡通道。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I為本實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)高溫高壓反應(yīng)環(huán)境的微流控芯片的版圖示意圖。如該圖所示，該微流控芯片包括入口 I、混合區(qū)2、加熱區(qū)3、加熱區(qū)加熱電阻4、加熱區(qū)測(cè)溫傳感電阻
5、輔助測(cè)溫傳感電阻6、隔熱槽7、增壓區(qū)8、出口 9、增壓區(qū)測(cè)溫傳感電阻10、增壓區(qū)加熱電阻11.。本微流控芯片的制備采用三塊光刻版，第一塊光刻板定義各區(qū)域微流體通道圖形，第二塊光刻版定義加熱及傳感電阻，第三塊光刻版定義出入口及隔熱槽位置結(jié)構(gòu)。圖I所示版圖為三塊光刻版的重疊結(jié)果。如圖I所示，參與反應(yīng)的液體樣品分別從兩個(gè)入口 I進(jìn)入，依次經(jīng)過混合區(qū)2、加熱反應(yīng)區(qū)3和增壓區(qū)8的微流通道，實(shí)現(xiàn)混合、反應(yīng)以及降溫的過程?；旌蠀^(qū)不采取特殊的混合結(jié)構(gòu)，僅利用溶液中離子的自由擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的充分混合。加熱區(qū)設(shè)有加熱電阻4和測(cè)溫傳感電阻5，可提供高溫(100°C以上)的反應(yīng)環(huán)境，并對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。增壓區(qū) 域?yàn)楦吡髯鑵^(qū)，可以利用高流阻迅速提升壓力，以確保上游加熱區(qū)的壓強(qiáng)近似恒定且高于使工質(zhì)的沸點(diǎn)高于工作溫度所需的壓強(qiáng)，并使壓強(qiáng)保持近似恒定。同時(shí)，因?yàn)樵鰤簠^(qū)硅的溫度比較低(整個(gè)芯片的最低部分)、通道小，所以液體的溫度與硅的溫度一樣，使得增壓區(qū)還具有降溫工質(zhì)的功能，避免溶液在該區(qū)域發(fā)生沸騰而導(dǎo)致通道堵塞。圖2為圖I中微流控芯片的增壓區(qū)及出口的掃描電子顯微圖像(SEM)。其中，9為微流控芯片出口，8為增壓區(qū)的微流通道，12為增壓區(qū)連接加熱區(qū)的通道。圖3為圖I中微流控芯片入口的掃描電子顯微圖像。其中，I為入口，13為入口過濾結(jié)構(gòu)。該過濾結(jié)構(gòu)是為了過濾掉入口溶液中可能存在的雜質(zhì)，防止通道堵塞，制作過程中只是刻蝕較窄的通道，工藝與刻蝕其他通道相同。圖4示意了混合區(qū)和加熱區(qū)之間的接口通道電鏡照片，其中2為混合區(qū)，3為加熱區(qū)，14為混合區(qū)和加熱區(qū)之間的過渡通道。上述實(shí)施例中，加熱電阻4和11采用Pt電阻。加熱電阻4覆蓋整個(gè)加熱區(qū)，對(duì)加熱區(qū)3進(jìn)行均勻加熱。由于溫度會(huì)影響溶液的粘度，且粘度與壓差成正相關(guān)，升高增壓區(qū)的溶液溫度可降低溶液粘度，對(duì)應(yīng)降低增壓區(qū)帶來的增壓值；因此，加熱電阻11對(duì)增壓區(qū)進(jìn)行加熱，可通過調(diào)節(jié)溫度得到不同的壓強(qiáng)。在其它實(shí)施例中，加熱電阻也可以采用Pt電阻之外的其它電阻。上述實(shí)施例中，測(cè)溫傳感電阻5、6和10優(yōu)選采用Pt電阻，其對(duì)溫度敏感性大，適于實(shí)時(shí)檢測(cè)芯片相應(yīng)位置的溫度。加熱區(qū)和增壓區(qū)的測(cè)溫傳感電阻，用于監(jiān)控加熱區(qū)的高溫和增壓區(qū)的低溫，對(duì)增壓區(qū)溫度的檢測(cè)可避免該區(qū)域溫度過高時(shí)(超過IO(TC)導(dǎo)致的芯片堵塞失效；測(cè)溫傳感電阻6設(shè)于連接加熱區(qū)與增壓區(qū)的通道上，用于輔助了解芯片的溫度分布。上述實(shí)施例中，在加熱區(qū)進(jìn)行反應(yīng)所需的高溫值可有外加電壓控制，但溶液沸點(diǎn)由增壓區(qū)通道深度和長(zhǎng)度決定，制作芯片過程中刻蝕不同通道深度、長(zhǎng)度以及實(shí)驗(yàn)過程中改變流量均可完成各類型高溫高壓值芯片的設(shè)計(jì)。上述實(shí)施例中，微流控芯片中入口有兩個(gè)，但在其它實(shí)施例中，也可根據(jù)反應(yīng)的需要設(shè)置成多個(gè)入口。上述實(shí)施例中，芯片中有100°C以上(加熱區(qū))和100°C以下(增壓區(qū))兩個(gè)工作區(qū)域，為了盡量降低出口的溫度，需將增壓區(qū)域與加熱區(qū)域分離在兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，并拉大距離，故將混合區(qū)設(shè)置在兩者之間，如圖I所示，以利于在隔熱性能達(dá)不到目標(biāo)時(shí)在增壓區(qū)施加制冷源。目標(biāo)加熱區(qū)域和增壓區(qū)域之間的混合區(qū)域?qū)囟葲]有特定的要求，在這里同時(shí)起到了隔離的作用。三個(gè)區(qū)域之間通過刻蝕穿通硅面做了最大化的隔斷(即設(shè)置了隔熱槽7)，以期得到較好的隔熱性能。由于隔熱槽的存在，加熱區(qū)通過外加電壓加熱到高溫以后，比如140°C時(shí)，增壓區(qū)(接近出口處)的溫度約為60°C -70°C，反應(yīng)液體不會(huì)沸騰，即出口處不會(huì)發(fā)生堵塞。在其它實(shí)施例中，采用其它的分布形式，比如混合區(qū)、加熱區(qū)和增壓區(qū)分別位于芯片的上部、中部和下部，也是可以的，本發(fā)明不以此為限。圖5為上述實(shí)施例中微流控芯片的制備過程示意圖，其步驟包括I)對(duì)硅片進(jìn)行光刻和DRIE刻蝕，定義微流體通道圖形，如圖5 (a)所示；2)通過硅-玻璃鍵合制作混合區(qū)、加熱區(qū)和增壓區(qū)的微流體通道，如圖5(b)所示。該步驟中，將光刻并DRIE刻蝕之后的硅片與玻璃陽極鍵合，以獲得微流體通道。陽極鍵合是將兩種不同材料的晶圓在高溫下通過施加高電壓牢固地結(jié)合在一起，是一種半 導(dǎo)體加工工藝，同時(shí)用于微機(jī)電系統(tǒng)的加工。將玻璃和Si底板的研磨面重疊，加熱并施加電壓，可實(shí)現(xiàn)共價(jià)鍵的強(qiáng)力鍵合。該步驟中，制作的不同區(qū)域的通道深度可以選擇相同，比如為20i!m?；旌蠀^(qū)通道長(zhǎng)度盡量使混合液體充分混合，本實(shí)施例中為270_。加熱區(qū)長(zhǎng)度由加熱反應(yīng)時(shí)間限制，本實(shí)施例中為432_。增壓區(qū)的通道深度和長(zhǎng)度可以決定在加熱區(qū)進(jìn)行反應(yīng)的溶液沸點(diǎn)，制作增壓區(qū)過程中刻蝕不同通道深度、長(zhǎng)度以及實(shí)驗(yàn)過程中改變流量均可完成各類型高溫高壓值芯片的設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中增壓區(qū)的通道寬5i!m、長(zhǎng)40_，深度有20iim和40 iim兩種，其尺寸可根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員具體需要而改變。3)采用PECVD方法淀積SiO2,然后在SiO2上剝離制作測(cè)溫傳感電阻和加熱電阻Pt，如圖5(c)所示。該步驟利用光刻技術(shù)定義側(cè)電極(加熱傳感電阻)圖形，之后濺射金屬材料，再進(jìn)行剝離操作得到電阻圖形。用于加熱的Pt電阻覆蓋整個(gè)加熱區(qū)，均勻加熱，用于測(cè)溫的Pt電阻線淀積在各個(gè)區(qū)域，實(shí)時(shí)檢測(cè)芯片各處溫度。4)通過光刻和DRIE刻蝕，制作入口、出口和隔熱槽，如圖5(d)所示。DRIE刻蝕硅/玻璃鍵合片的硅面，至硅穿通，得到出入口結(jié)構(gòu)與隔熱槽。入口采用有機(jī)玻璃PMMA模具粘合，選擇704硅橡膠作為封裝粘接劑，可承受IMPa以上高壓。出口處壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓，不需要強(qiáng)膠粘接。最終制成的整個(gè)芯片以玻璃作為支撐結(jié)構(gòu)。上述連線流動(dòng)型微流控芯片提供100°C以上的高溫和2atm以上的高壓。下面以根據(jù)熱消解原理測(cè)量水樣中總磷的實(shí)驗(yàn)為例，說明上述微流控芯片的工作過程I)將微流控芯片平放于試驗(yàn)臺(tái)上，兩個(gè)入口處分別通過注射泵注入一定濃度的水樣和過硫酸鉀溶液；調(diào)整注射泵流速(如8nL/s或5nL/s)可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)不同的壓強(qiáng)值、工作時(shí)間和兩種液體的進(jìn)樣比；2)兩種進(jìn)樣在混合區(qū)通過擴(kuò)散進(jìn)行充分混合，之后進(jìn)入加熱區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，加熱區(qū)通過外加功率(約1-2W)加熱到約140°C以上，水樣在反應(yīng)區(qū)消解之后，流體通道內(nèi)液體經(jīng)過增壓區(qū)降溫，從出口即可收集到反應(yīng)產(chǎn)物，從而進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)等試驗(yàn)；3)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，通過測(cè)溫傳感電阻Pt，實(shí)時(shí)檢測(cè)各處的溫度值，避免芯片發(fā)
生堵塞故障。以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以 權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，包括入口、混合區(qū)、加熱區(qū)、增壓區(qū)和出口，各部分之間通過微流體通道依次連接； 所述混合區(qū)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的混合； 所述加熱區(qū)設(shè)有加熱電阻，提供高溫的反應(yīng)環(huán)境； 所述增壓區(qū)為高流阻區(qū)，為所述加熱區(qū)提供高壓環(huán)境； 所述加熱區(qū)和和所述增壓區(qū)設(shè)有測(cè)溫傳感電阻。
2.如權(quán)利要求I所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，所述入口為兩個(gè)，分別輸入兩種參與反應(yīng)的液體。
3.如權(quán)利要求I或2所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，所述混合區(qū)將所述加 熱區(qū)與所述增壓區(qū)隔開。
4.如權(quán)利要求3所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，所述混合區(qū)與所述加熱區(qū)之間，以及所述混合區(qū)與所述增壓區(qū)之間設(shè)有隔熱槽。
5.如權(quán)利要求I所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，在連接所述加熱區(qū)與所述增壓區(qū)的通道上設(shè)有測(cè)溫傳感電阻，用于輔助了解所述微流控芯片的溫度分布。
6.如權(quán)利要求I所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，在所述增壓區(qū)設(shè)有加熱電阻，用于改變所述增壓區(qū)的壓強(qiáng)提升值。
7.如權(quán)利要求1、5或6所述的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片，其特征在于，所述加熱電阻和所述傳感電阻為Pt電阻。
8.—種連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片的制備方法，其步驟包括 1)對(duì)硅片進(jìn)行光刻和DRIE刻蝕，定義微流體通道圖形； 2)通過硅-玻璃陽極鍵合制作混合區(qū)、加熱區(qū)和增壓區(qū)的微流體通道； 3)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法淀積SiO2,并在SiO2上剝離制作測(cè)溫傳感電阻和加熱電阻； 4)通過光刻和深反應(yīng)離子刻蝕制作入口和出口。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過光刻和深反應(yīng)離子刻蝕制作隔熱槽。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述入口處粘合有機(jī)玻璃模具。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)高溫高壓的連續(xù)流動(dòng)型微流控芯片及其制備方法。該微流控芯片包括入口、混合區(qū)、加熱區(qū)、增壓區(qū)和出口；混合區(qū)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的混合，加熱區(qū)提供高溫的反應(yīng)環(huán)境，增壓區(qū)為加熱區(qū)提供高壓環(huán)境；加熱區(qū)和和增壓區(qū)設(shè)有測(cè)溫傳感電阻。該方法首先通過光刻和DRIE定義微流體通道圖形；然后通過硅-玻璃陽極鍵合制作微流體通道；再采用PECVD淀積SiO2并剝離制作傳感電阻和加熱電阻；最后通過光刻和DRIE制作入口和出口。本發(fā)明可高效、安全地實(shí)現(xiàn)各類需要在高溫高壓下進(jìn)行的化學(xué)、生物反應(yīng)。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102716771SQ20121018693
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者王寶軍, 王瑋, 謝飛 申請(qǐng)人:北京大學(xué)