專利名稱：一種基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，通過(guò)PH響應(yīng)性分子對(duì)微通道表面進(jìn)行改性，在不同pH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(rùn)性的變化，控制微流體在微通道表面的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體流動(dòng)進(jìn)行控制的智能微泵，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)：
微流控分析芯片作為一種新型的分析平臺(tái)具有微型化、自動(dòng)化、集成化、便捷和快速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如細(xì)胞生物學(xué)、分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、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(jìn)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(diǎn)就要對(duì)微觀尺度下的微流體進(jìn)行操作和控制，而作為操作和控制對(duì)象的流體量又極其微小，導(dǎo)致微流體的流動(dòng)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(dòng)的主要影響因素。近年來(lái)，在微流控分析芯片上如何實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。對(duì)微流控芯片中微流體的驅(qū)動(dòng)可通過(guò)微泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)微流控芯片中微流體的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也存在一些局限性。在微泵研究方面，包括機(jī)械微泵和非機(jī)械微泵。例如，壓力泵(機(jī)械或注射泵)操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低廉，但不易在芯片上實(shí)現(xiàn)小型化。熱氣動(dòng)力微泵制動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)單、條件要求低、適合批量生產(chǎn)，但由于熱延遲，制動(dòng)頻率較低。靜電微泵的特點(diǎn)是制動(dòng)頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但制動(dòng)力較低。電磁微泵具有較大的制動(dòng)力，工作電壓低，但體積上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。電流體動(dòng)力微泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、成本低，但對(duì)液流的介電性質(zhì)要求苛刻。電滲驅(qū)動(dòng)是目前微流控分析芯片中使用最廣的微流體驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，具有流速平穩(wěn)、無(wú)脈沖、可實(shí)現(xiàn)無(wú)閥的液流切換，但要求材料表面能提供電荷，高壓電源不易微型化，以及存在發(fā)熱和氣泡問(wèn)題。目前，對(duì)微流體的驅(qū)動(dòng)和控制的研究則多集中在修飾層分子構(gòu)型物理響應(yīng)，例如凝膠溫度或PH響應(yīng)，但微觀尺度下的原位制備、制備過(guò)程復(fù)雜、條件苛刻等限制了它們的應(yīng)用。因此，通過(guò)控制表面浸潤(rùn)性的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)微流控芯片中的微流體，應(yīng)是微流控芯片上微閥/微泵的研究方向之一。然而，常規(guī)技術(shù)很難在微通道中完成對(duì)微流體的智能驅(qū)動(dòng)，因此，通過(guò)調(diào)控pH的變化來(lái)控制表面浸潤(rùn)性的變化從而驅(qū)動(dòng)微流控芯片中的微流體，發(fā)展一種便捷、快速、高效、低成本的微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)，應(yīng)是微流控芯片上微泵的研究方向之一，目前尚未有實(shí)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pH響應(yīng)微泵及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，通過(guò)pH響應(yīng)性分子對(duì)微通道表面進(jìn)行改性，在不同pH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(rùn)性的變化，控制液流體在微通道表面的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體流動(dòng)進(jìn)行控制的智能微泵，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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的操作步驟(I)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)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(duì)齊、粘合、加壓封合，組成微滴流動(dòng)可控的微流控芯片。(4)在微通道進(jìn)行pH響應(yīng)性分子對(duì)微通道的表面改性。(5)在微流體通道中切換溶液的pH值，微通道表面的浸潤(rùn)性從親水至疏水進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本發(fā)明中，基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、C0C、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pH響應(yīng)微泵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(guò)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pH響應(yīng)微泵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力致粘性薄膜，也可是普通雙面膠薄膜。本發(fā)明中，基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵的微流控芯片的微通道是用pH響應(yīng)性分子進(jìn)行表面修飾的。本發(fā)明中，基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵的微流控芯片的pH響應(yīng)性分子在不同的pH產(chǎn)生親水和疏水的變化。本發(fā)明提出的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)了微流體的智能驅(qū)動(dòng)，極大降低了微流體驅(qū)動(dòng)的成本，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，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. pH響應(yīng)微泵的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。a.溶液入口，b. pH響應(yīng)性分子修飾的微結(jié)構(gòu)，c.微流體，d. pH響應(yīng)性分子在pH調(diào)控下發(fā)生表面浸潤(rùn)性的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)微流體，e.溶液出口。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制微流體流動(dòng)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(lái)水、蒸餾水清洗各層芯片，并用乙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(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對(duì)齊、粘合、加壓封合，制成基于微流控芯片的智能微泵。將樣品溶液加入微流控芯片的進(jìn)樣注入孔，溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入微通道中，在微通道的微泵區(qū)域，表面對(duì)溶液的PH值進(jìn)行響應(yīng)，獲得親水和疏水的切換，最后實(shí)現(xiàn)了微泵對(duì)微流體的智能驅(qū)動(dòng)。實(shí)施例2用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(lái)水、蒸餾水清洗各層芯片，并用乙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(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對(duì)齊、粘合、力口壓封合，制成基于微流控芯片的智能微泵。將樣品溶液加入微流控芯片的進(jìn)樣注入孔，溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入微通道中，在微通道的微泵區(qū)域，表面對(duì)溶液的PH值進(jìn)行響應(yīng)，獲得親水和疏水的切換，最后實(shí)現(xiàn)了微泵對(duì)微流體的智能驅(qū)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法,該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，通過(guò)pH響應(yīng)性分子對(duì)微通道表面進(jìn)行改性，在不同pH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(rùn)性的變化，控制液流體在微通道表面的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體流動(dòng)進(jìn)行控制的智能微泵。
2.按權(quán)利要求1所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，其制作步驟如下 (1)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)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(duì)齊、粘合、加壓封合，組成微滴流動(dòng)可控的微流控芯片。
(4)在微通道進(jìn)行pH響應(yīng)性分子對(duì)微通道的表面改性。
(5)在微流體通道中切換溶液的pH值，微通道表面的浸潤(rùn)性從親水至疏水的轉(zhuǎn)換。
3.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵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(jì)與組裝。
4.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵的微結(jié)構(gòu)和微通道是通過(guò)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(jí)別。
5.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵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pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵可以在一塊芯片上制作多組微結(jié)構(gòu)和微通道，構(gòu)成多組控制單元，可選擇性控制微流體的流動(dòng)方向。
7.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵在微通道表面進(jìn)行了 pH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pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵通過(guò)pH響應(yīng)性分子的自動(dòng)識(shí)別，在微通道表面進(jìn)行親水和疏水的轉(zhuǎn)換。
9.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液的驅(qū)動(dòng)。
10.按權(quán)利要求1或2所述的基于微流控芯片的pH響應(yīng)微泵及其制備方法，其特征在于，這種基于微流控芯片的PH響應(yīng)微泵具有便攜、經(jīng)濟(jì)、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pH響應(yīng)微泵及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，通過(guò)pH響應(yīng)性分子對(duì)微通道表面進(jìn)行改性，在不同pH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(rùn)性的變化，控制微流體在微通道表面的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體流動(dòng)進(jìn)行控制的智能微泵，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(shí)現(xiàn)了微流體的智能驅(qū)動(dòng)，極大降低了微流體驅(qū)動(dòng)成本，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，為微流體的驅(qū)動(dòng)提供了一種全新的微泵技術(shù)。
文檔編號(hào)B01L3/00GK103055969SQ201210586999
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者聶富強(qiáng), 沙俊, 王曉東, 葉嘉明 申請(qǐng)人:蘇州汶顥芯片科技有限公司