一種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件及其制作方法，器件由上層流道層芯片與下層電極層芯片組合而成，上下層芯片非直接接觸，層間注入低電導(dǎo)率液滴保證兩者貼合性，其中流道層芯片由流道基片和基底薄膜鍵合而成。制作時(shí)上層流道采用微加工技術(shù)加工，并與底層薄膜鍵合封裝；電極層芯片采用微加工技術(shù)或印制電路板工藝制作。本發(fā)明中的樣品液與電極采用分離式設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)電動(dòng)力學(xué)芯片裸露電極對(duì)生物活性造成的影響；上下層芯片角度相對(duì)位置可調(diào)控，便于調(diào)節(jié)受力方向與分選、陣列效果；通過(guò)在電極上施加特定頻率電信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)生物粒子的有序陣列、圖形化、分離以及捕獲。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于介電泳電動(dòng)效應(yīng)的分離式微流控器件及其制作方法，尤其涉 及一種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件及其制作方法。 一種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件及其制作方法

【背景技術(shù)】
[0002] 在過(guò)去的十多年內(nèi)，面向生物應(yīng)用的微型化器件發(fā)展迅速，克服了傳統(tǒng)醫(yī)療器械 設(shè)備體積大、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、樣品消耗量多等弊端。隨著微加工技術(shù)的進(jìn)步，芯片上的實(shí)驗(yàn)室 成為了可能，大量的新功能器件涌現(xiàn)而出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞、病毒、微粒、微納米粒子以及DNA、 蛋白質(zhì)等大分子的多種操作，例如捕獲、排列、分選、圖形化、表征及提純等，這些微操縱功 能的實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷和臨床應(yīng)用有著非常重要的意義。報(bào)道的芯片功能主要可分為以下四類： 第一類是基于傳統(tǒng)機(jī)械微孔/微槽結(jié)構(gòu)槽技術(shù)的芯片，這一類器件芯片易堵塞、精度低、功 能局限，目前使用較少；第二類是基于流體慣性效應(yīng)的芯片，該類芯片精度低、可控性差，需 要配合其他方法提高效率；第三類時(shí)基于生化載體方法的芯片，目前雖在生化領(lǐng)域使用廣 泛，不過(guò)存在特異性強(qiáng)、操作繁瑣、成本高昂等問(wèn)題。相比而言，第四類利用外加電、聲、磁、 光場(chǎng)強(qiáng)的單場(chǎng)/多場(chǎng)分選技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。以介電泳為例，基于介電泳效應(yīng)的器件具有高 效率、高精度及易集成等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。但是此類芯片電極與流道結(jié)構(gòu)一 體化，一方面制作加工以及鍵合工藝復(fù)雜，加工成本較高，不能夠重復(fù)利用；另一方面電機(jī) 形式的固定使得芯片的功能單一，使用局限；同時(shí)電極與目標(biāo)對(duì)象的接觸會(huì)對(duì)部分生物性 質(zhì)產(chǎn)生影響，造成損傷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)多種不同尺寸微米級(jí)生物粒子的圖形化與分選， 并可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)作用力的可控能動(dòng)調(diào)節(jié)及處理后樣品回收應(yīng)用的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組 裝、分選器件，同時(shí)提供一種該器件的制作方法。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件，由雙層芯片堆疊組合 而成，包括上層的流道層芯片、下層的電極層芯片、設(shè)置在所述上下層之間并將兩者附著貼 合的低電導(dǎo)率液滴層。流道層芯片由基片和底面薄膜鍵合封裝而成，所述基片的材質(zhì)為聚 二甲基硅氧烷、特氟龍、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一種，所述底面薄膜采用厚度小于微 米的有機(jī)聚合物薄膜、天然云母薄膜、玻璃薄膜或石英薄膜。
[0005] 本發(fā)明器件的一種優(yōu)選方案中，流道層芯片的基片中，功能區(qū)域采用直流道形式， 并與電極層芯片中的圖案電極成夾角設(shè)置。
[0006] 本發(fā)明器件的一種優(yōu)選方案中，電極層芯片采用氧化銦錫導(dǎo)電玻璃微加工工藝、 金屬微電極加工工藝或印制電路板工藝制備。
[0007] 本發(fā)明器件中，電極層芯片中的圖案電極上施加的信號(hào)為高頻交流正弦電信號(hào)。
[0008] 本發(fā)明制備上述器件的方法包括以下步驟：
[0009] (1)通過(guò)微加工技術(shù)制作流道層芯片的基片；
[0010] (2)首先旋涂平整的聚二甲基硅氧烷薄膜，然后用基片的底面蘸取所述聚二甲基 硅氧烷薄膜，形成粘附層，并用所述粘附層將基片粘附在底面薄膜上表面，最后加熱鍵合固 化，得到流道層芯片；
[0011] (3)在電極層芯片的上表面滴入低電導(dǎo)率液滴，然后將流道層芯片貼合固定在低 電導(dǎo)率液滴上。
[0012] 本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方案中，步驟（1)中，還在制作出的基片的樣品入口處和 分選出口處打孔。
[0013] 本發(fā)明中，粒子樣品液以及緩沖液通過(guò)外部流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備以特定流速分別由樣本 液入口和緩沖液入口注入，當(dāng)流速較大的情況下可以實(shí)現(xiàn)粒子的分選，具體原理為：在夾流 作用下粒子匯集于功能區(qū)域的中間部分，借助下方電極層芯片產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)，在動(dòng)電 力學(xué)（介電泳）作用力下不同材質(zhì)與尺寸的粒子將發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)流后入不同的樣品 出口。相同材質(zhì)的情況下，尺寸較大的粒子受到的介電泳作用力較大，偏轉(zhuǎn)角度大，流入邊 緣出口，尺寸較小的粒子受到的介電泳作用力較小，偏轉(zhuǎn)角度小，流入位于中間的出口；同 時(shí)，不同材質(zhì)粒子受到的介電泳作用方向不同，其中受到正介電泳作用的粒子向一側(cè)壁面 偏轉(zhuǎn)而受到負(fù)介電泳作用的粒子向流速另一側(cè)壁面偏轉(zhuǎn)。在入口流速較小或是靜止流體 中，粒子可實(shí)現(xiàn)圖案化陣列：與分選原理相似，受到負(fù)介電泳作用的粒子鏈狀排布于電極形 狀正上方，受到正介電泳作用的粒子鏈狀排布于電極間隙正上方。此情況下流道結(jié)構(gòu)只起 蓄積樣品液的作用，實(shí)際應(yīng)用中亦可采用敞口式蓄液池或任意形狀腔道。本發(fā)明中電極層 芯片與流道層芯片采用分離式設(shè)計(jì)，在使用時(shí)需要在兩層間滴附低電導(dǎo)率液滴層保證接觸 貼合性，該設(shè)計(jì)還可實(shí)現(xiàn)流道結(jié)構(gòu)與電極間相對(duì)位置的能動(dòng)調(diào)節(jié)，從而調(diào)控粒子受到的介 電泳力大小或方向。根據(jù)粒子與操縱功能的不同，在底部電極層芯片上施加不同的電信號(hào) 并調(diào)節(jié)分選樣品進(jìn)入流道的流速大小，實(shí)現(xiàn)多種粒子的分選或圖形化組裝。
[0014] 有益效果：本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 傳統(tǒng)介電泳芯片中樣本液進(jìn)入功能區(qū)域后與底部電極層芯片直接接觸，在流體與 電壓的作用下存在接觸損傷，對(duì)粒子的生物活性造成影響，固定的電極形式以及封裝固定 使得芯片應(yīng)用操作單一、功能局限。本發(fā)明中流道層芯片與電極層芯片采用底部薄膜相隔 離，有效地避免了粒子損傷，并可將組裝、分選完畢的樣品用于其他應(yīng)用；由于分離式設(shè)計(jì)， 電極層芯片與流道層芯片的相對(duì)位置、夾角可實(shí)時(shí)調(diào)整，便于對(duì)象的操控分選；電極層芯片 上圖案電極的形式多樣性也使得芯片功能多樣化；同時(shí)分離式設(shè)計(jì)使得電極層芯片得以重 復(fù)利用，大大降低了使用成本，易于集成與微型化；本發(fā)明應(yīng)用廣泛，只要根據(jù)對(duì)象的特異 性使用相應(yīng)尺寸和形狀的電極調(diào)節(jié)相應(yīng)的電信號(hào)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)多種不同粒子的分選與圖 形化組裝。因此，本發(fā)明提出的新型器件可廣泛用于臨床診斷、生物學(xué)研究、生化分析及環(huán) 境監(jiān)控等領(lǐng)域的。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明流道層芯片的俯視圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明電極層芯片的俯視圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明流道層芯片及通孔分布的立體圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明各層芯片組裝后的立體爆炸視圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明微流道粒子分選效果示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明微流道粒子陣列效果示意圖，其中圖6a為指狀電極陣列效果圖，圖 6b為環(huán)形電極陣列效果圖；
[0022] 圖7為電極層芯片的制作流程圖。
[0023] 圖中有：流道層芯片1、低電導(dǎo)率液滴層2、電極層芯片3、樣本液入口 11、緩沖液入 口 12、樣本上出口 13、樣本中出口 14、樣本下出口 15、功能區(qū)域16、底部薄膜17、基片18、電 極基底31、圖案電極32、雙側(cè)電極33、導(dǎo)線焊點(diǎn)34、導(dǎo)線35、第一粒子101、第二粒子102、第 三粒子103、上流道壁面104、下流道壁面105、指狀電極301、第四粒子302、環(huán)狀電極303。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程 作詳細(xì)說(shuō)明，但實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明 權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025] 本實(shí)施例的流道層芯片1的基片18材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS)，也可用特氟 龍、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃等聚合物和硬質(zhì)材料來(lái)制作，流道層基底薄膜17采用云母片， 也可以使用有機(jī)聚合物、玻璃、石英薄膜等材料；電極層芯片使用印有微電極形狀的印制電 路板。使用不同的材料其對(duì)應(yīng)的加工工藝、鍵合技術(shù)及成品器件的光學(xué)、電學(xué)特性也不相 同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工制作條件及應(yīng)用需求選擇合適的芯片材質(zhì)。本實(shí)施例中，PDMS基片18 采用鉻掩模/打印膠片掩模的光刻技術(shù)制作加工，該技術(shù)加工周期短，制作精度高。也可以 采用硅的濕法/深反應(yīng)離子刻蝕、精密機(jī)加工、金屬電鍍及感光電路板的刻蝕加工等技術(shù) 來(lái)制作陽(yáng)模，根據(jù)對(duì)象精度、成本、設(shè)備要求采用相應(yīng)的技術(shù)方法。
[0026] 本實(shí)施例是基于介電泳效應(yīng)的分離式微流控器件，在基片18下方鍵合了天然材 料云母底部薄膜17,在保證承受剛度的前提下，其厚度可以達(dá)到100微米以下。實(shí)現(xiàn)了電極 與流道分離式設(shè)計(jì)，保證了樣品對(duì)象的生物活性和可重復(fù)利用性。在其他實(shí)施例中也可以 采用蓋玻片及有機(jī)材質(zhì)的薄膜。本實(shí)施例所述結(jié)構(gòu)的器件通過(guò)控制流體的流速與電信號(hào)的 幅值及頻率，可用于圖形化組裝或自動(dòng)分選多種不同尺寸的微米粒子。
[0027] 如圖4所示，本實(shí)施例包括流道層芯片1、電極層芯片3以及雙層芯片中間用于貼 合的低電導(dǎo)率液滴層2。其中流道層芯片直流道功能區(qū)域16與圖案電極32成夾角放置，且 兩種之間相對(duì)位置可以靈活變動(dòng)。
[0028] 本實(shí)施例中，流道層芯片1的立體圖如圖3所示，圖1為其俯視圖：電極層芯片3 上設(shè)有樣品液入口 11、緩沖液入口 12、功能區(qū)域16、樣本上出口 13、樣本中出口 14、樣本下 出口 15以及底面云母薄膜17。樣品液入口 11、緩沖液入口 12、樣本上出口 13、樣本中出 口 14、樣本下出口 15六處小孔由打孔器打出，通過(guò)導(dǎo)管與裝載有注射器的精密驅(qū)動(dòng)泵相連 接。本實(shí)施例在流道層芯片1中，基片18與云母底部薄膜17鍵合時(shí)使用紫外/臭氧表面 處理鍵合法，將兩者清洗干凈，通過(guò)紫外照射使得氧氣產(chǎn)生臭氧，利用臭氧對(duì)流道表面進(jìn)行 氧化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合并使得表面親疏水性改變，利于樣品在其中流動(dòng)。在底面不平 整實(shí)施例中針對(duì)不平整表面，采用旋涂PDMS薄層來(lái)輔助鍵合，具體流程如圖7所示：首先 在旋涂云母片上旋涂一層膠態(tài)PDMS(500rad/min預(yù)旋10秒后再以3000rad/min旋涂2分 鐘），接著用PDMS基片蘸取旋涂云母片，待完全貼合后揭下（使得PDMS基片粗糙表面附著 一層非常薄的膠態(tài)PDMS);接下來(lái)將PDMS基片粘附在潔凈的芯片云母片上并置于烤箱中加 150°C熱2小時(shí)得到符合精度以及耐壓等要求的PDMS微流道芯片。其他實(shí)施例中也可采用 氧等離子體處理等手段進(jìn)行表面改性來(lái)實(shí)現(xiàn)兩層的不可逆鍵合，也可以在制作基片時(shí)調(diào)配 不同組份（預(yù)聚體和固化劑）的配比，利用交界面上的分子擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)兩者間的不可逆 自鍵合。
[0029] 如圖2所示，本實(shí)施例中，下層的電極層芯片3由電極基底31、圖案電極32、雙側(cè) 電極33以及其上的導(dǎo)線焊點(diǎn)34。本實(shí)施例中微電極間距與電極寬度都為200微米，電極厚 度為2盎司（約為70微米）。本實(shí)施例中采用此種指狀電極形式產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)粒 子分選與圖形化組裝功能。在其他實(shí)施例中可以采用多樣的電極形式，實(shí)現(xiàn)不同的圖案形 狀或者分選效果。電信號(hào)可以由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)放大器作用放大，通過(guò)信號(hào)對(duì)對(duì)象 的作用效果反饋可實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)的幅值與頻率。
[0030] 在實(shí)現(xiàn)分選功能時(shí)，芯片采用封閉流道，樣本液和緩沖液分別由樣品入口 11、緩沖 液入口 12以特定流速流入功能流道，由于流體間夾流作用，樣本液中的對(duì)象粒子聚焦匯集 于功能區(qū)域16特定位置并經(jīng)過(guò)電動(dòng)力學(xué)作用偏轉(zhuǎn)流入不同的樣本出口 13、14、15 ;在實(shí)現(xiàn) 圖案陣列功能時(shí)，芯片可以采取封閉微流道也可以采用開(kāi)放式的樣本腔室以便于生成的圖 案的后續(xù)利用。
[0031] 芯片各層組裝的立體爆炸視圖如圖4所示，本實(shí)施例中，樣品液以及緩沖液均為 8. 5%蔗糖和0.3%葡萄糖（w/v)的低電導(dǎo)率溶液，其中樣品液中均勻混有三種不同尺寸或 不同介電常數(shù)的粒子。樣品液和緩沖液通過(guò)注射泵等外部流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備以特定流速引入功 能區(qū)域16。
[0032] 如圖5所示，在功能流道起始部分，三種粒子由于入口鞘液夾流的作用聚焦于流 道的功能區(qū)域16 ;如圖5下圖受力分析所示，在功能區(qū)域16,粒子除受到流體拖拽力F1作 用沿著主流動(dòng)方向遷移外，將同時(shí)在流道下方的電極層芯片3產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)作用下， 產(chǎn)生方向垂直于電極的介電泳作用力。而粒子與流體的相對(duì)介電常數(shù)將決定粒子受到介電 泳力的大小與方向。以實(shí)施例中第一粒子101與第三粒子103為例，第一粒子101與第三粒 子103形狀相同，介電常數(shù)不同。第一粒子101受到的介電泳力F2垂直于電極排布方向， F2在垂直于流體流速方向上的分量力堅(jiān)直向上，導(dǎo)致第一粒子101向上流道壁面104偏轉(zhuǎn)， 最終從樣本上出口 13流出并收集；第三粒子103受到的介電泳力F3垂直于電極排布方向 的同時(shí)在垂直于流體流速方向上的分量力堅(jiān)直向下，導(dǎo)致粒子向下流道壁面105偏轉(zhuǎn)，最 終從樣本下出口 15流出并收集；圖5實(shí)施例中第二粒子102由于材料介電常數(shù)與承載液 相近，受到介電泳力作用非常微弱，在夾流作用后仍沿著功能流道中間流入樣本中出口 14 并收集。本實(shí)施例中粒子的偏轉(zhuǎn)主要取決于粒子與承載溶液的介電屬性以及粒子的特征尺 寸，針對(duì)不同的粒子對(duì)象和操作需求選擇配置相對(duì)應(yīng)的承載液。
[0033] 如圖6左圖所示，粒子在流速靜止或者緩慢的情況下會(huì)被電極捕獲并成鏈狀排 布，其作用機(jī)理與分選作用機(jī)理相似。第四粒子302在承載液中受到指狀電極301產(chǎn)生的 電場(chǎng)誘導(dǎo)介電泳力F1的作用，如果受負(fù)介電泳力作用，粒子鏈狀匯集于電極正上方；如果 受正介電泳力作用，粒子鏈狀匯集于電極間隙上方。借助該原理可實(shí)現(xiàn)生物粒子的圖形化 組裝和排布。根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用需求，可設(shè)計(jì)加工不同圖案的電極與流道結(jié)構(gòu)，圖6的右 圖展示了粒子在環(huán)狀電極303作用下環(huán)狀排布的效果圖。
[〇〇34] 本實(shí)施例中提出的分離式圖形化組裝、自動(dòng)分選器件，實(shí)現(xiàn)了生物粒子操縱對(duì)象 與底面電極相分離，避免了傳統(tǒng)的接觸損傷，底層電極的重復(fù)利用與多樣化圖案降低了成 本并增加了芯片的功能，除此之外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于環(huán)境監(jiān)控、 臨床診斷治療、生物學(xué)及生化分析等研究應(yīng)用中。
【權(quán)利要求】
1. 一種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件，其特征在于，該器件由雙層芯片堆疊組 合而成，包括上層的流道層芯片（1)、下層的電極層芯片（3)、設(shè)置在所述上下層之間并將 兩者附著貼合的低電導(dǎo)率液滴層（2)，流道層芯片（1)由基片（18)和底面薄膜（17)鍵合封 裝而成，所述基片（18)的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷、特氟龍、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一 種，所述底面薄膜（17)采用厚度小于200微米的有機(jī)聚合物薄膜、天然云母薄膜、玻璃薄膜 或石英薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件，其特征在于，所述流 道層芯片（1)的基片（18)中，功能區(qū)域（16)采用直流道形式，并與電極層芯片（3)中的圖 案電極（32)成夾角設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件，其特征在于，所 述電極層芯片（3)采用氧化銦錫導(dǎo)電玻璃微加工工藝、金屬微電極加工工藝或印制電路板 工藝制備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件，其特征在于，所 述電極層芯片（3)中的圖案電極（32)上施加的信號(hào)為高頻交流正弦電信號(hào)。
5. -種分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件的制作方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： (1) 通過(guò)微加工技術(shù)制作流道層芯片（1)的基片（18); (2) 首先旋涂平整的聚二甲基硅氧烷薄膜，然后用基片（18)的底面蘸取所述聚二甲基 硅氧烷薄膜，形成粘附層，并用所述粘附層將基片（18)粘附在底面薄膜（17)上表面，最后 加熱鍵合固化，得到流道層芯片（1); (3) 在電極層芯片（3)的上表面滴入低電導(dǎo)率液滴（2)，然后將流道層芯片（1)貼合固 定在低電導(dǎo)率液滴（2)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分離式微米級(jí)粒子自動(dòng)組裝、分選器件的制作方法，其特征 在于，所述步驟（1)中，還在制作出的基片（18)的樣品入口處和分選出口處打孔。
【文檔編號(hào)】B01D57/02GK104096608SQ201410348579
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】易紅, 倪中華, 全運(yùn)臨, 項(xiàng)楠 申請(qǐng)人:東南大學(xué)