本發(fā)明涉及一種用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片及其制作方法，該微流控芯片可以進行固相萃取并與質譜聯用、在氣液兩相流中用于產生微小液滴。

背景技術：

固相微萃取是20世紀90年代初由arthur和pawliszy首次提出并發(fā)展起來的用于吸附并濃縮待測物中目標物質的樣品處理方法。spme是一種集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體的無溶劑樣品前處理技術，是在固相萃取技術基礎上發(fā)展起來的，由于其固定相的體積遠小于樣品體積而定義為微萃取。該技術是基于待測分析物在固定相與溶液之間的分配系數的不同而將目標分析物從樣品基質中提取出來。傳統(tǒng)的固相萃取的過程一般包括吸附劑的預處理，樣品吸附，洗滌，洗脫以及洗脫液的蒸發(fā)濃縮。固相微萃取也包含其中一些步驟。

近年來基于微流控芯片平臺的固相微萃取越來越受到關注，與傳統(tǒng)的spe相比，spme平臺操作簡便、測試快、費用低、取樣和富集同步進行、對樣本污染小、不破壞樣品體系原始平衡、易與質譜、色譜和電泳等高效分析技術聯用，實現在線自動化操作，使得樣品處理技術及分析、操作簡單省時。

微流控芯片(microfluidic)，又稱芯片實驗室，最早產生于20世紀70年代，由斯坦福大學的terry等人最先研究，他們用硅片制作了早期微流控芯片的雛形，該芯片在當時主要用于空氣成分的檢測和分析。目前微流控芯片通常以聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等高分子聚合物、玻璃、硅等為材料進行加工。與傳統(tǒng)的化學實驗和生物學實驗相比，微流控芯片具有尺寸微小、比表面積大的特點，通道尺寸在微米級，與細胞尺寸相近，非常適宜用來進行細胞級的研究。而質譜(massspectrometer)作為一種高靈敏度的檢測手段，是對未知微量物質進行定性定量分析的最佳選擇。兩者的聯用將對未知物質分析、食品檢測、生物化學分析等相關儀器的發(fā)展具有非常重要的意義。

質譜分析是測量離子質荷比的一種分析方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同質荷比的帶正電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器，利用電場和磁場使離子發(fā)生偏轉，將它們分別聚焦得到質譜圖，從而確定其質量。質譜儀正是應用這種原理對未知物質進行分析的儀器。電噴霧質譜(electrosprayion-massspectrometer，esi-ms)聯用比較早就應用于物質分析領域，然而在質譜儀具有高靈敏度這一優(yōu)點的同時，其對離子源的要求往往也很高。傳統(tǒng)的噴霧針離子源需要對樣品在其他平臺上進行前處理、樣品消耗量大、分離效率與傳輸效率不高等問題。聯用質譜的微流體電噴霧離子源應運而生，微流體芯片可以集成樣品的前處理、預分離、電噴霧等功能，大大提高了檢測的靈敏度，降低樣品的消耗量。

技術實現要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片及其制作方法，該芯片用來進行固相微萃取，用于前處理試劑，產生微米，甚至納米級別的微小液滴，串聯質譜儀，進行物質成分的檢測。

為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片，包括上下兩層，分別為氣路液路層和氣路層，或者為具有相同氣路液路結構的兩層氣路液路層；所述氣路液路層包含氣路流道和與所述氣路流道相連的氣路儲存池，液路流道和與所述液路流道相連的液路儲存池，所述液路流道形成有用于存儲固相萃取顆粒的瓶頸結構；所述氣路層與所述氣路液路層中的氣路結構相同，包含氣路流道和氣路流道相連的氣路儲存池；所述氣路液路層中,所述氣路流道從所述氣路儲存池開始形成一條流道，在中途分成兩條氣路流道，對稱分布于所述液路流道兩側，并且最終在所述液路流道處相交相通，形成噴嘴；上下兩層合并的所述氣路流道的深度大于所述液路流道的深度，且所述液路流道的出口在橫向和流道深度方向均位于合并的氣路流道的中間位置。

進一步地：

所述液路流道與所述液路儲存池相連接的段具有第一寬度，所述液路流道與所述噴嘴相連接的段具有第二寬度，所述第一寬度大于所述第二寬度，所述第二寬度大于所述瓶頸結構的寬度。

所述液路流道與所述儲液池相連接的段的寬度為235μm，與所述噴嘴相連接的段的寬度為75μm，所述瓶頸結構的寬度為25μm，長度為35μm。

所述三維電聚焦微流體芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即pdms，三維聚焦微流體芯片包括相鍵合的上下兩片pdms，且兩片pdms都包含有流道結構；其中一片pdms結構層包含氣路流道和液路流道，另外一片pdms襯底層包含氣路流道和液路流道，兩片pdms上下合并后各自的氣路流道和液路流道對應上下合并，或者，其中一片pdms結構層包含氣路流道和液路流道，另外一片pdms襯底層包含氣路流道，兩片pdms上下合并后各自的氣路流道對應上下合并。

所述氣路流道與所述液路流道夾角在0-90°之間，優(yōu)選角度在35°和45°之間。

所述噴嘴具有寬度為50μm的收縮噴霧小孔。

由所述氣路流道與所述液路流道所形成的所述噴嘴直接從光刻膠形成的模具中脫模成型。

一種制作所述的三維電聚焦微流體芯片的制作方法，包括以下步驟：

使用氣路液路層掩膜版和氣路層掩膜版進行模具制作；

其中，氣路液路層掩膜版的透光區(qū)域包括對應于氣路流道和氣路儲存池、液路流道和液路儲存池的區(qū)域，用于在對硅基片上的光刻膠曝光過程中定義氣路流道和氣路儲存池、液路流道和液路儲存池；氣路層掩膜版的透光區(qū)域包括對應于氣路流道和氣路儲存池的區(qū)域，用于在對硅基片上的光刻膠曝光過程中定義氣路流道和氣路儲存池；

模具制作過程中，在第一硅基片上甩最底層光刻膠后，通過氣路液路層掩膜版對最底層光刻膠曝光，顯影后形成氣路液路層；再在第一硅基片上甩上層光刻膠后，通過氣路層掩膜版對上層光刻膠曝光，顯影后形成氣路層，以用來加深第一次曝光形成的氣路流道，由此制作出對應于形成pdms結構層的模具；再對第二硅基片重復上述過程，或者，對第二硅基片僅進行針對氣路層掩膜版的甩膠、曝光、顯影過程，由此制作出對應于形成pdms襯底層的模具；

然后，使用相應模具分別成型出pdms結構層和pdms襯底層；

再后，將pdms結構層和pdms襯底層對齊，鍵合形成一塊完整的三維聚焦微流體芯片；

優(yōu)選地，氣路液路層掩膜版和氣路層掩膜版均含有對齊結構，用于曝光時將光刻膠形成的已有結構與在后使用的掩膜版對齊。

進一步地：

氣路液路層掩膜版對應的制作完成一次或者兩次甩膠、曝光、顯影過程，氣路層掩膜版對應的制作過程完成至少三次甩膠、曝光、顯影過程，以使得氣路流道的厚度遠大于液路流道厚度，從而有利于液體從液路中噴出后懸浮于氣體中，而不與流道壁面接觸。

所述光刻膠采用su-8膠。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明實現一種能夠進行固相微萃取，能夠產生微小噴霧液滴的微流控芯片結構，尤其可用氣液兩相流形成氣包液的流體噴霧形式。尤其解決氣液兩相流中，形成氣包液的流體噴霧形式，產生微米、甚至納米級別的微小液滴。解決了與質譜聯用使微流體芯片微流道制作切割上的困難以及離譜聯用微流體芯片流道單一，缺乏氣體輔助霧化的功能。采用本發(fā)明，可最終實現固相萃取-微流控芯片-質譜檢測整個系統(tǒng)的搭建，并實現固相微萃取以及芯片串聯質譜檢測雙重功能。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明實施微流芯片制備方法的流程示意圖；

圖2a至圖2d示出了本發(fā)明涉及的兩塊掩膜版的示意圖，其中圖2a示出氣路液路層掩膜版201，圖2b示出氣路層掩膜版202，圖2c為圖2a中局部203的放大圖，圖2d為圖2a中局部204的放大圖；

圖3示出了圖1中多次甩膠、曝光和顯影的具體過程圖；

圖4a至圖4f示出了兩片pdms成型俯視示意圖，其中，圖4a示出模制得到的pdms結構層401，圖4b示出切割后的pdms結構層402，圖4c示出pdms結構層噴霧口的掃描電鏡圖，圖4d示出模制得到的pdms襯底層404，圖4e示出切割后的pdms襯底層405，圖4f示出pdms襯底結構層噴霧口的掃描電鏡圖；

圖5a示出了鍵合后的整體pdms芯片俯視示意圖；

圖5b為圖5a中的a-a截面圖；

圖6示出了用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片與質譜儀聯用示意圖；

圖7a至圖7d示出了用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片內填入固相萃取顆粒mcx，電噴霧實驗和質譜儀聯用示意圖，其中圖7a示出在液路流道的瓶頸結構中填入固相萃取顆粒mcx；圖7b示出用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片內部噴霧效果；圖7c為在固相微萃取的上樣過程中，芯片與質譜儀聯用檢測信號圖，圖7d為在固相微萃取的洗脫過程中，芯片與質譜儀聯用檢測信號圖。

附圖標記說明：

硅基片(100)，掩膜板(101)，光刻膠(102)，pdms(103)，載玻片(104)，pdms襯底(105)，氣路液路層掩膜板(201)，氣路層掩膜板(202)，瓶頸結構(203)，噴嘴(204)，氣路儲液池(205)，氣路流道(206)，液路儲液池(207)，氣路儲液池(208)，氣路流道(209)，液路流道(210)，收縮噴霧小孔(211)，對齊標記(212)，光刻膠(300、301、302、303)，pdms結構層(401)，切割后pdms結構層(402)，掃描電鏡圖(403)，pdms襯底層(404)，切割后pdms襯底層(405)，掃描電鏡圖(406)，完整用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片(500)，完整用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片a-a截面(501)，質譜儀進樣口(600)，固相萃取粒子(700)。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。

參閱圖2a至圖6，在一種實施例中，一種用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片，包括上下兩層，分別為氣路液路層和氣路層，或者為具有相同氣路液路結構的兩層氣路液路層；所述氣路液路層包含氣路流道206和與所述氣路流道206相連的氣路儲存池205，液路流道210和與所述液路流道210相連的液路儲存池207，所述液路流道210形成有用于存儲固相萃取顆粒的瓶頸結構；所述氣路層與所述氣路液路層中的氣路結構相同，包含氣路流道209和氣路流道209相連的氣路儲存池208；所述氣路液路層中,所述氣路流道206從所述氣路儲存池205開始形成一條流道，在中途分成兩條氣路流道，對稱分布于所述液路流道210兩側，并且最終在所述液路流道210處相交相通，形成噴嘴204；上下兩層合并的所述氣路流道206、209的深度大于所述液路流道210的深度，且所述液路流道210的出口在橫向和流道深度方向均位于合并的氣路流道的中間位置，用來形成三維聚焦電噴霧。

參閱圖2c，在優(yōu)選的實施例中，所述液路流道210與所述液路儲存池207相連接的段具有第一寬度，所述液路流道210與所述噴嘴204相連接的段具有第二寬度，所述第一寬度大于所述第二寬度，所述第二寬度大于所述瓶頸結構的寬度。

在優(yōu)選的實施例中，所述液路流道210與所述儲液池相連接的段的寬度為235μm，與所述噴嘴204相連接的段的寬度為75μm，所述瓶頸結構的寬度為25μm，長度為35μm。

參閱圖4a至圖4f，在優(yōu)選的實施例中，所述三維電聚焦微流體芯片所用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷即pdms，三維聚焦微流體芯片包括相鍵合的上下兩片pdms，分別為pdms結構層401和pdms襯底層404，且兩片pdms都包含有流道結構；其中一片pdms結構層401包含氣路流道206和液路流道210，另外一片pdms襯底層404包含氣路流道和液路流道，兩片pdms上下合并后各自的氣路流道和液路流道對應上下合并，或者，其中一片pdms結構層包含氣路流道206和液路流道210，另外一片pdms襯底層404包含氣路流道209，兩片pdms上下合并后各自的氣路流道206、209對應上下合并。

在優(yōu)選的實施例中，所述氣路流道206與所述液路流道210夾角在0-90°之間，優(yōu)選角度在35°和45°之間。

在優(yōu)選的實施例中，所述噴嘴204具有寬度為50μm的收縮噴霧小孔211。

在優(yōu)選的實施例中，由所述氣路流道206與所述液路流道210所形成的所述噴嘴204直接從光刻膠形成的模具中脫模成型。

參閱圖1至圖3，在另一種實施例中，一種制作所述的三維電聚焦微流體芯片的制作方法，包括以下步驟：

使用氣路液路層掩膜版和氣路層掩膜版進行模具制作；

其中，氣路液路層掩膜版的透光區(qū)域包括對應于氣路流道206和氣路儲存池205、液路流道210和液路儲存池207的區(qū)域，用于在對硅基片上的光刻膠曝光過程中定義氣路流道206和氣路儲存池205、液路流道210和液路儲存池207；氣路層掩膜版的透光區(qū)域包括對應于氣路流道209和氣路儲存池208的區(qū)域，用于在對硅基片上的光刻膠曝光過程中定義氣路流道209和氣路儲存池208；

模具制作過程中，在第一硅基片上甩最底層光刻膠后，通過氣路液路層掩膜版201對最底層光刻膠曝光，顯影后形成氣路液路層；再在第一硅基片上甩上層光刻膠后，通過氣路層掩膜版202對上層光刻膠曝光，顯影后形成氣路層，以用來加深第一次曝光形成的氣路流道206，由此制作出對應于形成pdms結構層的模具；再對第二硅基片重復上述過程，或者，對第二硅基片僅進行針對氣路層掩膜版202的甩膠、曝光、顯影過程，由此制作出對應于形成pdms襯底層的模具；

然后，使用相應模具分別成型出pdms結構層401和pdms襯底層404；

再后，將pdms結構層401和pdms襯底層404對齊，鍵合形成一塊完整的三維聚焦微流體芯片。

在優(yōu)選的實施例中，氣路液路層掩膜版201和氣路層掩膜版202均含有對齊結構，如對齊標記212，用于曝光時將光刻膠形成的已有結構與在后使用的掩膜版對齊。

在優(yōu)選的實施例中，氣路液路層掩膜版201對應的制作完成一次或者兩次甩膠、曝光、顯影過程，氣路層掩膜版202對應的制作過程完成至少三次甩膠、曝光、顯影過程，以使得最終合并的氣路流道206、209的厚度遠大于液路流道210厚度，從而有利于液體從液路中噴出后懸浮于氣體中，而不與流道壁面接觸。

在優(yōu)選的實施例中，所述光刻膠采用su-8膠。

以下結合附圖進一步描述本發(fā)明的具體實施例的特征及其優(yōu)點。

圖2a至圖2d示出實施例涉及的兩塊掩膜版，氣路液路層掩膜版201含有對應氣路儲液池205及氣路流道206、液路儲液池207及液路流道210的區(qū)域，其用于最底層光刻膠的曝光，用來形成氣路液路層；氣路層掩膜版202主要包含對應氣路儲液池208和與氣路儲液池208相連的氣路流道209的區(qū)域，用于上層光刻膠的曝光，用來加深氣路流道。根據氣路液路層掩膜版201的定義，液路儲液池207直徑2.16mm，液路流道210與儲液池相連接段寬235μm，與噴嘴處相連接的寬度75μm，瓶頸結構203寬度25μm，長度35μm，由氣路流道形成的收縮噴霧小孔211寬50μm；根據氣路層掩膜版202的定義，氣路儲液池208直徑2.16mm，氣路流道209與氣路儲液池208連接的地方寬100μm；當兩塊掩膜版按標記結構212對齊定位后，液路流道210出口恰好位于氣路流道209中間位置，氣路流道209對稱分布于液路流道210兩側，保證了芯片核心結構的實現。

根據本發(fā)明實施例的制備方法，光刻膠采用su-8膠，它是一種負性、近紫外線光刻膠，即紫外線照射部分會產生交聯反應，顯影過程會保留下來，形成空間上與芯片溝道恰好互補的結構，它適于制超厚、高深寬比的微結構。

甩膠過程包括三個步驟：烘干、甩膠、前烘。首先將3寸硅片晶圓100放于氧等離子機中，打上等離子；隨后將硅片晶圓100固定在勻膠機的真空吸盤上，用滴管將適量稀薄狀su-8膠滴在晶圓中心，以轉速2500轉/分鐘甩膠30秒；轉至熱板上以65℃烘5分鐘后再以95℃烘10分鐘，完成前烘，空冷至室溫。

曝光過程包括兩個步驟：曝光、后烘。將前烘空冷后的硅片晶圓100放入紫外線光刻機的硅片臺上，將氣路液路層掩膜版201輕輕貼放于光刻膠上，保持硅片晶圓100與氣路液路層掩膜版201大致對中，卡緊后設置曝光時間為18秒，開始曝光；完成后小心將硅片晶圓100轉至熱板上，以65℃烘15分鐘后再以95℃烘10分鐘，完成后烘過程。

顯影過程：將冷卻的硅片晶圓100轉移到盛有顯影液的大培養(yǎng)皿中，保證顯影液能完全浸沒硅片，顯影5分鐘后取出，用乙醇沖洗干凈。

至此，對于氣路液路層掩膜版201的甩膠、曝光、顯影過程完成，其產生的是微流體芯片中的氣路液路層，包括瓶頸結構203。

對于氣路層掩膜版202的甩膠、曝光、顯影過程，大體與上述的過程一致。然而為了得到較厚的光刻膠層，甩膠速度降為1000轉/分鐘；曝光過程中則是將氣路層掩膜版202放置于光刻膠上，利用其上的標記結構212與硅片晶圓100上已經交聯固化的光刻膠標記結構212對準，即可保證產生的氣路流道209對稱分布于液路流道210兩側，液路流道210出口恰好位于氣路流道209相交處，從而保證了氣體從氣路流道205中流出后，恰好被氣路流道209中的氣體包裹懸空噴出。

如圖3所示，氣路液路層掩膜版201對應的制作只完成一次甩膠、曝光、顯影過程，氣路層掩膜版202對應的制作過程完成三次甩膠、曝光、顯影過程。這樣使得氣路流道209的厚度遠大于液路流道210厚度，從而有利于液體從液路流道210流出后懸浮于氣體中，而不與流道壁面接觸。在此硅片晶圓100上成型的pdms結構作為pdms結構層401，pdms結構層噴霧口204掃描電鏡圖403清晰展示了液路流道210和氣路流道209的相對位置和深度關系。

再次取第二片硅片晶圓，此次僅對掩膜板202進行甩膠、曝光、顯影，實驗過程與上述過程大體一致，最終形成第二片僅包含有連續(xù)相層的su-8結構。在此硅片晶圓上成型的pdms結構作為pdms襯底層404，pdms襯底層噴霧口204掃描電鏡圖406清晰展示了連續(xù)相流道209。

根據本發(fā)明實施例的制備方法，分別用不同比例混合好的pdms聚合物制作兩片pdms，成型后的pdms結構如圖4所示。將其放置在顯微鏡下，用刀片沿微流體芯片外輪廓線進行切割，得到切割后pdms結構層402和切割后pdms襯底層405，由于所設計微流體芯片，無需通過切割來形成噴霧尖端，所以很容易完成芯片切割制作。然后將兩片pdms在顯微鏡下對齊，鍵合形成一塊完整的三維聚焦微流體芯片，如圖5a和圖5b所示。

根據本發(fā)明實施例的制備方法，將最終制得的三維聚焦微流體芯片放置在烘箱中，120℃烘烤24小時，或者更長時間。

本實施例中的pdms芯片的整個制作過程如上所述，制備方法也在本實施例進行了體現。本實施例中的用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片主要用來萃取相關目標化合物和產生微小霧化液滴，供質譜儀進行檢測，微芯片與質譜儀聯用示意圖如圖6所示。液體樣品從用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片噴出后，經質譜儀進樣口600進入質譜儀進行樣品分析。圖7a展示了從用于固相微萃取的三維電聚焦微流控芯片瓶頸中填充固相萃取粒子顯微圖，以及圖7b展示噴出的液體樣品外部噴霧效果，固相萃取的上樣過程萃取飽和后質譜圖和固相萃取洗脫開始瞬間質譜圖。

以上內容是結合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。