CN102059161B - 一种微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控芯片及其制备方法，该微流控芯片包括上下芯片单元，芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，两芯片单元相互贴合并将微通道封闭在两芯片之间，所述微流控芯片还包括微阀，微阀主体为形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、三维微米或三维纳米结构；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，特定响应为聚合物的表面化学组成、上述结构及表面性能中的一种或几种的可逆性转变，从而实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作。本发明的微流控芯片中的微阀是原位制备并微型化于微流控芯片上，可实现对微流体的流动的开关渐变控制及开关的快速可逆性转变。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，微流控芯片作为一种新型的分析平台具有微型化、自动化、集成化、便捷和快速等优点，已经在很多领域获得了广泛的应用，例如，细胞生物学、分析化学、环境监测与保护、司法鉴定、药物合成筛选、材料学和组织工程学等领域。在微流控芯片中，微量液体的精确进样是样品处理和分析的关键，例如，微流控芯片电泳分离、色谱分离、免疫分析中就需要这样的操作，这是由于微流控芯片的特点就要对微观尺度下的微流体进行操作和控制，而作为操作和控制对象的流体量又极其微小，导致微流体的流动特性与宏观有很大的不同，在宏观尺度下可以忽略的现象在微观尺度下成为流体流动的主要影响因素，尤其是在微流体流速小到纳升/分钟时，传统的机械阀或机械泵就不能满足实际应用的要求。
对微流控芯片中微流体流动的控制可通过微阀来实现。近年来，随着微流控芯片技术的发展和成熟，研发出了很多方法和器件，在一定程度上实现了对微流控芯片中微流体流动的控制，但同时也存在一定的局限性。根据微阀是否有动力驱动机构分为有源阀和无源阀，有源阀包括电磁微阀、静电微阀、形状记忆合金微阀、压电微阀和热气动微阀等，这类微阀可以实现阀的开和关，制动性能较好、密闭性高，但缺点是结构复杂、体积大、难以实现在微流控芯片上的集成化。而无源阀不需要外部动力制动，依靠阀两侧的压力差来实现阀的开关，且体积较小，但无源阀不能主动进行阀的开、关或切换。目前，也有一些利用无源阀对微流体的驱动和控制的研究，但其技术方案多集中在对构成无源阀材料的修饰层分子构型的物理响应，例如，修饰层是凝胶，凝胶可以在温度或流经无源阀的微流体pH变化下进行响应，但制备过程复杂、条件苛刻等因素限制了它们的应用，而且，现有的研究只是单纯地实现无源微阀的开和关，而不能实现无源微阀的开关渐变控制以及开关的快速可逆性转变。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的实现控制微流控芯片中微流体的无源微阀不能实现开关渐变控制以及开关的快速可逆性转变，从而提供一种可实现微阀开关渐变控制以及开关的快速可逆性转变的微流控芯片。
本发明的再一目的是提供一种制备方法及条件简单的微流控芯片的制备方法。
本发明的微流控芯片包括上芯片单元和下芯片单元，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，上芯片单元与下芯片单元相互贴合并将微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间；其中，所述微流控芯片还包括微阀，所述微阀为形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、阵列式排列的聚合物的三维纳米结构中的一种；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能(如浸润性变化：亲水性-疏水性之间，或亲油性-疏油性)中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作。
所述外场选自光、电、温度、微流体的pH值和微流体的离子强度中的一种或几种。
所述聚合物的表面化学组成的可逆性转变，如是聚合物的氧化态与还原态之间的可逆性转变。
所述的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构的可逆性转变，如是聚合物的三维纳米尺度的结构向三维微米尺度的结构进行变化后再变化回三维纳米尺度的结构的可逆转变，以及三维微米尺度的结构向更大尺度的三维微米尺度的结构进行变化后再回到原三维微米尺度。
所述的聚合物的三维微米结构的可逆性转变，如是聚合物的三维微米尺度的结构向更大尺度的三维微米尺度的结构进行变化后再回到近似于原三维微米尺度。
所述的聚合物的三维纳米结构的可逆性转变，如是聚合物的三维纳米尺度的结构向更大尺度的三维纳米尺度的结构进行变化后再回到近似于原三维纳米尺度。
所述的聚合物的表面性能的可逆性转变，如是聚合物的亲水性与疏水性之间或亲油性与疏油性之间的可逆性转变。
所述的聚合物的亲水性与疏水性之间的可逆性转变是聚合物的超亲水性与超疏水性之间的可逆性转变，所述的聚合物的亲油性与疏油性之间的可逆性转变是聚合物的超亲油性与超疏油性之间的可逆性转变。
所述形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构的体积都是占整个微通道总容积的60-90％。
所述阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构都可为纳米线阵列结构、三角形阵列结构、乳突形阵列结构和齿轮形阵列结构中的一种或几种。
所述储液孔、流体通道和微通道优选形成在下芯片单元的表面，所述微阀形成在该微通道上。
所述聚合物选自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶等中的一种或几种。
本发明的微流控芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)将上芯片单元与下芯片单元相互贴合，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，所述微通道的表面形成有阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构中的一种，所述贴合的方式使微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间；
所述上芯片单元和/或下芯片单元的制备方法包括在上芯片单元和/或下芯片单元的基材表面形成储液孔、流体通道和微通道，使所述储液孔与所述流体通道连通，所述微通道与所述流体通道连通；然后在所述微通道表面形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构中的一种；
(2)向微通道中导入聚合物单体溶液，使聚合物单体在步骤(1)形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的表面相对应的聚合形成阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，由此形成微阀；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能(如浸润性变化：亲水性-疏水性之间，或亲油性-疏油性)中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作。
所述外场选自光、电、温度、微流体的pH值和微流体的离子强度中的一种或几种。
所述聚合物的表面化学组成的可逆性转变、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构的可逆性转变、聚合物的三维微米结构的可逆性转变、聚合物的三维纳米结构的可逆性转变及聚合物的表面性能的可逆性转变等如前所述。
所述储液孔、流体通道和微通道优选形成在下芯片单元的表面，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构形成在该微通道上；所述微阀为相对应的形成在该阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构。
所述在微通道表面形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构，以及所述阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构都可为纳米线阵列结构、三角形阵列结构、乳突形阵列结构和齿轮形阵列结构中的一种或几种。
所述在微通道表面形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的体积都是占整个微通道总容积的50-80％。
所述聚合物单体选目偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶等中的一种或几种。
所述形成储液孔、流体通道和微通道的方法选自数控铣刻、激光蚀刻、光刻-电铸-注塑技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀等中的一种或几种；所述形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的方法为物理方法和/或化学方法。
所述基材选自石英、玻璃、单晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、铜、铝、不锈钢和镍等中的一种或几种。
本发明提供的微流控芯片中的微阀是原位制备并微型化于微流控芯片上的，其实质上是一种无源微阀，其功能的体现，是在外场作用于微阀时，微阀能够对微流控芯片中的微流体的流动状态进行智能调控，同时改进了控制微流体在芯片微通道中的流动状态，尤其是对微升或纳升级别的微流体的流动控制，可以实现微阀的开关渐变控制以及开关的快速可逆性转变；并且微阀可以和微流控芯片上的其它附加的功能单元如进样单元、微流体驱动单元、分析单元和检测单元整合为一体，形成具有多功能集成化的芯片实验室，以广泛适用于可控反应、可控混合、可控进样、药物控释和基于微流控芯片分析的众多领域，对利用微流控芯片分析技术的发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明提供的微流控芯片的截面示意图。
附图标记
1.储液孔 2.流体通道 3.微通道
4.三维微米和三维纳米分级结构、三维微米结构、三维纳米结构
具体实施方式
按照本发明，所述微流控芯片包括上芯片单元和下芯片单元，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，上芯片单元与下芯片单元相互贴合并将微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间，其中，所述微流控芯片还包括微阀，所述微阀为形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、阵列式排列的聚合物的三维纳米结构中的一种；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能(如浸润性变化：亲水性-疏水性之间，或亲油性-疏油性)中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作。
按照本发明，所述阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、或聚合物的三维纳米结构是相对应的形成在如图1所示的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构4上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，其阵列结构既可以为微米级别的结构，也可以为纳米级别的结构；也可既有微米级别的结构又有纳米级别的结构，因此称为微米和纳米分级结构。当在外场作用下产生特定响应的时候，纳米级别的结构有可能变成微米级别的结构，而发生尺寸变大的效应。
例如：该聚合物的表面性能如浸润性可在外场调控下从超亲水性-超疏水性或从超亲油性-超疏油性进行外场响应性可逆转变，因此，当聚合物与水接触时，水在聚合物表面的接触角可从150°到5°进行可逆变化；或者聚合物的体积在外场调控下发生膨胀/收缩的可逆转变，从而有效地调控微流体在微通道中的流动状态，如流动速度和流动方向；或者聚合物的表面化学组成在外场调控下(如电场)在氧化态与还原态之间发生可逆性转变；此外，由于阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构可以增加微通道表面的粗糙度，从而可对聚合物表面性能如浸润性的转变具有放大作用。
本发明提供的微流控芯片的微通道是按照对微流体进行智能调控而制备的，其中的具有阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，是一种微米和/或纳米尺度的有机结合，可在外场调控下，聚合物的三维微米和三维纳米分级结构中的聚合物的三维纳米尺度的结构有可能向三维微米尺度的结构进行变化后再变化回三维纳米尺度的结构的可逆转变，以及三维微米尺度的结构向更大尺度的三维纳米尺度的结构进行变化后再回到原三维微米尺度；而对于聚合物的三维微米结构则有可能向更大尺度的三维微米尺度的结构进行变化后可再回到原三维微米尺度；对于聚合物的三维纳米结构则有可能向更大尺度的三维纳米尺度的结构进行变化后可再回到原三维纳米尺度。上述的可逆转变对微通道中的微流体的流动状态进行有机响应控制，即微通道的粗调和纳米通道的精细“开/关”调控(即在微通道本身的粗调下的同时结合阵列式排列的聚合物的结构通道的精细调节，从而实现对微通道中的微流体的“开/关”调控”)，也包括从“开”到“关”等一系列中间状态的调控。
按照本发明，所述储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道既可以在上芯片单元或下芯片单元表面形成，或者一部分在上芯片或下芯片单元表面形成，另一部分在下芯片或上芯片单元表面形成，也可以同时在上、下芯片的表面形成，优选情况下，所述储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道形成在下芯片单元的表面，且所述微阀形成在该微通道的表面上。
如图1所示，所述下芯片单元表面包括储液孔1、流体通道2和连接流体通道的微通道3，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、阵列式排列的三维纳米结构4形成在微通道3的表面上。
按照本发明，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、阵列式排列的三维纳米结构，可以为纳米线阵列结构、三角形阵列结构、乳突形阵列结构和齿轮形阵列结构等中的一种或几种。如图1所示，其中，阵列式排列的结构a为纳米线阵列结构，结构b为乳突形阵列结构，结构c为齿轮形阵列结构。具体来说，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构中的微米结构指的是其阵列主体(凸起部位的高和宽都是微米)结构的尺寸为微米，其阵列主体结构的表面有纳米结构，和/或其阵列主体结构之间的尺寸为纳米(凹处部位)尺寸；例如乳突形阵列中的乳突为微米(高和宽都是微米)尺寸，乳突的表面有纳米结构(如纳米尺度的小乳突)，乳突之间的尺寸为纳米尺寸；齿轮形阵列中的齿轮为微米(高和宽都是微米)尺寸，齿轮表面有纳米结构，齿轮之间的尺寸为纳米；纳米线形阵列中的纳米线为微米(高和宽都是微米)尺寸，纵向排列的纳米线表面有纳米结构，纳米线之间的尺寸为纳米；因此才称为微米/纳米分级结构的组合。所述阵列式排列的聚合物的三维微米结构中的微米结构指的是其阵列主体(凸起部位的高和宽都是微米)结构的尺寸为微米，其阵列主体结构之间的尺寸为微米或纳米(凹处部位)尺寸；所述阵列式排列的聚合物的三维纳米结构中的纳米结构指的是其阵列主体(凸起部位的高和宽都是纳米)结构的尺寸为纳米，其阵列主体结构之间的尺寸为微米或纳米(凹处部位)尺寸。在一定的外场作用下，乳突、齿轮或者纵向排列的纳米线的表面纳米结构有可能向微米结构进行可逆转变，同时，乳突之间、齿轮之间或者纵向排列的纳米线与纳米线之间的间距也会在纳米级别上发生可逆变化。
按照本发明，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的体积的可选择范围较宽，优选情况下，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的体积都是占整个微通道总容积的50-80％，更优选为60-70％。所述体积的测量方法可以采用常规的方法进行测量，例如液-气置换法。
按照本发明，所述外场可以选自光(即图1中的“L”)、电(即图1中的“E”)、温度(即图1中的“T”)、微流体的pH值、微流体的离子强度中的一种或几种；所述聚合物可以为各种对光、电、热、pH值和离子强度产生响应的聚合物，优选情况下，这些物质可以选自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶中的一种或几种。
例如，所述聚异丙基丙烯酰胺和聚异丙基甲基丙烯酰胺可以对温度/热(例如，20-50℃)产生响应，而发生超亲水-超疏水之间的转变；所述偶氮苯聚合物可以对光产生响应，在紫外光(365nm)及蓝光(436nm)交替照射后，发生超亲水-超疏水之间的转变；所述聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩可以对电场产生响应，而发生超亲水-超疏水之间的转变以及超亲油-超疏油之间的转变，其对应的氧化-还原电压可以分别为：0.6/1.0V，-0.2/1.0V，-0.1/0.7V；所述聚丙烯酸凝胶可以对pH(1-13)值产生响应，而发生超亲水-超疏水之间的转变；所述聚氨酯水凝胶可以对离子浓度(例如在0.01-1mol/L的NaCl下)产生响应，而发生超亲水-超疏水之间的转变。
按照本发明，所述微通道一般作为流体通道的一部分，其两端分别与流体通道连通，所述微通道的长度一般可以为10-20毫米，宽度可以为0.1-0.3毫米，深度可以为0.1-0.3毫米。
按照本发明，所述储液孔用于储存被导入微流控芯片中的微流体，所述储液孔的直径一般可以为1-3毫米。
按照本发明，所述流体通道将储液孔和微通道连通，用于输送微流体，所述流体通道的长度一般可以为5-20毫米，宽度可以为0.3-0.5毫米，深度可以为0.3-0.5毫米。
所述储液孔一般可以为多个，所述流体通道和微通道一般可以为多条，每条流体通道均与至少一个储液孔和至少一条微通道连通，且所述流体通道可以作为微通道的一部分，使其两端分别与微通道连通，也可以一端与微通道连通；多条流体通道和/或微通道可以为并联关系也可以为串联关系，可以根据对微流体的不同控制方法选择适当的连接关系。
按照本发明，所述微流控芯片的尺寸可以为常规的微流控芯片的尺寸，例如，所述微流控芯片的长度通常可以为3-5厘米，宽度通常可以为3-5厘米，厚度通常可以为1-5毫米。
按照本发明，所述微流控芯片的制备方法包括：
(1)将上芯片单元与下芯片单元相互贴合，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，所述微通道的表面形成有阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构，所述贴合的方式使微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间；
所述上芯片单元和/或下芯片单元的制备方法包括在上芯片单元和/或下芯片单元的基材表面形成储液孔、流体通道和微通道，使所述储液孔与所述流体通道连通，所述微通道与所述流体通道连通；然后在所述微通道表面形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构中的一种；
(2)向微通道中导入聚合物单体溶液，使聚合物单体在步骤(1)形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的表面相对应的聚合形成阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，由此形成微阀；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能(如浸润性变化：亲水性-疏水性之间，或亲油性-疏油性)中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作。
按照本发明，在基材表面形成储液孔、流体通道和微通道的方法可以采用常规的各种方法，例如，可以通过数控铣刻、激光蚀刻、LIGA技术(光刻-电铸-注塑技术)、模塑法、热压法、化学腐蚀等方法，也可利用软刻蚀技术等加工方法。
按照本发明，可以在上芯片单元和下芯片单元的表面均形成储液孔、流体通道和微通道，然后将上、下芯片单元贴合；优选情况下，为了简化操作并节省成本，可以使所述储液孔、流体通道只形成在下芯片单元的表面，然后将另一片基材直接作为上芯片单元与该形成有储液孔、流体通道的下芯片单元贴合。
按照本发明，可以采用常规的各种方法在微通道中形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构，例如，可以通过物理方法，如数控铣刻、软刻蚀技术等加工方法，制备三角形阵列、乳突形阵列和齿轮形阵列；也可以通过化学方法，制备纳米线阵列，例如，氧化锌纳米线阵列、氧化钛纳米线阵列、氧化锡纳米线阵列、碳纳米管阵列、金属纳米线阵列、硅纳米线阵列等；所述纳米线阵列的制备方法可以采用本领域常规的方法进行，以氧化锌纳米线的制备为例，可以通过两步溶液法在微通道表面制备氧化锌(ZnO)纳米线阵列：将ZnO溶胶均匀涂于形成有微通道的石英表面，在420℃下退火，形成一层100-200纳米厚的晶种膜，然后将石英浸入硝酸锌六水合物(0.025M)和六亚甲基四胺(0.025M)的水溶液中，在85℃下加热15小时。最后，用去离子水清洗，在85℃下烘干。得到氧化锌纳米线阵列。
按照本发明，将上芯片单元和下芯片单元封合的方法可以采用各种常规的方法，例如，热封合、胶粘剂封合、表面活化辅助封合(包括玻璃室温键合、聚合物交联键合、等离子辅助键合和紫外照射活化键合)以及阳极键合和低温粘合等方法。
按照本发明，向微通道中导入聚合物单体溶液，使聚合物单体在步骤(1)形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的表面相对应的聚合形成阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构；所述聚合的条件视不同聚合物单体溶液而定，且所述形成聚合物的单体溶液的量要满足能够得到阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构的需要，优选形成聚合物的单体溶液的用量要使形成的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构的体积占整个微通道总容积的60-90％，优选为70-80％。
所述单体选自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶中的一种或几种聚合物的单体。
按照本发明，将需要利用外场的作用使所述聚合物具有能够对所述外场产生特定响应时，需要将外场与微流控芯片连接或将外场直接作用于微流控芯片，根据外场的不同，可以采用不同的方法将外场与微流控芯片连接，例如：可以在下芯片上镀上金属线(金、铜)后与外部电场连接；在上下芯片集成电化学聚合的三电极与电化学工作站的电极连接；将芯片放置在热台上使温度(热)外场直接作用于芯片；直接将芯片放置在光源下，使光外场直接作用于芯片。
按照本发明，本发明的方法还包括在芯片单元表面形成储液孔、流体通道和微通道后，在阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构后对微通道进行清洗的步骤，所述清洗的方法为本领域技术人员所公知，例如，可以用去离子水、乙醇、丙酮中的一种或几种进行清洗，除去通道中的杂质。
所述基材可以为各种用于制备微流控芯片的材料，例如，可以选自石英、玻璃、单晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯、铜、铝、不锈钢和镍中的一种或几种。
本发明提供的微流控芯片，根据需要可选择一种或多种外场对微流控芯片进行作用，可实现对微通道中微流体的流动状态的控制，具有智能可控性、制备/操作简单、适用范围广、精确度高、易和其它功能单元在芯片上集成化等特点。
下面将通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本实施例用于说明微流控芯片的制备
如图1所示，通过计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的设计图形，按照设计图，用激光刻蚀法在一片石英片(长度为4厘米，宽度为3厘米，厚度为1毫米)表面刻蚀出所需的芯片储液孔1(直径为1毫米的圆孔)、流体通道2(20×0.3×0.3毫米(长/宽/深度))和微通道3(15×0.2×0.2毫米(长/宽/深度))。用去离子水、乙醇、丙酮、去离子水逐次清洗石英片，并在100℃下烘干。
氧化锌(ZnO)纳米线阵列通过两步溶液法在微通道表面制备：将ZnO溶胶均匀涂于形成有微通道的石英表面，在420℃下退火，形成一层100-200纳米厚的晶种膜，然后将石英浸入硝酸锌六水合物(0.025M)和六亚甲基四胺(0.025M)的水溶液中，在85℃下加热15小时。最后，用去离子水清洗，在85℃下烘干。得到氧化锌的三维纳米线阵列，纳米线平均直径80纳米，高度约为150微米，纳米线与纳米线之间的平均间距为100纳米，三维氧化锌纳米线阵列约占微通道容积的40％。在此基础上，在氧化锌的三维纳米线阵列表面进行镀金，以及一条垂直微通道的电极连接金线。
按照上述方法制备另一片同样大小的石英片，然后将上述两片石英片分别作为上芯片单元与下芯片单元通过热封合方法进行封合，并将储液孔、流体通道和微通道封闭在两片石英片之间(如果，储液孔与流体通道和微通道在不同的上下芯片上，那么储液孔应和流体通道的末端对应；如果制备在一个芯片上(上或下)，另一芯片只是封合作用，那么毫无疑问，储液孔肯定是在流体通道的末端)。
在上述三维氧化锌纳米线阵列(相当于图1中的三维纳米结构4)的表面制备具有相应的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构。将苯胺-乙烯磺酸钠-盐酸(盐酸的浓度为1摩尔/升)溶液(苯胺-乙烯磺酸钠-盐酸为186μL/2mL/7.8mL)通氮气脱泡后，通过注射泵导入微通道中，在-0.2至1.1V，流速为10μL/min下，通过CV法(循环伏安法)进行电化学聚合30分钟，在上述氧化锌纳米线阵列的表面制得一具有相应的阵列式排列的聚苯胺的三维微米和三维纳米分级结构，阵列式排列的聚苯胺的三维微米和三维纳米分级结构占微通道体积的80％。用注射泵将去离子水导入微流控芯片中清洗微通道，得到基于微流控芯片的智能微阀。交替进行波长为365纳米的紫外光照射30分钟和暗处放置2小时，氧化锌(氧化锌外面有聚苯胺，但不是完全覆盖，有空隙)的表面性能将在超疏水和超亲水之间进行可逆转变；同时将下芯片的石英片上的金线与外部电场连接后，在外部电场调控下(-0.2V至1.0V)，聚苯胺既发生表面性能在亲水和疏水之间转变，同时体积也在收缩和膨胀之间转变。因此，由阵列式排列的聚苯胺的三维微米和三维纳米分级结构形成的该微阀可以在光和电场的协同调控下，渐变地通过控制氧化锌和聚苯胺的表面性能以及聚苯胺的体积效应来进行微通道中微流体的流动的智能响应控制。而且，通过恒压泵(恒压泵的工作压力范围为0-10MPa，实施中压力为0＜压力≤10MPa)将去离子水输送至微流控芯片的微通道内的同时并对该微流控芯片施加上述光和电协调作用，在芯片流体出口进行去离子水流量的测量，发现去离子水的流量随光和电场条件的改变而变化，并最终去离子水的流速为0，由此说明上述微流控芯片的智能微阀在光和电场协同作用下确实能够对微流体流动产生智能控制，当智能微阀完全关闭时，微流体的流速为零。
实施例2
本实施例用于说明微流控芯片的制备
如图1所示，通过计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的设计图形，按照设计图，用准分子激光刻蚀机在一片石英(长度为5厘米，宽度为4厘米，厚度为2毫米)表面刻蚀出所需的芯片储液孔(直径为2毫米的圆孔)、流体通道(20×0.2×0.2毫米(长/宽/深))和微通道(15×0.2×0.2毫米(长/宽/深))，用去离子水、乙醇、去离子水、乙醇清洗基材表面，并自然晾干。
通过两步法：软刻蚀和化学腐蚀方法，在微通道内制备乳突状锥形阵列式微米和纳米分级结构，简单步骤如下：利用铬层制备的光掩膜，通过光刻机曝光，将掩膜的图案转移到石英片表面，再进行深度化学腐蚀(15ml氢氟酸/0.1699g硝酸银/35ml水)，最后得到的单个乳突的尺寸为：150μm/50μm(高/中部宽)，乳突之间的间距为10μm，在乳突的表面是100-200纳米的纳米颗粒形成的簇。
将另一片同样大小的石英片作为上芯片，与上述作为下芯片的石英片用双层压力粘性薄膜(8890)进行封合，并将微通道封闭在两片石英片之间。
最后进行N-异丙基丙烯酰胺的聚合，简单步骤如下：将上述制备的下芯片浸入氢氧化钠溶液内(0.1摩尔/升)2分钟，再在含5％(重量百分比)氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中回流6小时。最后在2-溴代异丁酰溴(1.2毫摩尔/升)引发下，进行N-异丙基丙稀酰胺的聚合，在乳突状锥形阵列上制备得到相应形状的聚N-异丙基丙稀酰胺的三维微米/三维纳米分级结构，占微通道体积的70-80％。
用注射泵将去离子水导入微流控芯片中清洗微通道，得到基于微流控芯片的智能微阀，该智能微阀主体为温度响应性聚合物，可在温度的调控下对微流体的流动进行智能响应控制。因此，该微阀可以在温度调控下(20-50℃)，渐变地通过控制聚N-异丙基丙稀酰胺的表面亲水-疏水性能和体积效应来进行微流体的流动的智能响应控制。而且，通过恒压泵(恒压泵的工作压力范围为0-10MPa，实施中压力为0＜压力≤10MPa)将去离子水输送至芯片微通道内，在芯片流体出口进行去离子水流量的测量，发现去离子水的流量随温度的改变而变化，并最终去离子水的流速为0，由此说明上述微流控芯片的智能微阀在温度作用下确实能够对微流体流动产生智能响应控制，当智能微阀完全关闭时，微流体的流速为零。
实施例3
本实施例用于说明微流控芯片的制备
如图1所示，通过计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的设计图形，按照设计图，通过数控CNC微加工系统在一片基材为聚甲基丙烯酸甲酯(长度为4厘米，宽度为4厘米，厚度为3毫米)的表面制备所需的芯片储液孔(直径为3毫米的圆孔)、流体通道(15×0.4×0.4毫米(长/宽/深))和微通道(15×0.2×0.2毫米(长/宽/深))。然后，通过光刻-化学腐蚀-复型技术，在芯片的微通道上制备类似齿轮状的微米/纳米分级结构，半齿轮形状的凸起在通道表面，齿轮主体直径为100微米，相邻齿轮的间距为10微米，齿轮上的小齿宽度/高度为50-100/50-100纳米。在此基础上，在类似齿轮状的表面进行镀金，以及一条垂直微通道的电极连接金线。
将吡咯/十二烷基苯磺酸溶液(0.14摩尔/升/0.015摩尔/升)通氮气脱泡后，通过注射泵导入微通道中，流速为1μL/min，在0.7V恒电压下进行电化学聚合20分钟，在类齿轮状的微米和纳米分级结构表面制备得到一聚吡咯薄层，占微通道体积的70-80％。用注射泵将去离子水导入微流控芯片中清洗微通道，得到基于微流控芯片的智能微阀，该微阀主体为电场响应性聚合物，可以在电场的调控下进行微流体流动的智能响应控制。将下芯片的聚甲基丙烯酸甲酯上的金线与外部电场连接后，在外部电场调控下(0.6/1.0V)，聚吡咯的表面既发生亲水-疏水之间性能的转变，同时体积也在收缩和膨胀之间转变。因此，该微阀可以在电场的调控下，渐变地通过控制聚吡咯的表面性能和体积效应来进行微流体的流动的智能响应控制。而且，通过恒压泵(恒压泵的工作压力范围为0-10MPa，实施中压力为0＜压力≤10MPa)将去离子水输送至芯片微通道内，在芯片流体出口进行去离子水流量的测量，发现去离子水的流量随电场大小的改变而变化，并最终去离子水的流速为0，由此说明上述微流控芯片的智能微阀在电场作用下确实能够对微流体流动产生智能响应，当智能微阀完全关闭时，微流体的流速为零。
对于本发明中所述的微阀为形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米结构和阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，以此实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作的原理同上。
Claims (13)
1.一种微流控芯片，该微流控芯片包括上芯片单元和下芯片单元，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道，上芯片单元与下芯片单元相互贴合并将微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间，其特征在于：所述微流控芯片还包括微阀，所述微阀为形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、阵列式排列的聚合物的三维纳米结构中的一种；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作；
所述外场选自光、电、温度、微流体的pH值和微流体的离子强度中的一种或几种；
所述聚合物的表面化学组成的可逆性转变，是聚合物的氧化态与还原态之间的可逆性转变；
所述的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构的可逆性转变，是聚合物的三维纳米尺度的结构向三维微米尺度的结构进行变化后再变化回三维纳米尺度的结构的可逆转变，以及三维微米尺度的结构向更大尺度的三维微米尺度的结构进行变化后再回到原三维微米尺度；
所述的聚合物的三维微米结构的可逆性转变，是聚合物的三维微米尺度的结构向更大尺度的三维微米尺度的结构进行变化后再回到原三维微米尺度；
所述的聚合物的三维纳米结构的可逆性转变，是聚合物的三维纳米尺度的结构向更大尺度的三维纳米尺度的结构进行变化后再回到原三维纳米尺度；
所述的聚合物的表面性能的可逆性转变，是聚合物的亲水性与疏水性之间或亲油性与疏油性之间的可逆性转变。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述的聚合物的亲水性与疏水性之间的可逆性转变是聚合物的超亲水性与超疏水性之间的可逆性转变，所述的聚合物的亲油性与疏油性之间的可逆性转变是聚合物的超亲油性与超疏油性之间的可逆性转变。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述形成在微通道上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构的体积占整个微通道总容积的60-90％。
4.根据权利要求1或3所述的微流控芯片，其中，所述阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构为纳米线阵列结构、三角形阵列结构、乳突形阵列结构和齿轮形阵列结构中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述储液孔、流体通道和微通道形成在下芯片单元的表面，所述微阀形成在该微通道上。
6.根据权利要求1或3所述的微流控芯片，其中，所述聚合物选自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶中的一种或几种。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将上芯片单元与下芯片单元相互贴合，所述上芯片单元和/或下芯片单元的表面包括储液孔、与储液孔连通的流体通道和与流体通道连通的微通道；所述微通道的表面形成有阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构，所述贴合的方式使微通道封闭在上芯片单元与下芯片单元之间；
所述上芯片单元和/或下芯片单元的制备方法包括在上芯片单元和/或下芯片单元的基材表面形成储液孔、流体通道和微通道，使所述储液孔与所述流体通道连通，所述微通道与所述流体通道连通；然后在所述微通道表面形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构；
(2)向微通道中导入聚合物单体溶液，使聚合物单体在步骤(1)形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的表面相对应的聚合形成阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构，由此形成微阀；所述聚合物具有在外场作用下能够对外场产生特定响应，所述特定响应为聚合物的表面化学组成、聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、聚合物的三维微米结构、聚合物的三维纳米结构以及聚合物的表面性能中的一种或几种的可逆性转变，从而能够实现对微通道中微流体的流动状态的可控操作；
所述外场选自光、电、温度、微流体的pH值和微流体的离子强度中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述储液孔、流体通道和微通道形成在下芯片单元的表面，所述阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构形成在该微通道上；所述微阀为相对应的形成在该阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构上的阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述在微通道表面形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构，以及所述阵列式排列的聚合物的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的聚合物的三维微米结构、或阵列式排列的聚合物的三维纳米结构为纳米线阵列结构、三角形阵列结构、乳突形阵列结构和齿轮形阵列结构中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述在微通道表面形成的阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的体积占整个微通道总容积的50-80％。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述聚合物选自偶氮苯聚合物、聚吡咯、聚苯胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、聚丙烯酸凝胶和聚氨酯水凝胶中的一种或几种。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述形成储液孔、流体通道和微通道的方法选自数控铣刻、激光蚀刻、光刻-电铸-注塑技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀中的一种或几种；所述形成阵列式排列的三维微米和三维纳米分级结构、阵列式排列的三维微米结构、或阵列式排列的三维纳米结构的方法为物理方法和/或化学方法。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基材选自石英、玻璃、单晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、铜、铝、不锈钢和镍中的一种或几种。
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