CN114604819A - 一种基于空气模法的促混合微流体通道制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气模法的促混合微流体通道制备方法，涉及微流体器件领域，在凸起结构上开设若干微孔结构；辅助平板上涂覆可热固化或光固化的液态聚合物薄膜并在辅助平板上放置间隙块；模板上带有凸起结构的一侧与辅助平板上的液态聚合物接触，且模板由间隙块支撑；将模板与辅助平板保持该配合状态送入真空干燥箱；调节真空干燥箱压强并加热固化液态聚合物，固化后的聚合物为球冠状促混合微流体主体；将球冠状促混合微流体主体键合到玻片或者聚合物表面上，从而得到球冠状促混合微流体通道。采用成形聚合物与模板倒置的形式可有效减少成形聚合物填充微孔，在一个成形过程中利用复制模塑法和气体模法来成形微流体通道和促混合球冠状腔体。
Description
技术领域
本发明涉及微流体器件领域，尤其涉及到一种基于空气模法的促混合微流体通道制备方法。
背景技术
微流控芯片是指在不同材料如玻璃、硅或聚二甲基硅氧烷等材料上通过刻蚀或模压形成一系列微通道。在过去的十年中，微流控芯片受到了广泛的关注，尤其是在生物技术领域。利用微流控芯片对细胞和微生物等生物颗粒进行分选已成为生物技术微流体最基本的研究课题之一。
在现有的微流体芯片中，微腔结构主要是使用传统光刻技术实现，且形成的图案主要以矩形或圆形空腔为主。Ngan Nguyen等人(Adv.Funct.Mater.2019,29,1901998)提出一种在通道的理想位置上滴加镓基合金液滴作为模板来形成直径为几百微米的球冠状结构的方法，发现这种结构具有促进微流体混合的功能。但该方法具有一定局限性，滴加液滴时需要逐滴滴加，效率较低，液滴滴加的量和位置精度要求较高；使用镓基合金液滴易氧化；形成的球冠状结构的开口不易调控，只能是圆形形状且开口直径与球冠状结构相关。中国专利200910024713.0公开的气体模成形方法是通过调节封闭气体膨胀来实现聚合物微结构的方法，气体模法具有高效、批量化、可控等优势。气体模成形方法的模板需要通过反应离子刻蚀工艺制备且模板微结构形状的可调范围较窄(Biomed Microdevices 2014,16:55–67)。
总之，已有的制备微流体通道上促混合球冠状腔体的镓基合金液滴成形方法难以适应批量化生产的需求且工艺复杂可控性较差。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，在简易条件下可以实现聚合物材料的球冠状促混合微流体通道的高效、低成本可控制备。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，包括如下步骤：
模板上带有凸起结构，且在凸起结构上开设若干微孔结构；
在辅助平板上涂覆可热固化或光固化的液态聚合物薄膜并在辅助平板上放置间隙块；
模板上带有凸起结构的一侧与辅助平板上的液态聚合物接触，且模板由间隙块支撑；
将模板与辅助平板保持该配合状态送入真空干燥箱；
调节真空干燥箱压强并加热或光照固化液态聚合物，固化后的聚合物为球冠状促混合微流体主体；
将球冠状促混合微流体主体键合到玻片或者聚合物表面上，从而得到球冠状促混合微流体通道。
上述方案中，所述凸起结构的高度为5μm～200μm，微孔结构中微孔孔深大于微孔直径，且微孔直径小于凸起结构的宽度，其中，微孔结构为盲孔。
上述方案中，所述液态聚合物薄膜的厚度为50μm～1500μm。
上述方案中，所述间隙块设置在辅助平板的四角位置，放置间隙块的位置上未涂覆液态聚合物薄膜；所述间隙块高度小于液态聚合物薄膜的厚度。
上述方案中，真空干燥箱压强P：
其中，h-微孔孔深；r-微孔开口半径；R-球冠状促混合腔体曲率半径；P0-大气压强；当微孔形状开口处为异形结构时，r-微孔当量开口半径，
S-微孔开口面积。
上述方案中，首先通过等离子体处理待键合的球冠状促混合微流体通道主体和玻片或者聚合物表面，而后将处理后的球冠状促混合微流体通道主体表面和玻片或者聚合物表面直接接触，并在80℃下热烘15～30分钟。
上述方案中，用玻片或者聚合物表面封住球冠状促混合微流体通道主体向外开口的除了微流体通道的纵向两端外的所有区域。
上述方案中，所述冠状促混合微流体主体包括球冠状促混合腔与微流体通道；冠状促混合腔与微流体通道的相贯线形状可以为三角形、长方形、椭圆形或者十字交叉形。
上述方案中，微孔结构为椭圆形、圆形、方形、十字交叉形或者三角形。
上述方案中，液态聚合物材料为可热固化或光固化的聚合物材料，优选聚二甲聚硅氧烷。
本发明具有如下技术优势：
1.本发明成形方法通过在同一模板上同时加工出用以成形微流体通道的模板凸起结构和用以成形促混合球冠状腔体的微孔，在此基础上，采用成形聚合物与模板倒置的形式可有效减少成形聚合物填充微孔，从而可在一个成形过程中同时利用复制模塑法和气体模法来分别成形微流体通道及促混合球冠状腔体。
2.本发明通过空气模法实现球冠状促混合微流体通道的制备，所制备的球冠状结构受真空压强控制，实现了球冠状促混合微流体通道的高效低成本可控制备。
3.通过空气模法实现球冠状促混合微流体通道的制备，可通过调节模板上凸起结构上的微孔开头形状来调控球冠状促混合腔的开口形状特征。
4.通过空气模法实现球冠状促混合微流体通道的制备，可通过调节模板位向来调节球冠状促混合腔与微流体通道之间的位向关系。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的基于空气模法的球冠状促混合微流体通道制备方法实现流程示意图；
图2为模板结构示意图；
图3为产品结构示意图；
图4为棱形开口模板结构示意图；
图5为棱形开口产品结构示意图；
图6为模板表面与水平面不平行时的辅助平板-成形聚合物-间隙块-模板系统放置示意图；
图7为球冠状促混合微流体主体在附图3中垂直于凹槽的横截面结构示意图；
图8为球冠状促混合微流体主体在附图3中沿凹槽中心线的剖面结构示意图；
图9为方形开口球冠状促混合腔的形貌结构示意图；
图10为椭圆形形开口球冠状促混合腔的形貌结构示意图。
附图标记：
1-辅助平板，2-液态聚合物薄膜，3-间隙块，4-模板板材，5-模板，6-凸起结构，7-微孔，8-微气泡，9-球冠状促混合微流体主体，10-微流体通道，11-球冠状促混合腔，12-键合底板，13-圆孔凸起结构模板，14-第一长条状凸起结构，15-圆形微孔，16-圆孔凸起结构模板对应产品，17-圆孔凸起结构模板对应产品凹槽，18-圆形开口的球冠状促混合腔，19-棱形开口模板，20-第二长条状凸起结构，21-棱形开口孔，22-棱形开口模板对应产品，23-棱形开口模板对应产品凹槽，24-棱形开口的球冠状促混合腔，25-成形聚合物容器，26-球冠状促混合微流体主体壁。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明的目的是提供一种基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，实现简易条件下的聚合物材料的球冠状促混合微流体通道的高效低成本可控制备。
一种基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，按照下述步骤进行：
(1)制备出表面具有微孔结构的长条状凸起结构的模板；
(2)再在一辅助平板上均匀地铺展一层可热固化或光固化的待成形的液态聚合物薄膜；
(3)在辅助平板上放置间隙块；
(4)将具有微孔结构的长条形凸起结构的模板放置于铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板上，使模板表面空白处与辅助平板上的间隙块接触，保持该状态送入真空干燥箱；
(5)根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料；
(6)分离模板和固化后的聚合物从而实现球冠状促混合微流体主体制备；
(7)将球冠状促混合微流体通道主体键合到玻片或聚合物表面上，得到球冠状促混合微流体通道。
上述方法步骤(1)中，需要首先制备出具有微孔结构的长条状凸起结构的模板，可通过传统的微加工方法如激光直写加工方法和机械加工方法制备，所制备的凸起高度在5μm～200μm之间，在凸起结构上制备的微孔孔深大于微孔直径，微孔直径小于凸起结构宽度。
上述方法步骤(3)中，在辅助平板1上放置间隙块3，准备厚度比液态聚合物薄膜厚度小300μm～1500μm的间隙块3四块，间隙块3长宽范围在1×1mm到5×5mm之间，将四块间隙块3放置于辅助平板1上且四块间隙块3分散放置，间隙块3之间形成矩形，保证间隙块3的分布范围小于的模板范围但大于模板5上凸起结构6的分布范围。
上述方法步骤(4)中，将具有微孔结构的长条形凸起结构的模板放置于铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板1上，使模板表面空白处与辅助平板上的间隙块3接触，使液态聚合物2与具有微孔结构的长条状凸起结构表面接触，实现长条状凸起结构表面上微孔结构的气体的液封，保持该状态送入真空干燥箱。
结合附图1所示，基于空气模法的球冠状促混合微流体通道制备方法，包括如下步骤：
首先是通过传统的微加工方法如激光直写加工方法和机械加工方法将模板板材4加工成模板5，模板5上具开设有长条状的凸起结构6，且在凸起结构6上开设有若干微孔7；
再准备一辅助平板1并在辅助平板1上均匀地铺展一层液态聚合物2，通过匀胶机或利用重力使液态聚合物薄膜铺展到所需的厚度如50～1500μm；液态聚合物薄膜铺展面积能够完全覆盖具有微孔结构的长条状凸结构表面。
再在辅助平板1上放置间隙块3用于控制最终成形产品的厚度；在放置间隙块3时，需要控制好多个间隙块3之间的间距，保证已加工的模板5能够稳定放置在间隙块3上，又能够保证间隙块3不与模板5上的凸起结构6产生空间干涉；
将模板5安装到间隙块3上，使模板5上的凸起结构6与液态聚合物2密切接触，此时微孔7内部残留气体被液态聚合物2液封住。将配合好的模板5和辅助平板1送进真空干燥箱，根据微孔7孔深度h、微孔开口半径r和设计的球冠状促混合腔11的曲率半径R，计算出真空干燥箱的压强：
其中，P0-大气压强，对真空干燥箱抽真空至计算的压强值P，抽真空后在成形聚合物内与微孔对应的位置将产生微气泡8；
根据成形聚合物的使用说明采用相应的工艺对液态聚合物进行固化，采用优选方案的聚二甲聚硅氧烷(PDMS)时将真空干燥箱升温至60℃保温2小时使成形聚合物薄膜固化，待固化过程结束后自然冷却；
将固化后的聚合物从模板5和辅助平板1上脱离下来，即获得球冠状促混合微流体主体9，凸起结构6将复制出微流体通道10，微气泡8固化下来变为球冠状促混合腔11；
通过等离子体处理球冠状促混合微流体主体9和键合底板12，其中，键合底板12为玻片或聚合物表面，而后将处理后的球冠状促混合微流体主体9和键合底板12两表面直接接触，在80℃下热烘15到30分钟就足以获得牢固的粘结强度，使键合底板12封住球冠状促混合微流体通道主体9向外开口的除了微流体通道的纵向两端外的所有区域，即可获得球冠状促混合微流体通道。
将球冠状促混合腔11与微流体通道10的相贯线的形状调节为三角形、长方形、椭圆形、十字交叉形等异型形状，可通过调节凸起结构6上的微孔7的开口形状来实现，参见附图2～5。
具体的，当模板为圆孔凸起结构模板13时，圆孔凸起结构模板13上的第一长条形凸起结构14上的圆形微孔15为圆孔时，获得的圆孔凸起结构模板对应产品16上为圆孔凸起结构模板对应产品凹槽17和圆形开口的球冠状促混合腔18；
当模板为棱形开口模板19时，即棱形开口模板18上具有第二长条状凸起结构20和棱形开口孔21，所成形的产品为棱形开口模板对应产品22，其上具有棱形开口模板对应产品凹槽23和棱形开口的球冠状促混合腔24。其他异型形状的连通孔调节方法与以上描述相似。
当模板5上的凸起结构6上的微孔7开口形状为异型形状时，真空干燥箱的压强的计算方法为：首先将微孔当量开口半径r取值为
其中S为开口面积；再根据公式
计算出真空干燥箱的压强，其中P0-大气压强，h-微孔深度，R-设计的球冠状促混合腔体曲率半径。
调节球冠状促混合腔11与微流体通道10之间位向关系可通过在聚合物固化前调整模板板材4与水平面的夹角来实现，参见附图6。为防止成形聚合物流动对成形过程带来影响，将辅助平板1-液态聚合物2-间隙块3-模板5系统放置于一盛放有成形聚合物的容器25中。球冠状促混合腔11与微流体通道10之间的倾斜位向关系可通过在聚合物固化前调整模板表面与水平面的夹角来实现，夹角为0°时(模板表面为水平面)球冠状促混合腔与微流体通道为垂直位向，夹角偏离0°时为倾斜位向。
实施例
液态聚合物4选用聚二甲聚硅氧烷PDMS，辅助平板1选用光滑Si表面，间隙块3选用硅片碎片。
首先对1060铝板基材表面进行抛光处理，并以此作为模板板材4，然后选用采用激光直写加工法制备具有长条状凸起结构的模板5，采用的激光光斑直径为20μm，扫描时激光光斑的搭接率为50％，即连续的两光斑间的距离为10μm，对长条形凸起结构两侧区域实现面扫描以去除凸起结构周围的材料，扫描次数为2次，留下中间凸结构，加工后中间凸结构宽度为1mm，长度为10mm，两侧区域宽度为8mm，深度为100μm，并进行激光抛光。然后在长条形凸起结构上加工直径为100μm，深度120μm，间距1mm的微孔阵列。在辅助的光滑Si表面上滴加300μL成形聚合物聚二甲聚硅氧烷PDMS，购置于美国道康宁公司，商品名Sylgard184A，待PDMS自由铺展3分钟，此时可获取涂敷液态PDMS薄膜的光滑平直硅片。在光滑平直硅片边缘放置四片厚度为300μm的硅片碎片作为间隙块，将制备好的具有微孔的长条形凸起结构的1060铝板水平倒置放置于间隙块上，使PDMS薄膜密封住长条形凸起结构上微孔内部的残留气体。保持水平状态将光滑平直硅片连同液态PDMS和1060铝板送入到真空干燥箱内，设置真空干燥箱内压强为0.08MPa，加热到60℃并保温2小时，结束后自然冷却，并从辅助平板1和具有微孔阵列的凸结构表面上分离出聚合物薄膜，将PDMS聚合物薄膜与玻璃等离子键合，在等离子处理时，在80℃下热烘15到30分钟以获得牢固的粘结强度。最终获得通道尺寸宽度为1mm，高度为100μm的球冠状促混合微流体通道，球冠状促混合微流体主体9的横截面形状和侧面形状分别如附图7所示，包括微流体通道10和球冠状促混合腔11，微流体通道10具有较均匀的球冠状促混合微流体主体壁26。类似地，在凸起结构上开设方形微孔和椭圆形微孔获得的球冠状促混合腔11如附图9和附图10所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
模板上带有凸起结构，且在凸起结构上开设若干微孔结构；
在辅助平板上涂覆可热固化或光固化的液态聚合物薄膜并在辅助平板上放置间隙块；
模板上带有凸起结构的一侧与辅助平板上的液态聚合物接触，且模板由间隙块支撑；
将模板与辅助平板保持该配合状态送入真空干燥箱；
调节真空干燥箱压强并加热或光照固化液态聚合物，固化后的聚合物为球冠状促混合微流体主体；
将球冠状促混合微流体主体键合到玻片或者聚合物表面上，从而得到球冠状促混合微流体通道。
2.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，所述凸起结构的高度为5μm～200μm，微孔结构中微孔孔深大于微孔直径，且微孔直径小于凸起结构的宽度，其中，微孔结构为盲孔。
3.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，所述液态聚合物薄膜的厚度为50μm～1500μm。
4.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，所述间隙块设置在辅助平板的四角位置，放置间隙块的位置上未涂覆液态聚合物薄膜；所述间隙块高度小于液态聚合物薄膜的厚度。
5.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，真空干燥箱压强P：
其中，h-微孔孔深；r-微孔开口半径；R-球冠状促混合腔体曲率半径；P0-大气压强；当微孔形状开口处为异形结构时，r-微孔当量开口半径，
S-微孔开口面积。
6.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，首先通过等离子体处理待键合的球冠状促混合微流体通道主体和玻片或者聚合物表面，而后将处理后的球冠状促混合微流体通道主体表面和玻片或者聚合物表面直接接触，并在80℃下热烘15～30分钟。
7.根据权利要求6所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，用玻片或者聚合物表面封住球冠状促混合微流体通道主体向外开口的除了微流体通道的纵向两端外的所有区域。
8.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，所述球冠状促混合微流体主体包括球冠状促混合腔与微流体通道；球冠状促混合腔与微流体通道的相贯线形状可以为三角形、长方形、圆形、椭圆形或者十字交叉形。
9.根据权利要求1所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，其特征在于，微孔结构为椭圆形、圆形、方形、十字交叉形或者三角形。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于空气模法的聚合物球冠状促混合微流体通道的制备方法，液态聚合物材料为可热固化或光固化的聚合物材料，优选聚二甲聚硅氧烷。
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