基于微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片，在不施加額外 驅(qū)動裝置和控制裝置的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)可動部分的位置和尺寸，影響通道內(nèi)部的流動狀 況，從而調(diào)節(jié)氣泡的生成。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著小尺度化學(xué)或生物分析系統(tǒng)的大力發(fā)展，涉及微全分析系統(tǒng)（micro total analysis ayatems，μ TAS)或芯片實(shí)驗室（lab-on-a-chip)的各種類型的微流控設(shè)備被廣 泛設(shè)計和研宄，關(guān)于微尺度流動的研宄獲得了較為豐富的成果，并在此基礎(chǔ)上形成了一些 針對不同應(yīng)用的被普遍認(rèn)可的流動結(jié)構(gòu)。
[0003] 現(xiàn)階段微尺度制造技術(shù)的高度發(fā)展也為微尺度流動的研宄和應(yīng)用提供了充分的 技術(shù)支持，例如光刻以及激光刻蝕等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微米級結(jié)構(gòu)的制作等，表面處理技術(shù)的 發(fā)展能夠提高微流控器件的精度，基于此各種新型的流動和控制結(jié)構(gòu)可以從設(shè)計轉(zhuǎn)化為成 品制造。
[0004] 由于在生物或化學(xué)研宄中，單個微液滴可以作為獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)、輸運(yùn)和混合體， 以及其在食品藥品制造等行業(yè)中乳化過程的重要作用，人們將越來越多的關(guān)注集中于基于 微流控系統(tǒng)的微尺度液滴上面來。當(dāng)前關(guān)于微液滴的研宄主要集中于影響液滴生成和破碎 過程的各因素的研宄，并得到了液滴破碎的基本原理、液滴大小的一些經(jīng)驗預(yù)測關(guān)系式以 及各影響因素對于液滴大小的作用關(guān)系等。
[0005] 盡管在微尺度流動理論和微流控技術(shù)的發(fā)展的基礎(chǔ)之上，關(guān)于微液滴的研宄取得 了很多被研宄者們廣為接納的結(jié)果，然而對于液滴產(chǎn)生過程中的不均勻性以及控制其不均 勻性的方法等問題較少涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是基于常用的微液滴/氣泡生成結(jié)構(gòu)微通道，通過改變其壁面類型（將微 通道底面的指定位置處改為能夠變形的彈性壁面），以達(dá)到提高調(diào)節(jié)氣泡生成效果的目的。 本發(fā)明在常用T形微通道芯片的底面的指定位置處，制作形成遠(yuǎn)小于通道寬度的可變形的 薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜可在通道內(nèi)流動的液體的作用下而產(chǎn)生變形和振動。實(shí)驗結(jié)果顯示，相同流 動條件下，具有彈性薄壁面結(jié)構(gòu)的微通道能夠明顯調(diào)節(jié)生成氣泡的大小和生成時間。
[0007] 本發(fā)明所述微通道在常規(guī)微尺度通道的基礎(chǔ)之上，對通道下壁面的結(jié)構(gòu)做了改 進(jìn)，主要結(jié)構(gòu)如下：
[0008] 彈性底面微通道芯片包含離散相入口 1、側(cè)通道2、連續(xù)相入口 3、主通道4、出口 5、 主體固體結(jié)構(gòu)6、薄膜結(jié)構(gòu)7、基座8、載玻片9、基座孔洞10 ;其中離散相入口 1、側(cè)通道2、 連續(xù)相入口 3、主通道4、出口 5為在主體固體結(jié)構(gòu)6上的凹槽或洞孔結(jié)構(gòu)，是芯片工作時流 體流動的區(qū)域；
[0009] 基座孔洞10為設(shè)置在基座8的上表面的凹槽結(jié)構(gòu)，其決定微通道下表面中可變形 部分的位置和尺寸；基座8的底部為載玻片9,主體固體結(jié)構(gòu)6設(shè)置在基座8上；基座8與 主體固體結(jié)構(gòu)6之間設(shè)置有薄膜結(jié)構(gòu)7 ;主通道4的兩端分別為連續(xù)相入口 3、出口 5 ;主通 道4的側(cè)面連接有側(cè)通道2,側(cè)通道2的端部為離散相入口 1 ;
[0010] 主體固體結(jié)構(gòu)6、薄膜結(jié)構(gòu)7、基座8由PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成， 載玻片9為常用玻璃制片。常規(guī)微尺度通道不包含薄膜結(jié)構(gòu)7和基座8,薄膜結(jié)構(gòu)7和基座 8的作用是形成下壁面指定區(qū)域為可變形的彈性薄膜，為變形提供結(jié)構(gòu)支持和變形空間。
[0011] 本裝置的具體工作過程如下：氣體從離散相入口 1流入，連續(xù)相液體從連續(xù)相入 口 3流入，兩者在側(cè)通道2和主通道4的連接處交匯，離散相氣體破碎形成氣泡并隨連續(xù)相 一起往下游流動，最終通過出口 5流出芯片。在流動的過程中，由于PDMS材料本身具有彈 性，并且在基座孔洞10處的薄膜結(jié)構(gòu)7具有較小的抗彎剛度以及變形的空間，使得薄膜結(jié) 構(gòu)7在液體作用下發(fā)生變形以及振動，進(jìn)而影響液體的流動以及氣泡的生成過程。
[0012] 本發(fā)明可以通過在微通道底部指定區(qū)域制作可變形彈性壁面，影響液體流動，進(jìn) 而達(dá)到調(diào)節(jié)氣泡生成的作用。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明基于T形微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片的三維總體輪 廓示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明基于T形微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片中可變形壁面 部分的橫截面示意圖。
[0015] 圖3是對比實(shí)驗中常規(guī)T形微通道流控芯片的主通道部分橫截面示意圖。
[0016] 圖4是T形微通道微流控芯片用于實(shí)現(xiàn)氣泡生成的工作過程示意圖。
[0017] 圖中：1、離散相入口，2、側(cè)通道，3、連續(xù)相入口，4、主通道，5、出口，6、主體固體結(jié) 構(gòu)，7、薄膜底面結(jié)構(gòu)，8、基座，9、載玻片，10、基座孔洞。
[0018] 注：由于微通道尺寸遠(yuǎn)小于芯片尺寸，用實(shí)際尺寸表示微流控芯片時不能清晰表 征微流控芯片流道部分的結(jié)構(gòu)，因此附圖使用的是微流道結(jié)構(gòu)相對放大的芯片示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合結(jié)構(gòu)附圖對發(fā)明基于T形微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片 的工作過程和作用效果進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020] 彈性底面T形微通道芯片包含離散相入口 1、側(cè)通道2、連續(xù)相入口 3、主通道4、出 口 5、主體固體結(jié)構(gòu)6、薄膜結(jié)構(gòu)7、基座8、載玻片9、基座孔洞10 ;其中離散相入口 1、側(cè)通 道2、連續(xù)相入口 3、主通道4、出口 5為在主體固體結(jié)構(gòu)6上的凹槽或洞孔結(jié)構(gòu)，是芯片工作 時流體流動的區(qū)域；
[0021] 基座孔洞10為設(shè)置在基座8的上表面的凹槽結(jié)構(gòu)，其決定T形微通道下表面中可 變形部分的位置和尺寸；基座8的底部為載玻片9,主體固體結(jié)構(gòu)6設(shè)置在基座8上；基座 8與主體固體結(jié)構(gòu)6之間設(shè)置有薄膜結(jié)構(gòu)7 ;主通道4的兩端分別為連續(xù)相入口 3、出口 5 ; 主通道4的側(cè)面連接有側(cè)通道2,側(cè)通道2的端部為離散相入口 1 ;
[0022] 主體固體結(jié)構(gòu)6、薄膜結(jié)構(gòu)7、基座8由PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成， 載玻片9為常用玻璃制片。常規(guī)T形微尺度通道不包含薄膜結(jié)構(gòu)7和基座8,薄膜結(jié)構(gòu)7和 基座8的作用是形成下壁面指定區(qū)域為可變形的彈性薄膜，為變形提供結(jié)構(gòu)支持和變形空 間。
[0023] 本裝置的具體工作過程如下：氣體從離散相入口 1流入，連續(xù)相液體從連續(xù)相入 口 3流入，兩者在側(cè)通道2和主通道4的連接處交匯，離散相氣體破碎形成氣泡并隨連續(xù)相 一起往下游流動，最終通過出口 5流出芯片。在流動的過程中，由于PDMS材料本身具有彈 性，并且在基座孔洞10處的薄膜結(jié)構(gòu)7具有較小的抗彎剛度以及變形的空間，使得薄膜結(jié) 構(gòu)7在液體作用下發(fā)生變形以及振動，進(jìn)而影響液體的流動以及氣泡的生成過程。
[0024] 圖1為基于T形微通道的下壁面指定位置可動微流控芯片的三維總體輪廓示意 圖。該芯片包含離散相入口 1、側(cè)通道2、連續(xù)相入口 3、主通道4、出口 5、主體固體結(jié)構(gòu)6、 薄膜結(jié)構(gòu)7、基座8、載玻片9、基座孔洞10。圖4是本發(fā)明基于T形微通道的下壁面指定位 置可動面微流控芯片的工作過程示意圖。兩種流體在外力驅(qū)動下通過兩個入口流入微流控 芯片中，調(diào)整兩種液體的流動條件，使其生成微氣泡，并保持該流速一段時間使流動穩(wěn)定， 然后進(jìn)行液滴生成記錄實(shí)驗。為了驗證該發(fā)明對于氣泡生成的有效作用，利用相同結(jié)構(gòu)的 底面不能變形的常規(guī)微流控芯片進(jìn)行了對比實(shí)驗。兩組實(shí)驗的氣泡大小如表1所示，可見 本發(fā)明能夠有明顯影響氣泡的生成。
[0025] 表1本發(fā)明芯片與對比芯片的氣泡長度結(jié)果
[0026]
[0027] 注：連續(xù)相流速為3 μ L/min，所用微通道的側(cè)通道寬度為300 μ m，主通道寬度為 300 μ m，通道高度為100 μ m。
【主權(quán)項】
1. 基于微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片，其特征在于：彈性底面微通道芯 片包含離散相入口（1)、側(cè)通道（2)、連續(xù)相入口（3)、主通道（4)、出口（5)、主體固體結(jié)構(gòu) (6)、薄膜結(jié)構(gòu)（7)、基座（8)、載玻片（9)、基座孔洞（10);其中離散相入口（1)、側(cè)通道（2)、 連續(xù)相入口（3)、主通道（4)、出口（5)為在主體固體結(jié)構(gòu)（6)上的凹槽或洞孔結(jié)構(gòu)，是芯片 工作時流體流動的區(qū)域； 基座孔洞（10)為設(shè)置在基座（8)的上表面的凹槽結(jié)構(gòu)，其決定微通道下表面中可變形 部分的位置和尺寸；基座（8)的底部為載玻片（9)，主體固體結(jié)構(gòu)（6)設(shè)置在基座（8)上； 基座（8)與主體固體結(jié)構(gòu)（6)之間設(shè)置有薄膜結(jié)構(gòu)（7);主通道（4)的兩端分別為連續(xù)相 入口（3)、出口（5);主通道（4)的側(cè)面連接有側(cè)通道（2)，側(cè)通道（2)的端部為離散相入口 (1); 主體固體結(jié)構(gòu)（6)、薄膜結(jié)構(gòu)（7)、基座（8)由PDMS材料制成，載玻片（9)為常用玻璃 制片。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片，其特征 在于：本裝置的具體工作過程如下，氣體從離散相入口（1)流入，連續(xù)相液體從連續(xù)相入口 (3)流入，兩者在側(cè)通道（2)和主通道（4)的連接處交匯，離散相氣體破碎形成氣泡并隨連 續(xù)相一起往下游流動，最終通過出口（5)流出芯片；在流動的過程中，由于PDMS材料本身具 有彈性，并且在基座孔洞（10)處的薄膜結(jié)構(gòu)（7)具有較小的抗彎剛度以及變形的空間，使 得薄膜結(jié)構(gòu)（7)在液體作用下發(fā)生變形以及振動，進(jìn)而影響液體的流動以及氣泡的生成過 程； 本結(jié)構(gòu)通過在微通道底部指定區(qū)域制作可變形彈性壁面，影響液體流動，進(jìn)而達(dá)到調(diào) 節(jié)氣泡生成的作用。
【專利摘要】基于微通道的下壁面指定位置可動的微流控芯片，基座孔洞為設(shè)置在基座的上表面的凹槽結(jié)構(gòu)，其決定微通道下表面中可變形部分的位置和尺寸；基座的底部為載玻片，主體固體結(jié)構(gòu)設(shè)置在基座上；基座與主體固體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有薄膜結(jié)構(gòu)；主通道的兩端分別為連續(xù)相入口、出口；主通道的側(cè)面連接有側(cè)通道，側(cè)通道的端部為離散相入口；本發(fā)明可以在不增加額外驅(qū)動或者控制裝置的基礎(chǔ)上，利用簡單的微通道結(jié)構(gòu)生成常規(guī)微流控芯片在相同流動條件下不能達(dá)到的均勻性較好的微尺度液滴，直觀清晰，操作簡單。
【IPC分類】B01L3/00
【公開號】CN104888875
【申請?zhí)枴緾N201510379947
【發(fā)明人】劉趙淼, 逄燕, 王翔
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年7月1日