專利名稱：：玻璃微流控芯片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微流控芯片，尤其是涉及一種玻璃微流控芯片的制備方法。
背景技術(shù)：
：微流控芯片又稱為微全分析系統(tǒng)，是一類以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征的微型反應(yīng)或分析系統(tǒng)。由于具有分析速度快、試劑消耗少、使用成本低、易集成和自動化等優(yōu)點(diǎn)，微流控芯片已成為當(dāng)前十分活躍的科學(xué)前沿，并在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到廣泛的應(yīng)用。用于制作微流控芯片的材料主要有玻璃、石英與高分子聚合物等，其中玻璃由于具有優(yōu)異的光學(xué)性能與良好的電滲性能而成為微流控芯片的最常用材料之一。玻璃微流控芯片的制作分為微通道的加工和鍵合兩部分，其中玻璃微通道的特征尺寸為寬度一般小于兩百微米，深度為數(shù)十微米，其加工主要通過對表面具有微通道圖形的犧牲層的玻璃基片進(jìn)行濕法刻蝕而實(shí)現(xiàn)，由于玻璃在HF腐蝕液體系中的刻蝕速率較快(一般可達(dá)每分鐘數(shù)微米)，并且濕法刻蝕可以在刻蝕槽中大批量進(jìn)行，因此制約玻璃微流控芯片加工速度的關(guān)鍵步驟是犧牲層微圖案的制作。目前,玻璃微流控芯片主要以光刻膠/鉻，光刻膠/金/鉻或單純光刻膠為犧牲層，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻結(jié)合濕法刻蝕的方法進(jìn)行制備(P.C.Simpson,A.T.Woolley,R.A.Mathies,1998,1,7-25)，即首先采用光刻技術(shù)將掩模板上的微通道圖案轉(zhuǎn)移到玻璃基片表面的光刻膠層，而后通過顯影步驟精確去除曝光部分的光刻膠，如有鉻層或金/鉻層則進(jìn)一步去除相應(yīng)部分的金屬，然后進(jìn)行玻璃微溝道的濕法刻蝕，最后將其與另一空白蓋片進(jìn)行鍵合制備玻璃芯片。采用光刻方法雖然可以獲得寬數(shù)十微米、高質(zhì)量的玻璃微通道，但是所涉及的掩模制作與曝光顯影等步驟需要昂貴的儀器、超凈室環(huán)境以及繁瑣的制備過程，無法滿足快速及批量生產(chǎn)的需要。在芯片制備過程中，除了采用光刻技術(shù)外，還可以釆用激光燒蝕、微細(xì)電解加工等方法進(jìn)行犧牲層的微圖形加工。例如，劉曉清等提出先在玻璃基片表面的金/鉻層上涂一層指甲油，采用C02激光在指甲油上燒蝕出微通道圖形，在此基礎(chǔ)上去除Au和Cr犧牲層，然后進(jìn)行玻璃的刻蝕與鍵合(劉曉清，郝葦葦，高巍巍，周勇亮，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006,19,2038-2040)。雖然采用這種方法可以進(jìn)行玻璃芯片的快速制備，但是限于C02激光在指甲油上的加工精度，這種方法獲得的玻璃通道整體質(zhì)量較差，表現(xiàn)在通道寬度在數(shù)百微米以上，并且通道邊緣均勻性較差。葉嘉明等提出基于微細(xì)電解加工的方法進(jìn)行玻璃芯片的快速制作，以加工有微縫圖形的PET為掩模，采用微細(xì)電解加工技術(shù)在玻璃基片表面的Au/Cr犧牲層快速獲得微通道圖形，然后進(jìn)行溝道刻蝕與鍵合制備玻璃芯片(葉嘉明，李明佳，莊金亮,周勇亮，功能材料與器件學(xué)報(bào),2008,14，491-495)。該方法可在數(shù)十秒內(nèi)完成約100微米寬的金屬犧牲層微圖形加工，但需要特別的掩模板制作，增加加工成本，并且由于受掩模加工精度所限，無法獲得更精細(xì)的微通道結(jié)構(gòu)。另外，加工過程中電解液側(cè)漏問題也會影響通道質(zhì)量與加工重現(xiàn)性。此外，還有一些玻璃芯片的簡易制備方法被提出，例如宋學(xué)君等提出直接以凡士林油、羊毛脂復(fù)合物為犧牲層，采用不銹鋼針尖劃出細(xì)縫圖形繼而濕法刻蝕玻璃微通道的方法(宋學(xué)君,武士威,孫挺，中國發(fā)明專利，公開號CN1778748A)。這種方法雖然工藝簡單、成本較低，但是由于采用針尖在犧牲層劃痕的工藝，加工精度與重現(xiàn)性較差，因此在微流控分析芯片的實(shí)際研究中難以推廣。最近，Grzybowski研究小組提出了一種可用于制備玻璃芯片的新方法——濕印章刻蝕，采用存儲有玻璃腐蝕液且表面具有微結(jié)構(gòu)的瓊脂糖凝膠直接在玻璃基片上加工通道等多種微結(jié)構(gòu)(C.J.Campbell,S.K.Smoukov,K丄M.Bishop,E.Baker,B.A.Grzybowski,Ji/v.Ma&r2006，18,2004-2008)。該方法是一種無掩模、高加工精度的方法，但其刻蝕玻璃的速率僅為每小時(shí)2pm，因此無法實(shí)現(xiàn)玻璃芯片的快速制備。在此基礎(chǔ)上，Tian研究小組提出電化學(xué)濕印章刻蝕技術(shù)，即將存儲有電解液的且具有微結(jié)構(gòu)的瓊脂糖與半導(dǎo)體Si表面接觸，通過電化學(xué)刻蝕實(shí)現(xiàn)Si表面微結(jié)構(gòu)的快速加工(L.Zhang,J丄.Zhuang，X.ZMa,J.Tang,Z.W.Tian,i7ec/rac/^附.Co附ww".2007，9,2529-2533)，該方法除了用于半導(dǎo)體外，還有望應(yīng)用于金屬表面的快速微加工，但至今未見相關(guān)報(bào)道。綜上所述，現(xiàn)有的玻璃微流控芯片的制備方法或是成本高、過程繁瑣，或是加工質(zhì)量差，或是加工速率慢。迄今為止，還沒有一種低成本、工藝簡單、快速并且加工精度較高的玻璃微流控芯片的制備方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對目前玻璃芯片制作中的上述問題，提供一種新的玻璃微流控芯片的制備方法。本方法不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備及嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件，可實(shí)現(xiàn)玻璃芯片制備過程中金屬犧牲層的簡便快速、低成本、高精度的微加工，從而建立一種適用于普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行玻璃芯片的加工工藝。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在玻璃基片表面濺射金/鉻為犧牲層，再結(jié)合電化學(xué)濕印章刻蝕技術(shù)，主要是基于具有微凸起結(jié)構(gòu)并存儲有電解液的凝膠模板實(shí)現(xiàn)玻璃表面犧牲層的快速微加工，最后采用濕法刻蝕與玻璃鍵合工藝制作具有微通道結(jié)構(gòu)的玻璃微流控芯片。本發(fā)明包括以下步驟—1)選用具有微凹槽結(jié)構(gòu)的原始母版，將原始母版上的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至凝膠表面，再浸泡于電解液中，得存儲有電解液的凝膠模板；2)將存儲有電解液的凝膠模板置于含有相同電解液的電解池中，使具有微結(jié)構(gòu)的部分暴露于液面上；3)在空白玻璃基片的拋光面依次濺射鉻層和金層作為犧牲層，得具有金/鉻犧牲層的玻璃基片，然后將具有金/鉻犧牲層的玻璃基片置于凝膠模板表面，金/鉻犧牲層作為工作電極，在恒定的刻蝕電壓下對金/鉻犧牲層進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，即得犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片；4)將犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片放入氫氟酸(HF)腐蝕液中進(jìn)行濕法刻蝕，刻蝕至所需深度后取出，依次用王水、除鉻液去除玻璃基片表面的金/鉻犧牲層，得到具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片；5)將具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片與另一玻璃蓋片進(jìn)行鍵合，即制得玻璃微流控芯片。在步驟1)中，所述的原始母版可選用硅片、玻璃或金屬等，所述的原始母版上的微凹槽結(jié)構(gòu)是通過現(xiàn)有的微加工技術(shù)獲得。所述的轉(zhuǎn)移是利用凝膠的可塑性，將凝膠的水溶液倒在原始母版的微結(jié)構(gòu)上，待凝膠固化成型后與原始母版剝離，獲得表面具有微凸起結(jié)構(gòu)的固體凝膠模板。所述的凝膠可采用瓊脂糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠等水凝膠，例如10%的高強(qiáng)度瓊脂糖凝膠，高強(qiáng)度瓊脂糖凝膠的凝膠強(qiáng)度》3500g/cm2，制備得到的凝膠具有較好的硬度，并具有存儲溶液的能力。表面具有微凸起結(jié)構(gòu)的凝膠模板浸泡于電解液中的時(shí)間最好為30min以上。所述的電解液按摩爾比，可以是濃度為0.1lmol/L的KC1、KN03或NaCl等溶液。在步驟2)中，所述的鉻層的厚度最好為50200nm，金層的厚度最好為50200nm。在步驟3)中，所述的刻蝕電壓可以是15V，對于100nm的金層和100nm鉻層所組成的棲牲層，刻蝕電壓最好為13V。所述的電化學(xué)刻蝕時(shí)間為30120s。與現(xiàn)有的玻璃微流控芯片制作方法相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是1)使用存儲有電解液的帶有微結(jié)構(gòu)的凝膠模板結(jié)合電化學(xué)刻蝕技術(shù)，可以將凝膠模板上的微結(jié)構(gòu)精確轉(zhuǎn)移到玻璃基片表面的犧牲層，不需要采用光刻技術(shù)，避免使用昂貴儀器與掩模板制作等復(fù)雜步驟，所需設(shè)備簡單，操作簡便，加工成本較低；2)可實(shí)現(xiàn)玻璃基片表面犧牲層的快速微加工，數(shù)十秒內(nèi)即可在金屬犧牲層表面加工均勻的微通道圖形，并且加工精度高；3)本發(fā)明具有很好的拓展前景，除可以進(jìn)行玻璃微流控芯片的快速制備外，還可以應(yīng)用于金屬表面的微加工，包括金屬微電極陣列加工或高聚物微流控芯片的金屬模具加工。圖1為本發(fā)明實(shí)施例1玻璃微流控芯片的制作流程示意圖。在圖1中，t\\^J代表原始母版，代表凝膠模板，代表存儲有電解液的凝膠模板，代表金/鉻犧牲層，II代表空白玻璃基片;A代表恒電位儀，B代表飽和甘汞電極，C代表鉑電極，D代表電解液；(1)凝膠微結(jié)構(gòu)復(fù)制，(2)凝膠模板和原始母版剝離，(3)電化學(xué)刻蝕，(4)移除凝膠模板，(5)玻璃濕法刻蝕，(6)除犧牲層，(7)玻璃芯片鍵合。圖2為沐發(fā)明實(shí)施例1制作的犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片表面的顯微照片，在圖2中，黑色部分為犧牲層，淺色透光部分為玻璃基底。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制作的玻璃微通道的表面與橫截面的顯微照片。具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實(shí)施例1圖1為本發(fā)明實(shí)施例1玻璃微流控芯片的制作流程示意圖。在圖1中，(1)(2)為凝膠模板的制作過程，使用美國AmericanAMRESCO，純度等級為Biotechnologygmde的高強(qiáng)度瓊脂糖凝膠，將10%的高強(qiáng)度瓊脂糖凝膠溶液加熱至完全溶解，倒在具有微凹槽結(jié)構(gòu)的硅片上，抽氣除氣泡，固化成型后從硅模板上剝離，得到具有微凸起結(jié)構(gòu)的瓊脂糖凝膠模板。(3)為電化學(xué)刻蝕，將瓊脂糖凝膠模板在0.2mol/L的KCl溶液中浸泡lh，表面氮?dú)獯蹈珊笾糜诤邢嗤娊庖旱碾娊獬刂?，使具有微結(jié)構(gòu)的部分暴露于液面上，然后將具有金/鉻犧牲層的玻璃基片置于瓊脂糖凝膠模板表面，采用三電極體系，金/鉻犧牲層作為工作電極，對電極C采用Pt電極，飽和甘汞電極B作為參比電極，由恒電位儀A提供刻蝕電壓對金/鉻犧牲層進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，即得犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片。(4)(7)為玻璃芯片刻蝕與鍵合過程，將犧牲層上加工有微圖形的玻璃基片在HF腐蝕液體系中進(jìn)行濕法刻蝕，然后依次用王水、除鉻液去除玻璃基片表面的金/鉻犧牲層，得到具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片，最后將該玻璃基片與另一玻璃蓋片鍵合，即制得玻璃微流控心片。圖2給出了本發(fā)明實(shí)施例1加工得到的犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片表面的顯微照片。加工中金層與鉻層厚度均為lOOnm,瓊脂糖凝膠模板存儲的電解液為0.2mol/L的KCl溶液，刻蝕電壓lVvsSCE，刻蝕時(shí)間為110s，金/鉻層被完全刻蝕，微通道圖形的平均寬度為52pm，6個(gè)不同位置的寬度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.75%,表明了微通道圖形寬度均勻性高。圖3給出了本發(fā)明實(shí)施例1加工得到的玻璃微通道的表面和橫截面的顯微照片。加工中HF溶液為lmol/L的HF-NH4F腐蝕液體系，25°C下刻蝕20min，微通道的深度為25pm，平均寬度為102nm，6個(gè)不同位置的寬度RSD為2.86W，表明了玻璃微通道寬度均勻性高。實(shí)施例236其工藝步驟與實(shí)施例1類似，其不同在于凝膠模板中存儲的電解液以及電化學(xué)刻蝕電壓。具體條件及其加工效果詳見表1(其中"+"表示刻蝕加工效果好，即微通道結(jié)構(gòu)寬度均勻性高；"一"表示刻蝕加工效果差，即微通道結(jié)構(gòu)寬度均勻性差)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1.玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)選用具有微凹槽結(jié)構(gòu)的原始母版，將原始母版上的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至凝膠表面，再浸泡于電解液中，得存儲有電解液的凝膠模板；2)將存儲有電解液的凝膠模板置于含有相同電解液的電解池中，使具有微結(jié)構(gòu)的部分暴露于液面上；3)在空白玻璃基片的拋光面依次濺射鉻層和金層作為犧牲層，得具有金/鉻犧牲層的玻璃基片，然后將具有金/鉻犧牲層的玻璃基片置于凝膠模板表面，金/鉻犧牲層作為工作電極，在恒定的刻蝕電壓下對金/鉻犧牲層進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，即得犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片；4)將犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片放入氫氟酸腐蝕液中進(jìn)行濕法刻蝕，刻蝕至所需深度后取出，依次用王水、除鉻液去除玻璃基片表面的金/鉻犧牲層，得到具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片；5)將具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片與另一玻璃蓋片進(jìn)行鍵合，即制得玻璃微流控芯片。2.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述的原始母版選自硅片、玻璃或金屬。3.如權(quán)利要求1或2所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述的原始母版上的微凹槽結(jié)構(gòu)是通過現(xiàn)有的微加工技術(shù)獲得。4.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述的轉(zhuǎn)移是利用凝膠的可塑性，將凝膠的水溶液倒在原始母版的微結(jié)構(gòu)上，待凝膠固化成型后與原始母版剝離，獲得表面具有微凸起結(jié)構(gòu)的固體凝膠模板。5.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述的凝膠為瓊脂糖凝膠或聚丙烯酰胺凝膠。6.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述的電解液按摩爾比，是濃度為0.1lmol/L的KCl、KN03或NaCl溶液。7.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述的鉻層的厚度為50200nm，金層的厚度為50200nm。8.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述的刻蝕電壓為15V。9.如權(quán)利要求8所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟3)中，對于lOOnm的金層和lOOnm鉻層所組成的犧牲層，刻蝕電壓為13V。10.如權(quán)利要求1所述的玻璃微流控芯片的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述的電化學(xué)刻蝕時(shí)間為30120s。全文摘要玻璃微流控芯片的制備方法，涉及一種微流控芯片。提供一種新的玻璃微流控芯片的制備方法。將在具有微凹槽結(jié)構(gòu)的原始母版上的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至凝膠表面，浸于電解液中得凝膠模板；將凝膠模板置于電解池中，使具有微結(jié)構(gòu)的部分暴露于液面上；在空白玻璃基片的拋光面依次濺射鉻層和金層作為犧牲層，得具有金/鉻犧牲層的玻璃基片，再置于凝膠模板表面，金/鉻犧牲層作為工作電極，對金/鉻犧牲層進(jìn)行電化學(xué)刻蝕即得犧牲層上具有微通道圖形的玻璃基片，再放入氫氟酸腐蝕液中濕法刻蝕，至所需深度，用王水、除鉻液去除玻璃基片表面的金/鉻犧牲層，得具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片；將具有微凹槽結(jié)構(gòu)的玻璃基片與另一玻璃蓋片進(jìn)行鍵合，即得玻璃微流控芯片。文檔編號B81C1/00GK101382555SQ20081007183公開日2009年3月11日申請日期2008年9月19日優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日發(fā)明者葉嘉明,周勇亮,莊金亮,儆湯,田昭武申請人:廈門大學(xué)