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离心力驱动微流控芯片

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离心力驱动微流控芯片以其设备简单,制作成本低,集成度高等优势在医疗诊断、食品卫生、化工生产及环境监测等领域有广阔的应用前景,正在成为工业界和学术界的研究热点。可以预见,更为简单、快速、高精度的离心力驱动芯片的加工方法以及与旋转的芯片相匹配的试样引入和检测系统,对于促进技术普及化,仪器商品化具有重要意义。


与普通的微流控芯片不同,离心式芯片在结构上具有以下典型特点:首先,芯片多为圆形结构,其大小与生活中使用的CD相当,芯片可集成数十到上百个由圆盘中心向外围呈辐射分布重复的结构单元。通常在每个结构单元的外围会设计一些气路通道,以确保芯片在旋转时各通道内气压的平衡;其次,每个结构单元由于应用体系要求不同在构型设计上也有差异,但它们有一个共同的特点那就是通过通道的内径突变来实现微阀的作用。


离心式微流控芯片的加工方法

由于离心式微流控芯片是利用芯片材质的憎水表面在通道内径突变处产生毛细阻力实现对液流的控制,所以此类微泵芯片通常都是采用高聚物材料加工制作,常用的有聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。


阳模的加工

SU-8光刻胶在光刻、曝光、显影后可得到高深宽比的微结构,可直接用于微流控芯片阳模的制作。SU-8光刻胶阳模具有工序简单、加工成本低等优点,可高效的应用于固化型和溶剂挥发型高聚物材料的小批量低压浇注成型,但它所具有的低机械强度和热应力,使其很难用于高压下才能进行的热压和注塑成型


金属由于其高的机械强度和热应力是塑料芯片加工的一种非常理想的模具材料。Lee等分别在硅和镍材料基片上制作了镍金属阳模,并从脱模的难易和加工程序简单程度的角度对这两种方法进行比较。虽然电铸技术得到的镍基阳模具有表面粗糙度小(<10nmRMS)[4]、精度高及坚固耐用等优点,但由于电铸过程缓慢、电力线存在一定的弯曲,使镍的生长速度不均一,阳模容易弯曲等问题会对芯片的加工质量有一定的影响。


单晶硅以其成熟的微加工技术、较高的硬度和导热性,已被广泛应用于高聚物微流控芯片阳模的制作。虽然用硅阳模可以很方便的实现芯片的小批量复制,但由于硅很脆,在进行高压成型时通常要在阳模下键合一块5mm厚的玻璃片,以增加硅片阳模的机械强度。


芯片的封装

加工后的微通道是敞开的,为了使通道形成毛细管,通常需要将另一块高聚物或玻璃作为盖片与该基片封合。


离心力驱动微泵具有设备简单、流体无脉动、可驱动流体不受限制等优势,此外,由于其动力是施加于芯片上的所有液流,单一电机可同时为芯片上所有(数十到数百个)结构单元提供驱动力,这对于进行微流控芯片的高通量分析有着很重要的意义,已广泛应用于生物[27]及化学分析等领域。







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手持式PDMS打孔器