微流控芯片的设计与加工
原创 发布时间:2022-10-31 浏览次数: 1005 来源: 邹晶晶

核心提示:微流控(Microfluidics)是一种采用微米级通道来处理和操纵少量流体的技术。本文简述了微流控芯片的设计以及标准软光刻技术加工PDMS芯片的操作流程。


  微流控(Microfluidics)是一种采用微米级通道来处理和操纵少量流体的技术。与传统的分析技术相比,微流控技术的优势在于:1)在微尺度上操纵流体,样品和试剂消耗量少;2)多个反应可以同时进行以实现高通量分析;3)将样本预处理、核酸扩增、信号检测集成到一个芯片中,能够实现检测平台的小型化和自动化。这些优势使得微流控在生化分析、环境/食品中的致病原快速检测得以应用。本文简述了微流控芯片的设计以及标准软光刻技术加工PDMS芯片的操作流程。

  首先,我们利用AutoCAD、Adobe illustrator等绘图软件设计出芯片平面结构图,如果是有层次的芯片结构(需要进行多步光刻)则需要根据所需结构增加绘制相关图纸。如果采用3D打印技术获得微流控芯片,则在设计的时候需要绘制出完整的芯片三维结构。设计好的图案交由精密光电公司打印成掩膜(菲林胶片,分辨率>3,000 dpi)。然后,我们利用深紫外光刻技术将掩膜上的图案转移到硅片上,具体的操作方法如下:

  1) 硅片的清洗。用异丙醇浸泡硅片,超声清洗约10 min后取出用氮气吹干。这一步骤,理论上用浓硫酸和双氧水配制相应溶液进行清洗,但是该溶液极具腐蚀性,操作也比较危险,因而在实验室中,我们往往使用异丙醇清洗作为替代方法。

  2) 烘箱加热。将硅片放入150 °C烘箱中加热5 min,去除残留的异丙醇,确保后续旋涂的光胶和硅片之间能够充分粘附。

  3) 等离子处理。将干燥后的硅片放入等离子清洗机进行等离子清洗,处理后的硅片具有亲水性,使得光胶能更好地粘附在硅片上。

  4) 匀胶。将硅片置于匀胶机旋转台上,缓慢倾倒约2 mL光刻胶(室温)至硅片中央处,使光刻胶呈圆形摊开,并尽量避免产生气泡。若有气泡,可用注射器吹破气泡或者用针头将气泡移至非图案区,以保证后续得到的图案完整。匀胶转速依据所需的光胶厚度按照所使用的光胶说明书进行设置(如图1 A)。

  5) 前烘。通过加热除去可挥发溶剂,使光引发剂(三苯基硫盐)在光刻胶中的占比升高。

  6) 曝光。使用深紫外光刻机进行曝光,将设计好的掩膜图案转移至光刻胶上。曝光时长与光刻机的曝光能量及光刻胶的厚度有关,根据实际需求选择相关参数。

  7) 显影。该过程将未与光刻胶发生交联的部分光胶从硅片上除去,以得到相应深度的结构轮廓。

  8) 坚膜。硅片置入150 °C烘箱中加热30 min,去除残余的光刻胶溶剂并固化交联的图案。

  9) 硅烷化处理,使掩膜疏水,避免后续制作PDMS芯片时由于亲水作用不能脱模。


  图1 SU-8模具制作A)和PDMS芯片加工B)

  获得了成型的模具后,根据模塑法制作PDMS芯片(图1 B)。以聚合体:交联剂为 10:1的质量比(可根据需求进行调整)配制PDMS预聚体。充分搅拌使引发剂均匀沉降至PDMS中,这时预聚体中有均匀且密集的小气泡。然后,真空处理配置好的预聚体约1 h,使预聚体澄清透明,不含任何气泡。用注射器抽取相应体积的预聚体浇筑于模具上,于平板上静置2 min。随后将模具放置于120 °C加热板上烘烤10 min,固化PDMS。利用手术刀剥离固化的PDMS,并用相应打孔器在通道入口和出口处打孔。待拼接的PDMS芯片放入等离子机中清洗后与相应基底对齐封接。封接后的芯片根据实验要求决定是否烘烤芯片以获得疏水性。

  参考文献:

  [1] Scott SM, Ali Z. Fabrication Methods for Microfluidic Devices: An Overview. Micromachines (Basel). 2021;12(3):319. doi:10.3390/mi12030319

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