微流控芯片的三維聚焦功能分析

王時 程麗瑩 辛亞會 周煜明 董淑嫻 林美玫

摘 要：借助聚二甲基硅氧烷對微流控芯片進(jìn)行二次倒模，將微流控芯片的制作周期進(jìn)行縮短，并且大大降低了費(fèi)用支出，與此同時對微流控芯片進(jìn)行一系列的測試。通過測試的數(shù)據(jù)可以看出，微流控芯片的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且可以滿足聚焦需求。借助這種方式來制作微流控芯片，有效縮短了芯片的制作周期，減少了費(fèi)用的支出，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：微流控芯片；三維聚焦；功能分析

微流控芯片是目前對MEMS研究的主要部分，借助傳統(tǒng)的方式來制作微流控芯片，主要使用平面設(shè)計技術(shù)來對其進(jìn)行制作和加工，制作出的樣本按照平面的方式來進(jìn)行排列，但是卻無法實現(xiàn)垂直方向的排列。使用SU-8微流控芯片作為樣本，將聚二甲基硅氧烷澆注在樣本結(jié)構(gòu)中，然后再進(jìn)行多次的負(fù)模、倒模，從而得到多個SU-8微流控芯片。制作的SU-8芯片具有較好的兼容性和光學(xué)特征，并且將其進(jìn)行組合之后，可以用來計算細(xì)胞的數(shù)量。

1 SU-8微流溝道的設(shè)計與制作

1.1 微流溝道的設(shè)計

微流體細(xì)胞儀借助水的作用力發(fā)揮聚焦功能，并且對細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，對細(xì)胞的種類進(jìn)行分類，借助3條管道、噴嘴和集中流管道等多部分組成。樣品一般從中間的管道進(jìn)入細(xì)胞儀內(nèi)，鞘流體則從兩邊的管道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，并且在噴嘴口進(jìn)行按壓從而產(chǎn)生聚焦效應(yīng)，兩側(cè)樣本的流速與聚焦效果有著直接的關(guān)系。對各種不同管道中流體的流速進(jìn)行控制，并且將流體的寬度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s減，并且借助光學(xué)檢測技術(shù)來對細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計和檢測，最后借助激光束來對細(xì)胞所產(chǎn)生的一系列反應(yīng)進(jìn)行檢測，由此來分析和判斷細(xì)胞的大小和細(xì)胞的種類。

為了有效地實現(xiàn)流體的三維聚焦功能，對目標(biāo)的需求和SU-8微流控芯片技術(shù)進(jìn)行分析。微流溝道結(jié)構(gòu)有3個樣品入口，中間的入口為樣本的入口，左邊和右邊的通道為鞘流通道。流體的聚焦處有3個斜面，左邊和右邊的斜面與底面呈垂直的狀態(tài)，中間的斜面與底面的角度為45度。中間管道的樣本可以從左右兩邊的通道進(jìn)入左側(cè)和右側(cè)的斜面，并且借助相互擠壓的作用來實現(xiàn)水平聚焦。斜面對流體有一定程度向上抬的作用，因此，中間斜面也可以實現(xiàn)垂直聚焦。

1.2 SU-8微流溝道的制作

第一步：借助SU-8微流控芯片的曝光原理，首先在已經(jīng)清洗干凈的硅片上涂抹一層SU-8的光刻膠，然后進(jìn)行干燥，之后將甘油涂抹在SU-8光刻膠和模板之間的縫隙處，借助夾子進(jìn)行固定。將固定好的模具傾斜61.3°放置于去離子水中，側(cè)面進(jìn)行曝光，從而得到聚焦樣本流和鞘流所需要的樣品。

第二步：將第一步處理后但未顯影的SU-8光刻膠進(jìn)行二次涂膠，在進(jìn)行烘干處理之前與第一次曝光的數(shù)值進(jìn)行對比，借助傳統(tǒng)的方式來對其進(jìn)行豎直曝光。SU-8光刻膠進(jìn)行干燥之后，并且顯影，所達(dá)到的垂直變遷和微流溝道與SU-8微流溝道結(jié)構(gòu)完全一致。

1.3 SU-8微流溝道的掃描電鏡分析

使用上述的方法所制作的SU-8微流溝道對其進(jìn)行電鏡掃描，在電鏡設(shè)備的幫助下，可以直觀地看到微流溝道結(jié)構(gòu)。為了更好地比較二次負(fù)模之后聚二甲基硅氧烷的微流溝道結(jié)構(gòu)的變化，對微流溝道不同部位的尺寸進(jìn)行了系統(tǒng)的測量和統(tǒng)計。

2 聚二甲基硅氧烷微流溝道的制作

2.1 聚二甲基硅氧烷微流溝道的一次倒模

將制作所需要的聚二甲基硅氧烷原料和固化劑按照固定的質(zhì)量比進(jìn)行配料，之后放置在干燥箱內(nèi)進(jìn)行30分鐘的脫泡處理，將原料中的氣泡進(jìn)行完全的處理。然后，將脫泡處理的聚二甲基硅氧烷放置在SU-8的微流溝道中，放入溫度為75℃的烘箱中進(jìn)行90分鐘的干燥處理，等所有的原料固化之后，將聚二甲基硅氧烷從SU-8微流溝道上進(jìn)行分離，從而得到所需的負(fù)模結(jié)構(gòu)。

2.2 負(fù)模結(jié)構(gòu)的表面處理與二次倒模

借助聚二甲基硅氧烷來對已得到的負(fù)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次的倒模，在進(jìn)行脫模時可能會出現(xiàn)撕裂或者粘連的現(xiàn)象，所以此時需要對負(fù)模結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理才能進(jìn)行使用。將輕丙基甲基纖維素與磷酸緩沖液（pH=3）進(jìn)行混合，作為負(fù)模結(jié)構(gòu)的處理液備用。首先，將負(fù)模結(jié)構(gòu)防止在混合液中進(jìn)行30分鐘的浸泡處理，然后按照上述方式來進(jìn)行二次倒模，從而得到所需的聚二甲基硅氧烷微流溝道。經(jīng)過處理之后的負(fù)模結(jié)構(gòu)在進(jìn)行脫模時不會再出現(xiàn)粘連或者撕裂的現(xiàn)象。

3 聚二甲基硅氧烷微流控芯片的封裝與測試

將聚二甲基硅氧烷微流溝道進(jìn)行封裝處理，并且對聚二甲基硅氧烷的封裝蓋片和聚二甲基硅氧烷微流體正模結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率30W，60s氧等離子體處理，之后，借助聚二甲基硅氧烷預(yù)聚物將兩者進(jìn)行結(jié)合，然后放置在溫度為100攝氏度的干燥箱內(nèi)烤4小時，從而實現(xiàn)聚二甲基硅氧烷蓋片與微流溝道的永久結(jié)合。

測試已經(jīng)鍵合的聚二甲基硅氧烷微流溝道結(jié)構(gòu)的聚焦、封裝效果，測試鞘流為緩沖液，樣本流采用標(biāo)記過異硫氰酸熒光素，當(dāng)488nm激光激發(fā)熒光球顆粒會出現(xiàn)黃色熒光的溶液，這樣能更方便觀察。首先，在封裝好的聚二甲基硅氧烷微流溝道設(shè)置3個儲液池，然后把連有三針頭的毛細(xì)管放到儲液池中，最后選用NOA73對針頭進(jìn)行封裝與固話。

從聚焦的樣本流情況可以看出，當(dāng)鞘流和樣本流流進(jìn)溝道的過程中，沒有出現(xiàn)泄漏液體到溝道外的情況出現(xiàn)，并且溝道漏洞暢通、無堵，由此可看出蓋片與微流體結(jié)構(gòu)的封裝是緊密的。當(dāng)樣本流流動到斜坡時出現(xiàn)了相應(yīng)的聚焦效果，而在出口的溝道上樣本流聚焦成綠線一條，這也正是帶有熒光微球聚焦的樣本流情況。

4 結(jié)語

為了真正意義上實現(xiàn)三維立體方向的流體聚焦，借助傾斜曝光技術(shù)和光科技術(shù)制作了SU-8微流溝道，并且進(jìn)行了二次倒模，最后將值得的溝道進(jìn)行封裝和檢測，發(fā)現(xiàn)該芯片具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以同時滿足多種流體聚焦的檢測，從而實現(xiàn)細(xì)胞的分類和統(tǒng)計。

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（作者單位：山東科技大學(xué)）