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行二次倒模，將微流控芯片的制作周期進行縮短，并且大大降低了費用支出，與此同時對微流控芯片進行一系列的測試。通過測試的數據可以看出，微流控芯片的結構具有較強的穩定性，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，減少了費用的支出，提高了工作效率。

關鍵詞：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，借助傳統的方式來制作微流控芯片，主要使用平面設計技術來對其進行制作和加工，制作出的樣本按照平面的方式來進行排列，但是卻無法實現垂直方向的排列。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構中，然后再進行多次的負模、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特征，并且將其進行組合之后，可以用來計算細胞的數量。

1 SU-8微流溝道的設計與制作

1.1 微流溝道的設計

微流體細胞儀借助水的作用力發揮聚焦功能，并且對細胞的數量進行統計，對細胞的種類進行分類，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入細胞儀內，鞘流體則從兩邊的管道進入細胞內，并且在噴嘴口進行按壓從而產生聚焦效應，兩側樣本的流速與聚焦效果有著直接的關系。對各種不同管道中流體的流速進行控制，并且將流體的寬度進行適當的縮減，并且借助光學檢測技術來對細胞的數量進行統計和檢測，最后借助激光束來對細胞所產生的一系列反應進行檢測，由此來分析和判斷細胞的大小和細胞的種類。

為了有效地實現流體的三維聚焦功能，對目標的需求和SU-8微流控芯片技術進行分析。微流溝道結構有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，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入左側和右側的斜面，并且借助相互擠壓的作用來實現水平聚焦。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，首先在已經清洗干凈的硅片上涂抹一層SU-8的光刻膠，然后進行干燥，之后將甘油涂抹在SU-8光刻膠和模板之間的縫隙處，借助夾子進行固定。將固定好的模具傾斜61.3°放置于去離子水中，側面進行曝光，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光刻膠進行二次涂膠，在進行烘干處理之前與第一次曝光的數值進行對比，借助傳統的方式來對其進行豎直曝光。SU-8光刻膠進行干燥之后，并且顯影，所達到的垂直變遷和微流溝道與SU-8微流溝道結構完全一致。

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微流溝道對其進行電鏡掃描，在電鏡設備的幫助下，可以直觀地看到微流溝道結構。為了更好地比較二次負模之后聚二甲基硅氧烷的微流溝道結構的變化，對微流溝道不同部位的尺寸進行了系統的測量和統計。

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量比進行配料，之后放置在干燥箱內進行30分鐘的脫泡處理，將原料中的氣泡進行完全的處理。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微流溝道上進行分離，從而得到所需的負模結構。

2.2 負模結構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模結構進行二次的倒模，在進行脫模時可能會出現撕裂或者粘連的現象，所以此時需要對負模結果進行相應的處理才能進行使用。將輕丙基甲基纖維素與磷酸緩沖液（pH=3）進行混合，作為負模結構的處理液備用。首先，將負模結構防止在混合液中進行30分鐘的浸泡處理，然后按照上述方式來進行二次倒模，從而得到所需的聚二甲基硅氧烷微流溝道。經過處理之后的負模結構在進行脫模時不會再出現粘連或者撕裂的現象。

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構進行功率30W，60s氧等離子體處理，之后，借助聚二甲基硅氧烷預聚物將兩者進行結合，然后放置在溫度為100攝氏度的干燥箱內烤4小時，從而實現聚二甲基硅氧烷蓋片與微流溝道的永久結合。

測試已經鍵合的聚二甲基硅氧烷微流溝道結構的聚焦、封裝效果，測試鞘流為緩沖液，樣本流采用標記過異硫氰酸熒光素，當488nm激光激發熒光球顆粒會出現黃色熒光的溶液，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置3個儲液池，然后把連有三針頭的毛細管放到儲液池中，最后選用NOA73對針頭進行封裝與固話。

從聚焦的樣本流情況可以看出，當鞘流和樣本流流進溝道的過程中，沒有出現泄漏液體到溝道外的情況出現，并且溝道漏洞暢通、無堵，由此可看出蓋片與微流體結構的封裝是緊密的。當樣本流流動到斜坡時出現了相應的聚焦效果，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 結語

為了真正意義上實現三維立體方向的流體聚焦，借助傾斜曝光技術和光科技術制作了SU-8微流溝道，并且進行了二次倒模，最后將值得的溝道進行封裝和檢測，發現該芯片具有較強的穩定性，可以同時滿足多種流體聚焦的檢測，從而實現細胞的分類和統計。

參考文獻

[1]楊靜，楊軍，許蓉，等.一種微流控細胞分離芯片及其流場分析[J].儀器儀表學報，2009，30（7）：1508-1511.

[2]劉沖，梁勇，李經民，等.微流控芯片操作機器人碰撞保護裝置的設計[J].光學精密工程，2009，17（1）：138-144.

（作者單位：山東科技大學）