一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法

本发明属于光刻，具体涉及一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法。

背景技术：

1、微流控芯片指流道尺寸为几到几百微米且可人为干预流体物理或化学行为的多流道功能器件。微流控芯片仅要求对毫升甚至是微升级别的反应流体在微流道进行流动或反应，该器件在极度减少反应液用量的同时提高了微流体在芯片内的传热和传质效果，且最终的反应产物也随着流道数量的编程式增加而具备可选择性，这是传统大占地面积的釜式或管式反应器等较难实现的。因此，微流控芯片被广泛应用在精细化工、疾病诊断、高通量细胞筛选以及化学合成条件与产物的优化与分筛等领域。

2、对于微流控芯片的制备，目前多采用湿/干法刻蚀、薄膜沉积、阳极键合和软光刻的方法制备出金属基、无机硅基、有机硅基、聚合物基甚至是有机无机复合基的微流控芯片。其中，应用较广且已经商业化的微流控芯片的制备策略是用软光刻技术制备聚合物基微流控芯片。简单来讲，是将可以固化的液态聚合物前驱体浇筑在预先曝光、显影的模具上，待浇筑液浸润模具整个表面后，进行固化并将固化成型的聚合物与模具剥离制备出聚合物基微流控芯片。由于用软光刻法制备微流控芯片其器件好成型、器件表面是化学惰性等优点，目前是商业上制备微流控芯片策略的重要选择。

3、利用软光刻法制备微流控芯片是否成功关键在于模板制备是否成功。目前，模板的制备要经过硅片表面亲水处理、光刻胶旋涂、前烘、曝光、后烘、显影液显影等几个步骤，整个制备过程必须在超净间内进行无尘操作，并且还需对制备出的芯片就行后封装。每个步骤环境与参数的变化与轻微波动都会导致芯片制备失败。另外，对于不具备专业高精度光刻光源的试验条件，则需要预先定制单一形状的光掩模版来控制光刻形状，这对于个性化定制微流控芯片是极为不利的。

4、为简化芯片的制备过程，提高芯片的个性化定制能力，近些年亦有相关研究用3d打印技术(熔融挤出3d打印技术或光固化3d打印技术)一体式制备出各种形状的微流控芯片，但依然存在问题，例如：在利用熔融挤出层层堆叠3d打印技术制备微流控芯片时，芯片z轴高度上的层与层间单纯通过物理堆叠进行接触密封，这就导致流体容易在层间堆叠不牢处泄露或发生流体在不同流道间的串流；在利用光固化3d打印技术制备芯片时，流道形状封闭面处的固化树脂会因为表面张力的作用形成弯液面形固化坍塌流道形状，且打印速度慢(1厘米高的产品需要约30分钟)。此外，由于光的穿透性，以上两种3d打印技术很难制备出厚度小于20微米的微流控芯片，限制了芯片在z轴方向上的集成度。而3d打印由于需要进行封装的特点以及其所使用的光固化树脂，其制备出的几十微米量级的微流控芯片顶部封装层形软质脆，特别是由于制备出的流道材质均会被有机试剂(如二氯甲烷、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃等)溶胀甚至溶解，这也限制了用该方法制备出微流控芯片的流道形状控制以及对流道内所使用流体的兼容性。另外，目前所报道的微流控芯片均为均一材料制备，较难实现在同一芯片上的不同流道壁的材质不同，从而实现对流体进行不同壁处不同功能的吸附、分离、催化等功能，这也限制了该类微流控芯片的功能性。

5、因此，本领域亟需开发出一种低成本、快速、能够进行个性化定制策略的方法，从而制备出超薄(厚度小于20微米)、二维平面上多组分、耐有机试剂的微流控芯片，这对于提高芯片功能与可设计性、增强芯片试剂耐受度、降低流体用量尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术的现有技术的问题，本发明提供一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法。

2、一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1，将光固化油墨铺展在两层固体硬质基底之间，其中至少一层基底透明；

4、步骤2，采用数字光投影或者使用光掩模，使光按预先设计的流道图案照射所述光固化油墨，进行区域固化；

5、步骤3，将未固化的光固化油墨冲走，得到具有设计流道图案的二维微流控芯片。

6、优选的，步骤3还包括：根据组成二维微流控芯片流道壁的材料种类数，重复如下操作至少一次：

7、将另一种光固化油墨注入已经具有固化的部分流道图案的所述两层基底之间；采用数字光投影或者使用传统光掩模，投影预先设计的流道图案，照射所述光固化油墨，进行区域固化；将未固化的光固化油墨冲走。

8、优选的，所述两层基底之间设置有格挡垫片，通过所述格挡垫片的厚度实现对流道高度的定制。

9、优选的，所述流道高度为小于等于20微米。

10、优选的，所述基底的材料是硅烷偶联剂修饰的玻璃、有机玻璃或ito导电玻璃。

11、优选的，所述光固化油墨采用至少一种(甲基)丙烯酸酯制成。

12、优选的，所述甲基丙烯酸酯选自甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸丁酯中的至少一种。

13、优选的，所述光固化油墨中还包括光引发剂。

14、本发明还提供按照上述制备方法制成的二维微流控芯片。

15、本发明还提供上述二维微流控芯片在精细化工、制备疾病诊断装置、高通量细胞筛选、化学合成条件优化或化学合成产物分筛中的用途。

16、采用本发明的技术方案，能够实现如下有益的技术效果：

17、1、本发明的二维微流控芯片制备方法简单、用时短、成本低廉，且对光源的要求低，可同时兼容传统的掩膜光刻法以及数字光投影光源。

18、2、突破常规3d微流道打印中微流控芯片的流道宽度和流道高度限制，其中流道宽度可以根据光投影的宽度进行定制，流道高度看可以通过两层基底之间设置的格挡垫片的厚度定制；而硬质材料充当微流控芯片的顶部封装层，可以在很大的流道宽高比的情况下，不发生任何流道的坍塌。

19、3、该方法具有良好的适配性，兼容多种商业树脂和自配树脂。根据树脂材料的选择，所制备的微流控芯片可耐thf、dcm、dmf等有机溶剂，流道壁为硬质薄膜，流道芯片整体密封性良好，可承受流道内流体较大流速。

20、4、在优选方案中，本发明方法可成功实现多组分流道壁微流控芯片的快捷定制。

21、5、利用本发明的方法可实现在不同基底上与封装层之间(无机硅玻璃、pmma有机玻璃、ito导电玻璃等)进行个性化光刻，从而满足不同使用基底的使用场合。

22、显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

23、以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

技术特征：

1.一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3还包括：根据组成二维微流控芯片流道壁的材料种类数，重复如下操作至少一次：

3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述两层基底之间设置有格挡垫片，通过所述格挡垫片的厚度实现对流道高度的定制。

4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述流道高度为小于等于20微米。

5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基底的材料是硅烷偶联剂修饰的玻璃、有机玻璃或ito导电玻璃。

6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述光固化油墨采用至少一种（甲基）丙烯酸酯制成。

7.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述甲基丙烯酸酯选自甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸丁酯中的至少一种。

8.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述光固化油墨中还包括光引发剂。

9.按照权利要求1-8任一项所述制备方法制成的二维微流控芯片。

10.权利要求9所述二维微流控芯片在精细化工、制备疾病诊断装置、高通量细胞筛选、化学合成条件优化或化学合成产物分筛中的用途。

技术总结本发明属于光刻技术领域，具体涉及一种基于无掩膜光刻的二维微流控芯片制备方法。本发明制备方法包括如下步骤：将光固化油墨铺展在两层固体硬质基底之间，其中至少一层基底透明；采用数字光投影或者使用光掩模，使光按预先设计的流道图案照射所述光固化油墨，进行区域固化；将未固化的光固化油墨冲走，得到具有设计流道图案的芯片；再次进行光固化，得到二维微流控芯片。本发明的方法具有简单、高效、成本低、光固化油墨和基底的材料可适用范围广、得到的二维微流控芯片密封性好等优势。因此，本发明具有很好的应用前景。技术研发人员：冯文骞,陈兴昊,谢昕剑,李峰受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29