微流控芯片的三维聚焦功能分析

王时 程丽莹 辛亚会 周煜明 董淑娴 林美玫

摘 要：借助聚二甲基硅氧烷对微流控芯片进行二次倒模，将微流控芯片的制作周期进行缩短，并且大大降低了费用支出，与此同时对微流控芯片进行一系列的测试。通过测试的数据可以看出，微流控芯片的结构具有较强的稳定性，并且可以满足聚焦需求。借助这种方式来制作微流控芯片，有效缩短了芯片的制作周期，减少了费用的支出，提高了工作效率。

关键词：微流控芯片；三维聚焦；功能分析

微流控芯片是目前对MEMS研究的主要部分，借助传统的方式来制作微流控芯片，主要使用平面设计技术来对其进行制作和加工，制作出的样本按照平面的方式来进行排列，但是却无法实现垂直方向的排列。使用SU-8微流控芯片作为样本，将聚二甲基硅氧烷浇注在样本结构中，然后再进行多次的负模、倒模，从而得到多个SU-8微流控芯片。制作的SU-8芯片具有较好的兼容性和光学特征，并且将其进行组合之后，可以用来计算细胞的数量。

1 SU-8微流沟道的设计与制作

1.1 微流沟道的设计

微流体细胞仪借助水的作用力发挥聚焦功能，并且对细胞的数量进行统计，对细胞的种类进行分类，借助3条管道、喷嘴和集中流管道等多部分组成。样品一般从中间的管道进入细胞仪内，鞘流体则从两边的管道进入细胞内，并且在喷嘴口进行按压从而产生聚焦效应，两侧样本的流速与聚焦效果有着直接的关系。对各种不同管道中流体的流速进行控制，并且将流体的宽度进行适当的缩减，并且借助光学检测技术来对细胞的数量进行统计和检测，最后借助激光束来对细胞所产生的一系列反应进行检测，由此来分析和判断细胞的大小和细胞的种类。

为了有效地实现流体的三维聚焦功能，对目标的需求和SU-8微流控芯片技术进行分析。微流沟道结构有3个样品入口，中间的入口为样本的入口，左边和右边的通道为鞘流通道。流体的聚焦处有3个斜面，左边和右边的斜面与底面呈垂直的状态，中间的斜面与底面的角度为45度。中间管道的样本可以从左右两边的通道进入左侧和右侧的斜面，并且借助相互挤压的作用来实现水平聚焦。斜面对流体有一定程度向上抬的作用，因此，中间斜面也可以实现垂直聚焦。

1.2 SU-8微流沟道的制作

第一步：借助SU-8微流控芯片的曝光原理，首先在已经清洗干净的硅片上涂抹一层SU-8的光刻胶，然后进行干燥，之后将甘油涂抹在SU-8光刻胶和模板之间的缝隙处，借助夹子进行固定。将固定好的模具倾斜61.3°放置于去离子水中，侧面进行曝光，从而得到聚焦样本流和鞘流所需要的样品。

第二步：将第一步处理后但未显影的SU-8光刻胶进行二次涂胶，在进行烘干处理之前与第一次曝光的数值进行对比，借助传统的方式来对其进行竖直曝光。SU-8光刻胶进行干燥之后，并且显影，所达到的垂直变迁和微流沟道与SU-8微流沟道结构完全一致。

1.3 SU-8微流沟道的扫描电镜分析

使用上述的方法所制作的SU-8微流沟道對其进行电镜扫描，在电镜设备的帮助下，可以直观地看到微流沟道结构。为了更好地比较二次负模之后聚二甲基硅氧烷的微流沟道结构的变化，对微流沟道不同部位的尺寸进行了系统的测量和统计。

2 聚二甲基硅氧烷微流沟道的制作

2.1 聚二甲基硅氧烷微流沟道的一次倒模

将制作所需要的聚二甲基硅氧烷原料和固化剂按照固定的质量比进行配料，之后放置在干燥箱内进行30分钟的脱泡处理，将原料中的气泡进行完全的处理。然后，将脱泡处理的聚二甲基硅氧烷放置在SU-8的微流沟道中，放入温度为75℃的烘箱中进行90分钟的干燥处理，等所有的原料固化之后，将聚二甲基硅氧烷从SU-8微流沟道上进行分离，从而得到所需的负模结构。

2.2 负模结构的表面处理与二次倒模

借助聚二甲基硅氧烷来对已得到的负模结构进行二次的倒模，在进行脱模时可能会出现撕裂或者粘连的现象，所以此时需要对负模结果进行相应的处理才能进行使用。将轻丙基甲基纤维素与磷酸缓冲液（pH=3）进行混合，作为负模结构的处理液备用。首先，将负模结构防止在混合液中进行30分钟的浸泡处理，然后按照上述方式来进行二次倒模，从而得到所需的聚二甲基硅氧烷微流沟道。经过处理之后的负模结构在进行脱模时不会再出现粘连或者撕裂的现象。

3 聚二甲基硅氧烷微流控芯片的封装与测试

将聚二甲基硅氧烷微流沟道进行封装处理，并且对聚二甲基硅氧烷的封装盖片和聚二甲基硅氧烷微流体正模结构进行功率30W，60s氧等离子体处理，之后，借助聚二甲基硅氧烷预聚物将两者进行结合，然后放置在温度为100摄氏度的干燥箱内烤4小时，从而实现聚二甲基硅氧烷盖片与微流沟道的永久结合。

测试已经键合的聚二甲基硅氧烷微流沟道结构的聚焦、封装效果，测试鞘流为缓冲液，样本流采用标记过异硫氰酸荧光素，当488nm激光激发荧光球颗粒会出现黄色荧光的溶液，这样能更方便观察。首先，在封装好的聚二甲基硅氧烷微流沟道设置3个储液池，然后把连有三针头的毛细管放到储液池中，最后选用NOA73对针头进行封装与固话。

从聚焦的样本流情况可以看出，当鞘流和样本流流进沟道的过程中，没有出现泄漏液体到沟道外的情况出现，并且沟道漏洞畅通、无堵，由此可看出盖片与微流体结构的封装是紧密的。当样本流流动到斜坡时出现了相应的聚焦效果，而在出口的沟道上样本流聚焦成绿线一条，这也正是带有荧光微球聚焦的样本流情况。

4 结语

为了真正意义上实现三维立体方向的流体聚焦，借助倾斜曝光技术和光科技术制作了SU-8微流沟道，并且进行了二次倒模，最后将值得的沟道进行封装和检测，发现该芯片具有较强的稳定性，可以同时满足多种流体聚焦的检测，从而实现细胞的分类和统计。

参考文献

[1]杨静，杨军，许蓉，等.一种微流控细胞分离芯片及其流场分析[J].仪器仪表学报，2009，30（7）：1508-1511.

[2]刘冲，梁勇，李经民，等.微流控芯片操作机器人碰撞保护装置的设计[J].光学精密工程，2009，17（1）：138-144.

（作者单位：山东科技大学）