基于三维微结构的微流控芯片

张守坤　高易凡　刘侃

摘要：微流控领域自二十世纪末诞生以来，凭借其高效率、低消耗的技术优势，在生命科学、化学合成和环境监测等领域显示出了巨大的应用前景。为了改良微流控芯片的进一步作用，使得优势更加明显，对微流控芯片沟道内表面进行改造，在沟道的内表面构筑一些纳米结构。该文研究的主要内容是在有抗腐蚀涂层的情况下，玻璃刻蚀液对玻璃在不同的时间下所刻蚀出的三维结构的区别，即纳米结构的尺寸差异。不同尺寸的纳米结构对细胞的富集能力不同，找出最适合的三维结构并制作出微流控芯片。结果表明在有纳米结构修饰比没有纳米结构修饰的微流控芯片对细胞富集效率高。

关键词：三维微结构；纳米颗粒涂层；细胞富集；微流控芯片

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0204-02

Microfluidic Chip Based on Three Dimensional Microstructure

ZHANG Shou-kun 1，GAO Yi-fan 2，LIU Kan *

（Wuhan Textile University， Wuhan 430200，China）

Abstract：Since its birth in the last century， microfluidics has shown great application prospects in life sciences， chemical synthesis and environmental monitoring， because of its high efficiency and low consumption technology advantages. In order to improve the further role of microfluidic chip and make the advantage more obvious， we reconstruct the inner surface of microfluidic chip and build some nanostructures on the inner surface of the channel. The main content of this paper is the difference between the three dimensional structures etched by glass etch on glass at different time under the condition of corrosion resistant coating， that is， the size difference of nanostructures. Different sizes of nanostructures have different ability to enrich the cells， find the most suitable three-dimensional structure and make microfluidic chips. The results show that the microfluidic chip with nano structure modification is more efficient than the microchip without nano structure modification.

Key words：three dimensional microstructures； nano particle coating； cell enrichment； microfluidic chip

微流控分析芯片最初只是作為纳米技术革命的一个补充，在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后，最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”（lab-on-a-chip），在欧洲被称为“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速发展。可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。有着体积轻巧、使用样品及试剂量少，且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点的微流控芯片，在生物、化学、医学等领域有着的巨大潜力，近年来已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。为了满足微流控芯片在不同场合下应用，显示出微流控已有的技术优势和能够使用不同环境的能力，需要对微流控芯片的沟道进行一些改造，能够满足设计要求。目前在微通道表面上制造纳米结构的微纳加工技术主要有湿法刻蚀、干法刻蚀技术、光刻法、LIGA技术等。

1 TiO2悬浮液的制备

1） 将40ml无水乙醇加入到体积为250ml的锥形瓶中，然后用移液枪分别吸取435ul去离子水和148ul甲胺（CH3NH2）滴加到锥形瓶中，室温下进行磁力搅拌30min，再在磁力搅拌下缓慢加入40ml乙腈（C2H3N），得到甲溶液；

2） 将20ml无水乙醇加入到体积为100ml的烧杯中，然后用移液枪吸取2.14ml异丙醇钛（TTIP），并缓慢加入到烧杯中，均匀搅拌，得到乙溶液；

3） 将乙溶液缓慢滴加到含有甲溶液的锥形瓶中，滴加完成后，先将锥形瓶放置在通风橱中磁力搅拌3h，再静置4天至沉淀完全，去除上清液，得到下层沉淀物，将下层沉淀物均匀分散在30ml无水乙醇中，得到分散液；

4） 将分散液倒入2个体积为15ml的离心管中，2个离心管中液体的体积均为15ml，并将2个离心管对称放入离心机中，以1000r/min的转速离心5min，然后将2个离心管的上清液倒掉3ml上清液，加入3ml无水乙醇，并保持两个离心管中液体的体积均为15ml，继续以1000r/min的转速离心5min，如此反复三次，离心完成后过滤，将滤饼重新分散在30ml无水乙醇中，再用超声仪超声分散30min，得到含有球型TiO2微纳米粒子的悬浮液。endprint

2 三维微结构的制备与表征

1） 取一片光学玻璃片（面积：25*75mm2），然后将光学玻璃片超声清洗干净，吹干，再将TiO2微纳米粒子的悬浮液（TiO2微纳米粒子的直径为0.5～1um，TiO2悬浮液的质量百分浓度为0.5%）喷涂在光学玻璃片的一表面上，将光学玻璃片在25℃下晾10min进行干燥处理，从而使光学玻璃片的表面上沉积有TiO2微米粒子涂层；

2） 将光学玻璃片浸泡在刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀速率为1um/min，刻蚀不同的時间，刻蚀液为硝酸和氢氟酸的混合溶液，其中硝酸的质量百分比浓度为10%，氢氟酸的质量百分比浓度为11.56%，刻蚀完成后将光学玻璃片超声清洗80min，超声频率为45KHz，功率为600w，得到表面具有三维凹陷微结构的光学玻璃片。

3 细胞富集实验

1） 将刻蚀15min有三维结构修饰的刻蚀表面及光滑表面用紫外光照射3-5h，然后将体积为0.5mL （细胞数量大约为0.1× 105个）的乳腺癌细胞悬浮液均匀滴加到两个矩形面上，再将玻璃片放入二氧化碳培养箱（37℃，5%CO2）中孵化，孵化时间2～3h，乳腺癌细胞均匀附着在玻璃片表面上，通过注射泵使PBS（磷酸缓冲盐溶液）水平地向小块玻璃片的两个相邻矩形面以300 uL/min的流速同时进行注射，时间为5min，倒置光学显微镜的10倍镜视野固定。

2） 注射PBS（磷酸缓冲盐溶液）前（即捕获细胞前），乳腺癌细胞在光滑表面和刻蚀表面的数量分别为84和79个；注射PBS（磷酸缓冲盐溶液）后（即捕获细胞后），乳腺癌细胞在刻蚀表面和光滑表面上的数量分别为51和70个。由公式富集效率=冲洗细胞之后的残留细胞数/冲洗细胞之前的细胞数可知，光滑表面和刻蚀表面的细胞效率分别为60.7%和88.6%。

实验结果表明，在经过三维结构修饰的表面对细胞的富集效率明显优于没有经过任何处理的表面的细胞富集效率。这个实验结构表明可以将此三维结构用于构造微流控芯片，用于提高微流控芯片对细胞的捕获效率。

4 微流控芯片的制作

将两片光学玻璃（75*25mm2）中其中一片按照设计要求雕刻出相应的沟道，洗净在烘箱中（80℃）干燥，将没有沟道的部分进行掩膜，防止在进行三维结构修饰过程中被刻蚀损坏。对没有掩膜区域进行TiO2悬浮液喷涂，在室温下等待喷涂涂层干燥之后，放入刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀15min之后，将两片玻璃片中放入清洗液中超声清洗10min之后，放入丙酮溶液中超声清洗30min，洗净之后，将两片玻璃键合，然后进行烧结，即得到有三维结构修饰内表面的微流控芯片。

5 总结

微流控芯片作为本世纪可以改变未来的科技领域之一，在过去的日子里，微流控器具凭借其一系列优势，在生命科学等领域已经显示了应用前景。在设备小型化、高集成度和便携化越来越高的情况下，另外一个与微流控技术相关却一直未能克服的障碍，是“设备尺寸缩小而存在的效益递减临界点问题”系统缩小到微米甚至纳米级的尺度范围，与之结合的设备成为一个主要问题。加工手段需要变得更加方便容易，不需要太高的制造成本，是微流器件制造发展的方向。

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