一种微流体离子源芯片及其制备方法

申请号 CN201610149298.1 申请日 2016-03-16 公开(公告)号 CN105797791A 公开(公告)日 2016-07-27
申请人 清华大学深圳研究生院; 发明人 钱翔; 于赐龙; 王晓浩; 余泉; 倪凯;
摘要 本 发明 公开了微 流体 离子源芯片及及其制备方法,微流体离子源芯片包括离散相层、第一连续相层和喷雾口,离散相层包括离散相储存池和离散相流道,第一连续相层包括第一连续相储存池和第一连续相流道,第一连续相流道始于第一连续相储存池并于设定 位置 分成两条第一连续相流道支路,两条第一连续相流道支路汇合于喷雾口,离散相流道连通离散相储存池和喷雾口,离散相流道位于两条第一连续相流道支路之间。本方法制备的超音速自动进样微流体离子源芯片使得连续相在喷雾口形成 负压 ,实现样品的自动进样和 离子化 功能。超音速自动进样微流体离子源芯片可以应用在喷墨打印、 生物 制药、微 纤维 纺丝、质谱仪等需要自动进样喷雾的领域。
权利要求

1.一种微流体离子源芯片,其特征是,包括离散相层、第一连续相层和喷雾口,所述离散相层包括离散相储存池和离散相流道,所述第一连续相层包括第一连续相储存池和第一连续相流道,所述第一连续相流道始于所述第一连续相储存池并于设定位置分成两条第一连续相流道支路,所述两条第一连续相流道支路汇合于所述喷雾口,所述离散相流道连通所述离散相储存池和喷雾口,所述离散相流道位于两条第一连续相流道支路之间。
2.如权利要求1所述的微流体离子源芯片,其特征是,还包括第二连续相层,所述离散相层在所述第一连续相层和第二连续相层之间,所述第二连续相层包括第二连续相储存池和第二连续相流道,所述第二连续相流道始于所述第二连续相储存池并于设定位置分成两条第二连续相流道支路,所述两条第二连续相流道支路汇合于所述喷雾口。
3.如权利要求2所述的微流体离子源芯片,其特征是,所述离散相流道的出口位于所述喷雾口的中间。
4.如权利要求2所述的微流体离子源芯片,其特征是,所述第一连续相流道和第二连续相流道用于通过连续相流体以使所述离散相流道的出口产生负压
5.如权利要求1所述的微流体离子源芯片,其特征是,还包括凸台层,所述第一连续相层位于所述凸台层与离散相层之间。
6.如权利要求2所述的微流体离子源芯片,其特征是,所述离散相层包括多条离散相流道,所述第一连续相层包括多条第一连续相流道。
7.一种微流体离子源芯片制备方法,其特征是,包括如下步骤:
S1、在第一基片上形成第一光刻胶层,将离散相层掩膜板放在所述第一光刻胶层上,朝所述离散相层掩膜板曝光;其中,所述离散相层掩膜板具有与离散相层的离散相储存池、离散相流道、离散相层标记、以及喷雾口的位于离散相层高度的部分对应的透光图案;
S2、将所述离散相层掩膜板移除,在所述第一光刻胶层上形成第二光刻胶层,将连续相层掩膜板放在所述第二光刻胶层上,将连续相层掩膜板的连续相层标记与所述离散相层标记对齐,朝所述连续相层掩膜板曝光,将所述连续相层掩膜板移除;其中,所述连续相层掩膜板具有与连续相层的连续相储存池、连续相流道、连续相层标记以及喷雾口的位于连续相层高度部分对应的透光图案;
S3、将第一基片、离散相层和连续相层浸入显影液中,使所述第一光刻胶层和第二光刻胶层上的与透光图案对应的部分被刻蚀并留下未刻蚀部分;
S4、向第一光刻胶层和第二光刻胶层的刻蚀部分注入高聚物并使高聚物固化,使固化的第一高聚物与未刻蚀部分分离。
8.如权利要求7所述的微流体离子源芯片制备方法,其特征是,还包括如下步骤:
S5、在第二基片上形成第三光刻胶层,将连续相层掩膜板放在所述第三光刻胶层上,朝所述连续相层掩膜板曝光;其中,所述连续相层掩膜板具有与连续相层的连续相储存池、连续相流道、以及喷雾口的位于连续相层高度部分对应的透光图案;
S6、将所述连续相层掩膜板移除,将第二基片和第二连续相层浸入显影液中,使所述第三光刻胶层上的与透光图案对应的部分被刻蚀并留下未刻蚀部分;
S7、向第三光刻胶层的刻蚀部分注入高聚物并使高聚物固化,使固化的第二高聚物与未刻蚀部分分离;
S8、将所述第一高聚物和第二高聚物键合得到微流体离子源芯片。
9.如权利要求7所述的微流体离子源芯片制备方法,其特征是,在步骤S2和步骤S3之间还包括如下步骤:
在所述第二光刻胶层上形成第四光刻胶层,将凸台层掩膜板放在所述第四光刻胶层上,将所述凸台层掩膜板的凸台层标记与连续相层标记对齐,朝所述凸台层掩膜板曝光,并将所述凸台层掩膜板移除。
10.如权利要求8所述的微流体离子源芯片制备方法,其特征是,对所述微流体离子源芯片进行烘烤

说明书全文

一种微流体离子源芯片及其制备方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种微流体离子源芯片及其制备方法。【背景技术】
[0002] 微流体芯片特别是具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点的集成微流体芯片,已经在化学和生物学等领域发挥着重要的作用。与宏观尺度的实验装置相比,这一技术显著降低了样品的消耗量,提高了反应效率。同时也降低了实验产生废物对环境的污染;集成微流体芯片操作的并行优势可以实现实验的高通量、自动化控制;并且可以通过微等微细结构进行精确控制。这使得微流体芯片在分析领域中具有不可替代的优势。
[0003] 质谱分析是测量离子质荷比的一种分析方法,其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离,生成不同质荷比的带正电荷的离子,经加速电场的作用,形成离子束,进入质量分析器,利用电场和磁场使离子发生偏转,将它们分别聚焦得到质谱图,从而确定其质量。质谱仪正是应用这种原理对未知物质进行分析的仪器。电喷雾质谱(Electrospray Ion-Mass Spectrometer,ESI-MS)联用比较早就应用于物质分析领域,然而在质谱仪具有高灵敏度这一优点的同时,其对离子源的要求往往也很高。传统的喷雾针离子源需要对样品在其他平台上进行前处理,存在样品消耗量大、分离效率与传输效率不高等问题。联用质谱的微流体电喷雾离子源应运而生,微流体芯片可以集成样品的前处理、预分离、电喷雾等功能,大大提高了检测的灵敏度,降低样品的消耗量。
[0004] 研究中报道的具有较好电喷雾效果的微流体芯片多采用石英、玻璃材料。另一种常用材料是高聚物聚二甲基烷(polydimethylsiloxane,PDMS),采用它要得到好的电喷雾效果则比较困难。但是它相对前两种材料成本低很多,制作工艺简单,制作时间短,可批量制作,所以对这种材料进行工艺上的创新研究具有很大的意义和价值。一种好的微流体芯片的结构、材料和制备方法,都能在成本和结构稳定性上给分析系统带来很大的帮助。
[0005] 由于目前与质谱联用的基于PDMS的微流体芯片需要在微米级别的流道两边进行切割形成喷雾尖端,这给微流体芯片的加工制作带来了巨大的切割困难。目前用于质谱联用的微流体芯片离子源只有液路流道的设计,缺少气路辅助雾化的功能;而且,与质谱联用的微流体芯片离子源都需要施加高电压实现样品离子化,同时还需要液体驱动装置实现液体样品的进样,这些缺点致使质谱联用微流体芯片的小型化发展严重受限。【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足,本发明提出了一种能够实现超音速自动进样的微流体离子源芯片。
[0007] 一种微流体离子源芯片,包括离散相层、第一连续相层和喷雾口,所述离散相层包括离散相储存池和离散相流道,所述第一连续相层包括第一连续相储存池和第一连续相流道,所述第一连续相流道始于所述第一连续相储存池并于设定位置分成两条第一连续相流道支路,所述两条第一连续相流道支路汇合于所述喷雾口,所述离散相流道连通所述离散相储存池和喷雾口,所述离散相流道位于两条第一连续相流道支路之间。
[0008] 优选地,还包括第二连续相层,所述离散相层在所述第一连续相层和第二连续相层之间,所述第二连续相层包括第二连续相储存池和第二连续相流道,所述第二连续相流道始于所述第二连续相储存池并于设定位置分成两条第二连续相流道支路,所述两条第二连续相流道支路汇合于所述喷雾口。
[0009] 优选地,所述离散相流道的出口位于所述喷雾口的中间。
[0010] 优选地,所述第一连续相流道和第二连续相流道用于通过连续相流体以使所述离散相流道的出口产生负压
[0011] 优选地,还包括凸台层,所述第一连续相层位于所述凸台层与离散相层之间。
[0012] 优选地,所述离散相层包括多条离散相流道,所述第一连续相层包括多条第一连续相流道。
[0013] 本发明还提出了一种微流体离子源芯片制备方法,包括如下步骤:
[0014] S1、在第一基片上形成第一光刻胶层,将离散相层掩膜板放在所述第一光刻胶层上,朝所述离散相层掩膜板曝光;其中,所述离散相层掩膜板具有与离散相层的离散相储存池、离散相流道、离散相层标记、以及喷雾口的位于离散相层高度的部分对应的透光图案;
[0015] S2、将所述离散相层掩膜板移除,在所述第一光刻胶层上形成第二光刻胶层,将连续相层掩膜板放在所述第二光刻胶层上,将连续相层掩膜板的连续相层标记与所述离散相层标记对齐,朝所述连续相层掩膜板曝光,将所述连续相层掩膜板移除;其中,所述连续相层掩膜板具有与连续相层的连续相储存池、连续相流道、连续相层标记以及喷雾口的位于连续相层高度部分对应的透光图案;
[0016] S3、将第一基片、离散相层和连续相层浸入显影液中,使所述第一光刻胶层和第二光刻胶层上的与透光图案对应的部分被刻蚀并留下未刻蚀部分;
[0017] S4、向第一光刻胶层和第二光刻胶层的刻蚀部分注入高聚物并使高聚物固化,使固化的第一高聚物与未刻蚀部分分离。
[0018] 优选地,还包括如下步骤:
[0019] S5、在第二基片上形成第三光刻胶层,将连续相层掩膜板放在所述第三光刻胶层上,朝所述连续相层掩膜板曝光;其中,所述连续相层掩膜板具有与连续相层的连续相储存池、连续相流道、以及喷雾口的位于连续相层高度部分对应的透光图案;
[0020] S6、将所述连续相层掩膜板移除,将第二基片和第二连续相层浸入显影液中,使所述第三光刻胶层上的与透光图案对应的部分被刻蚀并留下未刻蚀部分;
[0021] S7、向第三光刻胶层的刻蚀部分注入高聚物并使高聚物固化,使固化的第二高聚物与未刻蚀部分分离;
[0022] S8、将所述第一高聚物和第二高聚物键合得到微流体离子源芯片。
[0023] 优选地,在步骤S2和步骤S3之间还包括如下步骤:
[0024] 在所述第二光刻胶层上形成第四光刻胶层,将凸台层掩膜板放在所述第四光刻胶层上,将所述凸台层掩膜板的凸台层标记与连续相层标记对齐,朝所述凸台层掩膜板曝光,并将所述凸台层掩膜板移除。
[0025] 优选地,对所述微流体离子源芯片进行烘烤
[0026] 本超音速自动进样微流体离子源芯片,其喷雾口(尖端)在结构设计上就已经形成,而且通过凸台层形成的切割边缘,很容易切割制作。此微流体离子源芯片不仅引入了气路的辅助雾化功能,而且可以实现在不施加高电压的条件下实现样品的离子化,在无液体样品驱动装置的驱动下实现液体样品的自动进样,对于质谱仪的小型化发展具有重要的推动作用。本超音速自动进样微流体离子源芯片,用作为质谱联用的离子源,可以在不给样品施加高压的条件下产生电喷雾,也可以在施加高压的条件下产生电喷雾,使样品离子化。【附图说明】
[0027] 图1示出了本发明微流芯片制备方法的主要流程图
[0028] 图2示出了本发明一种实施例的离散相层掩膜板示意图
[0029] 图3示出了本发明一种实施例的连续相层掩膜板示意图
[0030] 图4示出了本发明一种实施例的凸台层掩膜板示意图
[0031] 图5示出了本发明一种实施例的喷雾口示意图
[0032] 图6示出了图1中多次甩胶、曝光的具体过程示意图
[0033] 图7示出了切割前的PDMS结构层俯视示意图
[0034] 图8示出了切割后的PDMS结构层俯视示意图
[0035] 图9示出了切割前的PDMS衬底层俯视示意图
[0036] 图10示出了切割后的PDMS衬底层俯视示意图
[0037] 图11示出了键合后的整体PDMS芯片俯视示意图以及侧向切面图
[0038] 图12示出了超音速自动进样微流体离子源芯片与质谱仪联用示意图[0039] 硅基片100,掩膜板101,光刻胶102,PDMS103,载玻片104,PDMS衬底105,离散相层掩膜板201,连续相层掩膜板202,凸台层掩膜板203,喷雾口204,离散相储液池205,离散相流道206,连续相储液池207,连续相流道208,微流体离子源芯片外轮廓线209,标记结构210,喷嘴出口211,光刻胶300、301、302、303,PDMS结构层401,切割后PDMS结构层402,PDMS结构层喷雾口204三维立体图403,PDMS衬底层404,切割后PDMS衬底层405,PDMS衬底层喷雾口204三维立体图406,微流体离子源芯片切割线407,完整超音速自动进样微流体离子源芯片俯视图500,完整超音速自动进样微流体离子源芯片A-A截面图501,质谱仪进样口600【具体实施方式】
[0040] 下述本发明实施方式中描述的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明,而不构成对本发明范围的限制。以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。
[0041] 如图8、10和11所示,一种微流体离子源芯片500,包括键合在一起的高聚物PDMS结构层402和高聚物PDMS衬底层405、以及在高聚物PDMS结构层402和高聚物PDMS衬底层405上形成的喷雾口。
[0042] 高聚物PDMS结构层从下到上依次包括:离散相层、连续相层和凸台层,离散相层包括离散相储存池205和离散相流道206,连续相层包括连续相储存池207和连续相流道208,连续相流道208始于连续相储存池207并于设定位置分成两条连续相流道支2081、2082,两条第一连续相流道支路2081、2082汇合于喷雾口(即重新汇合成一条连续相流道208,如图1的AA剖面图所示),离散相流道206连通离散相储存池205和喷雾口,在平方向上,离散相流道位于两条第一连续相流道支路2081、2082之间。在一个实施例中,离散相储存池205的直径2mm,离散相流道206宽40μm,为短直流道,以减小流道阻,连续相储存池207直径2mm,连续相流道208与连续相储存池207连接的地方宽200μm,喷嘴出口211宽140μm,连续相流道208与离散相流道206前端之间的壁面宽度为30μm。在一个实施例中,连续相流道208对称分布于离散相流道206两侧,保证了芯片核心结构的实现。高聚物可以是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)。凸台层主要用来形成喷嘴出口的切割边缘,以防止切割时对喷嘴造成的破坏。
[0043] 所述连续相流道208在离散相流道206前端与离散相流道206平行,离散相流道206前端与喷嘴出口211之间的长度在0-0.5mm范围内,优选长度在0.05-0.2mm之间,由离散相流道206与连续相流道208所形成的喷雾口204直接从光刻胶形成的模具中脱模成型,而非切割修整所得。所述离散相流道206与连续相流道208可以是交错分布的多通道模式,在一个微流体离子源芯片内,实现多流道的自动进样。
[0044] 高聚物PDMS衬底层405从下到上依次可以包括:离散相层、连续相层和凸台层,或者优选地,高聚物PDMS衬底层405从下到上依次可以包括:连续相层和凸台层。高聚物PDMS衬底层405的离散相层和连续相层分别与高聚物PDMS结构层402的离散相层和连续相层相同。如图1所示,高聚物PDMS结构层402的离散相层和高聚物PDMS衬底层405的连续相层贴紧而键合后,在微流体离子源芯片500的厚度方向上,离散相流道206位于高聚物PDMS结构层402的连续相流道208与高聚物PDMS衬底层405的连续相流道208之间。
[0045] 连续相储存池207可以用来作为高速气体的气源(例如从外部引入的气体接入连续相储存池207),气体从连续相储存池207喷出经过连续相流道208从喷雾口喷出,离散相储存池205可以用来作为液体样品的液源,连续相流道208的高速气流使得离散相储存池205与离散相流道206的出口(位于喷雾口一端)之间形成压差,离散相流道206的出口出现负压,离散相储存池205内的液体在压差的驱动下,自动从喷雾口喷出,在适当的条件下,可以实现超音速进样。离散相流道206的出口恰好位于喷雾口的中间以及连续相流道208相交处,从而保证了离散相从离散相流道(206)中流出后,恰好被连续相流道208中的连续相包裹悬空喷出。
[0046] 如图1所示,一种微流体离子源芯片的制备方法,其基本过程如下:制作掩膜板101,其后的步骤如下:步骤①甩光刻胶102——步骤②曝光——步骤③显影成模——步骤④混合PDMS倾倒入模——步骤⑤固化剥离、切——步骤⑥键合。
[0047] 如图2至4所示,离散相层掩膜板201用于最底层光刻胶的曝光,用来定义形成离散相层,含有与离散相储存(储液)池205、离散相流道206、离散相层标记210、以及喷雾口的位于离散相层高度的部分对应的透光图案,其余黑色部分为不透光部分;连续相层掩膜板202用于上层光刻胶的曝光,用来定义形成连续相层,主要包含与连续相储存(储液)池207、连续相流道208、连续相层标记210、微流体离子源芯片外轮廓线209、连续相层标记210以及喷雾口的位于连续相层高度部分对应的透光图案。凸台层掩膜板203用于最后一层光刻胶的曝光,用来定义形成凸台层,主要包含微流体离子源芯片外轮廓线209和凸台层标记210。掩膜板均含有标记结构210,它们用于确保在两次曝光过程中,不同的两块掩膜板都能与硅基片100按相同的相对位置对齐。
[0048] 如图2至11所示,在更为具体的实施例中,高聚物PDMS结构层402的制备方法包括如下步骤:
[0049] S1、在基片硅片晶圆100上通过甩胶形成第一光刻胶层300。
[0050] 光刻胶采用SU-8胶,它是一种负性、近紫外线光刻胶,即紫外线照射部分会产生交联反应,显影过程会保留下来,形成空间上与芯片沟道恰好互补的结构,它适于制超厚、高深宽比的微结构。
[0051] 甩胶过程包括三个步骤:烘干、甩胶、前烘。将3寸硅片晶圆100放于氧等离子机中,打上等离子;随后将硅片晶圆100固定在匀胶机的真空吸盘上,用滴管将适量稀薄状SU-8胶滴在晶圆中心,以转速2500转/分钟甩胶30秒;转至热板上以65℃烘5分钟后再以95℃烘10分钟,完成前烘,空冷至室温。匀胶机可以较快旋转速度在硅基片100上将稀薄状液体SU-8光刻胶甩到一个比较薄的厚度,而略微降低匀胶机旋转速度,可以增加光刻胶(301)的厚度。
[0052] S2、将离散相层掩膜板201放在第一光刻胶层300上,朝所述离散相层掩膜板201曝光。
[0053] 曝光过程包括两个步骤:曝光、后烘。将前烘空冷后的硅片晶圆100放入紫外线光刻机的硅片台上,将离散相层掩膜板201轻轻贴放于第一光刻胶300上,保持硅片晶圆100与离散相层掩膜板201大致对中,卡紧后设置曝光时间为18秒,开始曝光;完成后小心将硅片晶圆100转至热板上,以65℃烘15分钟后再以95℃烘10分钟,完成后烘过程。
[0054] S3、将所述离散相层掩膜板201移除,在所述第一光刻胶层300上形成第二光刻胶层301,将连续相层掩膜板202放在所述第二光刻胶层301上,将连续相层掩膜板202的连续相层标记210与所述离散相层标记210对齐,朝所述连续相层掩膜板210曝光,将所述连续相层掩膜板210移除。
[0055] S4、在第二光刻胶层301形成第三光刻胶层,将凸台层层掩膜板203放在所述第三光刻胶层上,朝所述凸台层层掩膜板203曝光。
[0056] 如图6所示,离散相层掩膜板201对应的制作只完成一次甩胶、曝光过程,连续相层掩膜板202对应的制作过程完成一次或多次甩胶、曝光过程。凸台层掩膜板203对应的制作过程也完成一次或多次甩胶、曝光过程。这样使得连续相流道208的厚度厚约160μm远大于离散相流道206厚度(厚约30μm),从而有利于离散相从离散相流道206流出后悬浮于连续相中,而不与流道壁面接触
[0057] S5、将凸台层层掩膜板203移除,将基片硅片晶圆100连同上面的光刻胶浸入显影液中进行显影,使光刻胶层上的与透光图案对应的部分被刻蚀并留下未刻蚀部分,形成PMDS模。
[0058] 显影过程具体如下:将冷却的硅片晶圆100转移到盛有显影液的大培养皿中,保证显影液能完全浸没硅片,显影5分钟后取出,用乙醇冲洗干净。
[0059] S6、将PDMS混合物倒入PDMS模中,固化脱模后,在此硅片晶圆100上成型的PDMS结构作为PDMS结构层401,用刀片沿着微流体离子源芯片外轮廓线209形成的切割边缘进行切割,得到切割后的PDMS结构层402。其中,PDMS混合物中的固化剂与PDMS的比例分别以1:5和1:10两种比例混合,两种混合比例分别用于成型上下两片PDMS,以提高两片PDMS的键合力度。混合完成的PDMS聚合物倾倒入培养皿中,培养皿底部已预先放入覆有曝光过的光刻胶的硅基片100,固化之后从硅基片100上剥离PDMS。固化后的PDMS103是以培养皿内径为直径的透明圆形胶体401,厚度约1~1.5cm。
[0060] 在优选的实施例中,高聚物PDMS衬底层405从下到上依次可以包括:连续相层和凸台层,其制备过程与高聚物PDMS结构层402大体一致,如图9所示是在硅片晶圆形成的高聚物PDMS衬底层44,然后进行切割得到如图10所示的高聚物PDMS衬底层405。
[0061] 在显微镜下,用刀片沿微流体离子源芯片外轮廓线209进行切割,得到切割后PDMS结构层402和切割后PDMS衬底层405,由于所设计微流体离子源芯片,无需通过切割来形成喷雾尖端,所以很容易完成芯片切割制作。然后将两片PDMS在显微镜下对齐,键合形成一块完整的超音速自动进样微流体离子源芯片,如图11所示。沿着所设计芯片外轮廓线209进行切割之后,在其中一片PDMS聚合物储液池上面打孔。
[0062] 根据本发明的制备方法,将最终制得的超音速自动进样微流体离子源芯片放置在烘箱中,80℃烘烤24小时,或者更长时间。
[0063] 本实施例中的PDMS芯片的整个制作过程如上所述,制备方法也在本实施例进行了体现。本实施例中的超音速自动进样微流体离子源芯片主要用来实现样品的自动进样离子化,供质谱仪进行检测,微芯片与质谱仪联用示意图如图12所示。所述离散相在本实施例中为液体样品,所述连续相在本实施例中为气体。液体样品从超音速自动进样微流体离子源芯片喷出后,经质谱仪进样口600进入质谱仪进行样品分析。所述超音速自动进样微流体离子源芯片可以应用在喷墨打印、生物制药、微纤维纺丝、质谱仪等需要自动进样喷雾的领域。
[0064] 以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。例如,本发明不限于使用两块掩膜版。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
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