一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法

技术领域

本发明涉及微流控装置技术领域，尤其是一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法。

背景技术

利用聚合物毛细管可制备液滴生成、细胞培养、微混合器等微流控装置，与传统微流控芯片相比，聚合物毛细管微流控装置具有结构简单、成本低、疏水性好等优点，在全微分析系统、数字PCR、体外组织培养、聚合物微球、微胶囊合成、载药制药、化妆品等诸多领域具有广泛的应用前景。

传统微流控芯片主要通过热压键合、等离子键合、超声波键合、粘结剂键合等方式进行封装，对芯片表面平整度要求高，需施加均匀的压力才能保证微流道边界处处密封。其中热压法和超声波法是基于高温高压条件下的分子扩散进行键合封装，微流道易发生变形，影响结构尺寸精度；等离子法是基于材料表面分子结构的活性化，增加粘性，非常依赖昂贵的设备与环境条件，工序复杂，无法实现自动化与大批量生产；粘结剂法是基于化学试剂对芯片表面改性增加粘性，但微流道中易产生粘结剂残留，清洗难度大。另外，以上封装方法只适用于平面结构，且对压力的均匀性要求很高，不能用于对聚合物毛细管装置三维结构的密封。

而基于聚合物毛细管的微流控装置的微流道沿途是天然密封的管道结构，只需要对管道口进行密封，一般多使用溶胶密封的方法。然而对于疏水性较强的聚合物材料，例如聚四氟乙烯具有不粘的物理性质，导致密封强度较低，无法承受较高的内部压力。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，能够增加聚合物毛细管的粘性，实现高强度的三维结构密封。

本发明实施例提供了一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，包括：

超声波清洗：将目标聚合物毛细管置于装有有机溶剂的烧杯中，将所述烧杯封口并置于超声波清洗仪，启动所述超声波清洗仪进行超声波清洗；

真空干燥：将所述超声波清洗后的目标聚合物毛细管放入真空烘箱中进行真空干燥；

表面改性：通过腐蚀液表面改性法或等离子清洗表面改性法对所述真空干燥后的目标聚合物毛细管进行表面改性；

安装固定：根据预设结构对所述表面改性后的目标毛细管进行装配固定，得到微流控装置；

点胶：将胶黏剂点在所述微流控装置的毛细管连接处，通过室温冷却完成密封。

可选地，所述超声波清洗的时间为3分钟至5分钟。

可选地，所述真空干燥的压力为-15KPa至-30KPa。

可选地，所述真空干燥的温度为80℃至200℃。

可选地，所述真空干燥的时间为10分钟至30分钟。

可选地，所述表面改性这一步骤中，腐蚀液表面改性法包括：

将所述真空干燥后的目标聚合物毛细管置于碱性腐蚀溶液进行表面改性；

对所述表面改性后的目标聚合物毛细管进行所述超声波清洗和所述真空干燥。

可选地，所述表面改性这一步骤中，等离子清洗表面改性法包括：

将所述真空干燥后的目标聚合物毛细管置于等离子清洗机中；

抽出所述等离子清洗机中的空气后，向所述等离子清洗机通入活性气体；

启动所述等离子清洗机进行表面改性配合。

可选地，所述点胶这一步骤中，胶黏剂包括环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有机硅、聚氨酯。

本发明实施例提出了一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，通过对聚合物毛细管进行超声波清洗、真空干燥、表面改性、安装固定以及点胶的步骤实现微流控装置的密封安装。本发明通过表面改性技术对聚合物毛细管的外壁进行改性，增加粘性的同时不影响毛细管内部的物理性质，然后利用点胶机将改性的部位进行粘结，实现高强度的三维结构密封。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法的原理示意图；

图3为本发明提供的一种未完全密封的微流控装置的液滴生成效果示意图；

图4为本发明实施例提供的基于聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法制备的微流控装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法制备的微流控装置的液滴生成效果示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为了使本申请内容及技术方案更加清楚明白，对相关术语及含义进行说明：

毛细管：凡内径很细的管子叫“毛细管”。通常指的是内径等于或小于1毫米的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。目前主要应用在医学和建筑材料上。

参照图1，本发明实施例提供了一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，包括：

超声波清洗：将目标聚合物毛细管置于装有有机溶剂的烧杯中，将所述烧杯封口并置于超声波清洗仪，启动所述超声波清洗仪进行超声波清洗；

真空干燥：将所述超声波清洗后的目标聚合物毛细管放入真空烘箱中进行真空干燥；

表面改性：通过腐蚀液表面改性法或等离子清洗表面改性法对所述真空干燥后的目标聚合物毛细管进行表面改性；

安装固定：根据预设结构对所述表面改性后的目标毛细管进行装配固定，得到微流控装置；

点胶：将胶黏剂点在所述微流控装置的毛细管连接处，通过室温冷却完成密封。

可选地，所述超声波清洗的时间为3分钟至5分钟。

可选地，所述真空干燥的压力为-15KPa至-30KPa。

可选地，所述真空干燥的温度为80℃至200℃。

可选地，所述真空干燥的时间为10分钟至30分钟。

可选地，所述表面改性这一步骤中，腐蚀液表面改性法包括：

将所述真空干燥后的目标聚合物毛细管置于碱性腐蚀溶液进行表面改性；

对所述表面改性后的目标聚合物毛细管进行所述超声波清洗和所述真空干燥。

可选地，所述表面改性这一步骤中，等离子清洗表面改性法包括：

将所述真空干燥后的目标聚合物毛细管置于等离子清洗机中；

抽出所述等离子清洗机中的空气后，向所述等离子清洗机通入活性气体；

启动所述等离子清洗机进行表面改性配合。

可选地，所述点胶这一步骤中，胶黏剂包括环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有机硅、聚氨酯。

下面结合说明书附图，对本发明方法的实现原理进行详细说明：

首先需要说明的是，本发明实施例采用的聚合物毛细管材质为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯材料具有化学惰性，无毒、低摩擦系数，半透明，不会和任何化学品起反应的特点，直接点胶的密封强度较低，容易发生漏气，影响液滴生成稳定性，如图2所示，液滴尺寸大小不均，且容易混入空气气泡

参照图3，本发明实施例提供了一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，包括以下步骤：

步骤一：聚合物毛细管清洗；在超声波清洗仪中加水，水中放入烧杯，烧杯中加入有机溶剂(包括酒精、丙酮)，然后将待清洗的聚合物毛细管放入有机溶剂中，用塑料膜盖住烧杯口；启动超声波清洗仪，清洗3～5分钟。

步骤二：干燥；将清洗后的聚合物毛细管放入真空烘箱中，抽真空保持压力为-15～-30KPa，干燥温度为80～200℃，干燥时间10～30min。

需要说明的是，清洗和干燥是聚合物加工的常规前处理工序，目的是清洗表面灰尘及去除水分，防止后续高温环境(点胶)中水汽蒸发产生的气泡影响密封性。真空是为了防止有机溶剂滞留在管道中，加快挥发。所以以上参数根据经验设置，超过一定阈值后没有明显区别。

步骤三：表面改性，增粘

改性方法1：腐蚀液表面改性法

利用碱性的腐蚀溶液，例如萘钠液，将聚合物毛细管的一端用热熔胶密封(防止浸泡是时腐蚀液通过毛细管力进入管道内部)，然后将另一端浸泡在萘钠液中，浸入长度1～2mm，浸泡时间3～5min，使其表面与腐蚀液发生化学反应，增加粘性；然后再重复步骤一(清洗掉反应后的腐蚀液残留)和步骤二(去除水分和管道内残留的有机溶剂)进行清洗和干燥。

需要说明的是，进行表面改性的聚合物毛细管为聚四氟乙烯(PTFE)，化学式为-(CF2-CF2)n-，是结构高度对称的非极性高分子，非极性高分子材料表面无法形成取向力和诱导力，只有较弱的色散力；二是PTFE表面能低，粘合剂无法完全亲润表面；三是C-F键稳定，很难发生高聚物分子扩散和缠结；这是导致不粘的根本原因。因此增粘需要改变其分子结构，如利用强碱性溶液(例如萘钠液)中的极性基团替换掉材料表面的部分氟原子，改变高分子结构极性，因此可以达到增粘效果。一般用于含氟高分子材料改性的脱脂溶剂还包括：三氯乙烯、苯、甲苯、丙酮、甲乙酮、环己酮。其中，萘钠液：金属钠-萘-四氢呋喃的一种腐蚀溶液配方。

改性方法2：等离子清洗表面改性法

将清洗干燥后的聚合物毛细管放入等离子清洗机中，完全抽出空气后通入氧气等活性气体，然后启动等离子清洗机处理30～60s，利用离子撞击聚合物毛细管的外表面，用其他活性原子取代达到增粘效果；最后释放真空并取出样品。

需要说明的是，等离子刻蚀法，是以离子撞断聚四氟乙烯(PTFE)的C-F化学键，然后通入氧气环境，用氧原子与碳原子结合替换掉氟原子，使高分子结构失去对称性，增加粘性。

步骤四：安装固定

将改性的毛细管组件按图3所示结构进行装配，并固定。

步骤五：点胶(防水、化学惰性)密封，固化

利用点胶机将具有防水、防油、化学惰性的胶黏剂(包括环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有机硅、聚氨酯等)点在毛细管连接处，并于室温条件下自然冷却和凝固，完成密封。

在一些实施例中，本发明还提供了一种根据上述方法步骤制备，并将各毛细管按照图4所示结构装配的微流控装置(包括连续相输入毛细管1、离散相输入毛细管2、变径毛细管3、改性增粘区4)，然后利用点胶机将变径毛细管前端开口密封，胶黏剂覆盖改性的区域，确保装置不漏气或漏液，同时也不会对管道内部的样本造成污染。

具体地，采用本发明方法步骤密封安装得到的微流控装置进行微液滴生成：

将连续相毛细管的输入端插入油相样本中，将离散相毛细管的输入端插入水相样本中；

将变径毛细管的输出端连接液滴收集管道的一段，液滴收集管道的另一端连接气压泵；

利用调压阀控制气压泵输出压力为-30KPa，待气压稳定后打开气路截止阀，在负压作用下，油相样本和水相样本同时流入液滴微流控装置，并在双向三通的椭圆切口处交汇，形成同轴聚焦流，生成高通量微液滴；

如图5所示，将收集到的微液滴置于显微镜下进行观察和测量，液滴平均直径为110±3μm。本发明的密封安装方法能够起到较好的密封效果，确保装置不漏气或漏液，使得生成的微液滴尺寸大小均匀，且不会混入气泡。

综上所述，针对疏水性较强的聚合物材料，例如聚四氟乙烯具有不粘的物理性质，导致其制备的微流控装置密封强度较低，无法承受较高的内部压力的问题。本发明实施例提供一种聚合物毛细管微流控装置的密封安装方法，通过表面改性技术对聚合物毛细管的外壁进行改性，增加粘性的同时不影响毛细管内部的物理性质，然后利用点胶机将改性的部位进行粘结，实现高强度的三维结构密封。相较于现有技术，本发明实施例基于聚合物毛细管微流控装置的密封方法具有操作简单、成本低、封装面积小、密封强度高等优点，高的密封强度有助于抵抗内部流体压力，允许通入更大的样本流量，从而实现更快的微液滴生成或样品混合。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。