[发明专利]真三维高集成度温控微反应器及其加工方法

说明书

本发明属于光学微加工技术领域，具体涉及真三维高集成度温控微反应器及其加工方法，目的在于解决现有温控微反应器在制备方法、器件结构和控温方式方面所存在的问题。本发明采用飞秒激光湿法刻蚀结合金属微固化工艺制得的真三维高集成度温控微反应器包括设在玻璃芯片内的微直通道和包围在直通道外围的螺旋形金属微线圈。将温控微反应器的反应单元和加热单元集成在一块玻璃芯片中，集成度大大提高；并且由于加热单元包围在反应单元外围，使得微反应器中的温度分布更加均匀，节省了反应时间、提高了反应效率与成功率；通过控制微线圈两端通电电流的大小来实现对微反应器内流体温度的控制，控温方式简单。

技术领域

本发明属于光学微加工技术领域，具体涉及一种真三维高集成度温控微反应器及其加工方法。

背景技术

近年来，随着微纳制造技术的发展，设备的微型化已成为一个重要的发展方向。而微流控芯片作为一种在面积几平方厘米的芯片上构建的被用于操作、传输微升至毫微升量级流体的化学或生物实验室，有着使生化分析设备微型化、集成化、自动化以及便携化的功能，在未来的设备微型化发展中将有广泛的应用前景。

运用微加工技术制作的微反应器具有微米级的反应空间。尺寸的减小也减少了反应试剂的消耗量，同时加速了反应动力学过程，可同时实现多种功能的集成，使其性能超过传统宏观微反应器。

而在微反应器中，对温度的准确、快速控制具有重要的意义。例如目前生化分析中广泛采用的体外核酸(DNA)扩增技术——聚合酶链式反应(PolymeraseChainReaction,PCR)，就是利用DNA在体外高温(95℃左右)时变性为单链，低温(经常是60℃左右)时引物与单链结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶就沿着磷酸到五碳糖的方向延伸合成互补链，从而复制出新的DNA分子。由此可见，在聚合酶链式反应中能够实现对温度的准确、快速控制就显得非常重要。除此之外，体外细胞培养、环氧化反应、免疫反应、细胞裂解等生物化学反应的发生也都依赖于对反应器温度的控制。所以，研究制备一种可对温度进行精确、快速控制且结构简单、易于制备的微反应器至关重要。

然而目前的温控微反应器普遍在制作方法、器件结构以及控温方式等方面存在一些问题。制作方法主要包括软光刻技术、热压法、注塑法和激光烧灼法等传统方法以及3D打印等新兴手段，这些方法有工艺复杂、加工柔性低等问题；此外，目前的PCR芯片在结构上实质为分离器件，集成度较低；微反应器中温度也无法做到均匀分布，且控温方式较为复杂。

如图1所示，Martin U.Kopp等人于1998年发表在science杂志上的一篇文章中所述的一种PCR芯片结构，通过恒温封装的铜块与散热器来保证三个反应温度的准确提供，通过光刻技术将表面刻蚀有凹槽的熔融石英与盖板进行封装实现所设计反应流道的制备。他们首次提出了连续流动式的PCR芯片制备方法，将PCR扩增的速率大大提高，为PCR芯片技术的发展奠定了基础。但是图示PCR芯片的温度控制依赖于PID算法，控温过程较为复杂；且各温度区域内的反应流道中存在温度梯度，无法做到均匀加热；而且尺寸较大(都在厘米量级)难于真正集成到较小的MEMS器件中。

发明内容

本发明的目的在于解决现有温控微反应器在制备方法、器件结构和控温方式方面所存在的问题，而提出一种真三维高集成度温控微反应器及其加工方法。

本发明的基本构思是：采用飞秒激光湿法刻蚀工艺与金属微固化工艺相结合的加工方法，将真三维的微线圈与微流道进行集成，通过控制微线圈两端通电电流的大小来实现对微流道内流体温度的控制。

为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：一种真三维高集成度温控微反应器，其特殊之处在于：包括玻璃芯片和设置在玻璃芯片内的反应单元和加热单元，所述反应单元为至少一个微直通道，加热单元为包围在微直通道外围的至少一个螺旋形金属微线圈。

进一步地，所述反应单元包括一个微直通道，加热单元为包围在该微直通道外围的多个螺旋形金属微线圈。