专利名称：一种基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微加工、微流体样品检测技术领域，特别涉及一种基于数字微镜器件(DMD)的微流控芯片快速加工与微流体样品实时检测的新型实验装置。
背景技术：
微流控芯片自出现以来在分析化学、系统生物学、生物物理学、临床医学、生物制药等领域发挥着重要的作用。微流控芯片技术自身也在这些应用中不断的发展与完善。微流控芯片中微流道的制作加工已由最初的微电子领域的微机电加工技术(如化学刻蚀)拓展出诸如光刻、软光刻等新技术。微流控芯片中微量样品的检测也已借鉴大量的新技术，如荧光检测，超声检测等。这些加工技术和检测技术极大的推动和发展了微流控芯片的制备和研究。 现有的微流控芯片加工制作技术没有将微流道的设计过程和制作过程很好的结合起来，不能实现微流控芯片制作过程中微流道图样的软光刻曝光和对微流控芯片中微量样品的可见光和紫外荧光实时检测，因此不能同时在同一台装置上实现微流控芯片加工与检测，无法实现快速加工和实时检测。本发明的一个重要的创新点在于采用数字微镜器件(DMD)技术，通过在计算机中利用软件直接设计所需微流道的图样，并通过数据线将设计图样直接输出到数字微镜器件(DMD)中，然后利用成像光路直接对已处理的光刻胶进行微流道图样的曝光，可以直接将DMD上显示的图案作为可实时修改的掩膜板。这样可以极大的缩短微流控芯片从设计到模版制备的周期，同时保证了设计需求的微流道的微小尺度。本发明的另一个创新点是将微流控芯片的加工和检测过程综合到一个实验装置上。使得本发明在具有微流控芯片加工能力的同时，也能对微流控芯片内的微量样品进行多种实时检测。这样即可以缩减微流控芯片加工和检测的实验仪器所占用的空间，也可以为多功能微流控芯片的进一步整合和微型化做一定的宏观思路探究。本发明的另一个重要创新点在于所有的功能切换完全由计算机控制完成，不需要手动调节，这样使得实验操作更加方便快捷，而且排除了人为主观因素的影响，有利于实验快速精确的进行。此外，该装置集成了可见光微流控检测和紫外荧光检测于一身，通过计算机的控制在这两种检测模式间灵活转换，有利于更加快捷全面的研究微量的生物、化学、医药等样品的特性。
发明内容
本发明技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，在同一台装置上实现微流控芯片加工与检测，并通过自行设计的光路耦合到CCD相机中，实现微流控芯片的快速加工和微流控芯片内微量样品的实时检测。
本发明为了达到上述目的采用的技术方案为一种基于数字微镜器件(DMD)的微流控芯片加工与检测实验装置，包括紫外LED光源、第一双凸透镜、第一反射镜、DMD器件、双色镜、第一显微镜物镜、三维电动平台、第二显微镜物镜、第二双凸透镜、白光LED光源、第二反射镜、滤色片、第三双凸透镜、C⑶相机以及计算机。其中，所述的微流控芯片软光刻曝光光路由紫外LED光源、第一双凸透镜、第一反射镜、DMD器件、双色镜、第一显微镜物镜、三维电动平台和计算机构成；所述的微流控芯片中微量样品的可见光实时检测光路由白光LED光源、第二双凸透镜、第二显微镜物镜、三维电动平台、第一显微镜物镜、双色镜、第二反射镜、滤色片、第三双凸透镜、CXD相机和计算机构成； 所述的微流控芯片中微量样品的紫外荧光实时检测光路由紫外LED光源、第一双凸透镜、第一反射镜、DMD器件、双色镜、第一显微镜物镜、三维电动平台、第二反射镜、滤色片、第三双凸透镜、CXD相机和计算机构成；样品池放置在三维电动平台上，在计算机控制下，样品随着三维电动平台上进行三维移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述紫外LED光源、DMD器件、白光LED光源、三维电动平台、CCD相机相连；所述计算机设计的微流道图样通过计算机数据线将微流道设计图样加载到DMD器件上；所述计算机可以通过信号采集系统采集并存储CCD相机所产生的时序图像序列。所述微流道图样的软光刻曝光光路的切换需通过计算机移动三维电动平台至合适位置，关闭白光LED光源，关闭CXD相机，加载微流道图样到DMD器件，打开紫外LED光源，并投射光线到DMD器件上，此时该装置工作在软光刻曝光模式。所述微流控芯片中微量样品的可见光和紫外荧光实时检测光路切换需通过计算机启动三维电动平台控制并将三维电动平台移动到合适位置，打开CCD相机，加载图样到DMD器件，通过紫外LED光源和白光LED光源的开闭实现两种检测模式的切换当关闭白光LED光源，打开紫外LED光源，控制DMD输出全亮图样时，该装置工作在紫外荧光实时检测模式；当关闭紫外LED光源，关闭DMD器件，打开白光LED光源时，该装置工作在可见光实时检测模式。采用实时可控的DMD器件替代了传统工艺中的掩膜板，具有修改便捷等优点。本发明的优点和积极效果(I)本发明为一种通过计算机控制，利用DMD器件便可以直接实现对已处理的光刻胶进行微流道图样曝光，并利用部件的选取实现微流道内微量样品的可见光和紫外荧光检测的装置。所发明的装置结合微流控芯片的制备和检测技术于一身，通过计算机的控制实现两种功能的巧妙切换。其中，微流控芯片的软光刻曝光利用成像光路实现对已处理光刻胶的曝光；微流控芯片内微量样品的检测利用成像光路实现对两种模式光源的选择，利用快速CCD相机采集微流控芯片内微量样品的实时动态图像。(2)与传统的微流控芯片加工技术相比，本发明采用自行设计的成像光路，利用计算机软件设计所需微流道图样，然后通过成像光路直接将微流道图样投射到已处理的光刻胶上，实现对光刻胶的曝光。可以直接将DMD上显示的图案作为可实时修改的掩膜板，缩短了微流控芯片的制备周期，同时克服了因掩膜版精度不够、紫外曝光不均等导致的微流道尺度受限的问题，提供了一种快速精确曝光的微流道制作方法。
(3)本发明装置不仅可以进行微流控芯片的加工制备；还可以工作在微流控芯片检测模式，用于测量微流控芯片内微量样品的流变特性以及在具体生化环境下检测样品的实时演化过程。它是一套综合了微流控芯片加工和检测于一身的装置，必将在微流控芯片加工、生物、化学、医药等领域发挥重要的作用。
图I本发明基数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置示意图；图中，I为紫外LED光源，2为第一双凸透镜，3为第一反射镜，4为DMD器件，5为双色镜，6为第一显微镜物镜，7为三维电动平台，8为第二显微镜物镜，9为第二双凸透镜，10为白光LED光源，11为第二反射镜，12为滤色片，13为第三双凸透镜，14为CXD相机，15为计算机。
具体实施例方式以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。如图I所示，图I是本发明基于数字微镜器件(DMD)的微流控芯片加工与检测实验装置示意图，也是本发明的一个实施例的结构示意图。由图可见，本发明基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，其构成包括紫外LED光源I、第一双凸透镜2、第一反射镜3、DMD器件4、双色镜5、第一显微镜物镜6、三维电动平台7、第二显微镜物镜8、第二双凸透镜9、白光LED光源10、第二反射镜11、滤色片12、第三双凸透镜13、CXD相机14和计算机15。所述的微流控芯片软光刻曝光光路由紫外LED光源I、第一双凸透镜2、第一反射镜3、DMD器件4、双色镜5、第一显微镜物镜6、三维电动平台7和计算机15构成；所述的微流控芯片中微量样品的可见光实时检测光路由白光LED光源10、第二双凸透镜9、第二显微镜物镜8、三维电动平台7、第一显微镜物镜6、双色镜5、第二反射镜11、滤色片12、第三双凸透镜13、CXD相机14和计算机15构成；所述的微流控芯片中微量样品的紫外荧光实时检测光路由紫外LED光源I、第一双凸透镜2、第一反射镜3、DMD器件4、双色镜5、第一显微镜物镜6、三维电动平台7、第二反射镜11、滤色片12、第三双凸透镜13、CXD相机14和计算机15构成；样品池放置在三维电动平台7上，在计算机15控制下，样品随着三维电动平台7上进行三维移动；所述计算机15的输入端通过信号线分别与所述紫外LED光源1、DMD器件4、白光LED光源10、三维电动平台7、CCD相机13相连；所述计算机15设计的微流道图样并通过计算机数据线将微流道设计图样加载到DMD器件4上；所述计算机15可以通过信号采集系统采集并存储CXD相机14所产生的时序图像序列。具体实施例本发明具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体的如下本实施例中，所述的紫外LED光源I出射光线的波长为365nm，谱线宽度为7. 5nm ；第一双凸透镜2焦距为200mm，直径为50. 8mm (2英寸)，镀350_700nm增透膜。由紫外LED光源I、第一双凸透镜2共同构成紫外LED扩束光源。该光源经扩束后的光束直径约为10_。所述的DMD器件4的尺寸约为10*10mm，双色镜5可透过紫外光并反射可见光 ’第一显微镜物镜6放大倍数为10X，有效焦距为20mm，镀325_500nm近紫外增透膜。由DMD器件4、双色镜5和第一显微镜物镜6共同构成图像投射光路。所述白光LED光源10所产生的光波长在400_700nm ;第二双凸透镜9焦距为200mm，直径为50. 8mm (2英寸)，镀350_700nm增透膜；第二显微镜物镜8放大倍数为10X，有效工作距离为10.6mm。由白光LED光源10、第二双凸透镜9、第二显微镜物镜8共同构成检测光路的照明光系统，该照明方式采用科勒照明。所述的CXD相机14分辨率为1280x1024，彩色；第三双凸透镜13采用的是焦距为200_，直径为50. 8mm (2英寸);双色镜5透紫外光反可见光；第一显微镜物镜6放大倍数 为10X，有效焦距为20mm，镀325-500nm近紫外增透膜；外挂式三维电动平台7，行程50mm中心高度102mm，调节范围±25mm。由CXD相机14第三双凸透镜13双色镜5第一显微镜物镜6三维电动平台I共同构成显微镜光路。其间可根据检测需要选用合适的滤光镜12，对光信号进行过滤选择。本实例中，在微流控芯片软光刻曝光模式，紫外LED光源I发出的紫外光通过第一双凸透镜2扩束，再经第一反射镜3反射后以45°角投射到DMD器件4上；通过计算机15将微流道图样加载到DMD器件4上；光线经DMD器件4的选择性反射，透过双色镜5和第一显微镜物镜6直接投射到三维电动平台7上，对已处理的光刻胶进行曝光。在曝光模式下，加载到DMD器件4的微流道图样的有效维持时间推荐不低于20s，曝光完成后关闭紫外LED光源I。在微流控芯片中微量样品的可见光实时检测模式，由白光LED光源10发出的可见光通过第二双凸透镜9扩束后经第二显微镜物镜8汇聚照射到三维电动平台7上的微流控芯片；光线透过第一显微镜物镜6，经双色镜5和第二反射镜11的反射，经滤色片12，再经第三双凸透镜13成像到CXD相机14中。利用计算机15采集CXD相机14接受的光信号；所述的微流控芯片中微量样品的紫外荧光实时检测模式，由紫外LED光源I发出紫外光通过第一双凸透镜2的扩束后再经第一反射镜3以24°角投射到DMD器件4上；通过计算机15将全亮图样加载到DMD器件4上；光线经由DMD器件4反射，透过双色镜5和第一显微镜物镜6汇聚照射到三维电动平台7上的微流控芯片；荧光透过第一显微镜物镜6，通过双色镜5和第二反射镜11的反射，经滤光镜12滤光后，再经第三双凸透镜13汇聚到CXD相机14中。利用计算机15采集CXD相机14接受的光信号。加载到DMD器件4的全亮图样的有效维持时间视检测时间长短而定。本实施例中，紫外LED光源I和白光LED光源10出射光束的高度为100mm，为耦合光路，本发明将相应的光学器件调整在100_高度。本发明的一个重要特征是，采用自行设计的成像光路，利用计算机软件(如AdobeIillustrator或CorelDraw)设计所需微流道图样,然后通过成像光路直接将微流道图形投射到已处理的玻璃片上，对光刻胶进行微流道图样的曝光。可以直接将DMD上显示的图案作为可实时修改的掩膜板。本发明装置不仅可以进行微流控芯片的加工制备；还可以工作在微流控芯片检测模式，并能够有效地在这两个模式之间切换。用于测量微流控芯片内微量样品的流变特性以及在具体生化环境下检测样品的实时演化过程。其中，对光刻胶(选用SU-8光刻胶来进行本实施例说明)的处理可采用如下方法将SU-8光刻胶用光阻涂布机涂布在玻璃片上(推荐分两个阶段进行匀胶第一阶段转速为500rpm，时间为IOs ;第二阶段转速2000rpm，时间为30s)，然后将玻璃片放在电热板上进行烘烤处理(推荐分两个阶段进行烘烤第一阶段温度为65°C，时间为6min ;第二阶段温度为95°C，时间为20min)，即已实现对光刻胶的处理。本发明其他未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，其特征在于包括紫外LED光源(I)、第一双凸透镜(2)、第一反射镜(3)、DMD器件(4)、双色镜(5)、第一显微镜物镜(6)、三维电动平台(7)、第二显微镜物镜(8)、第二双凸透镜(9)、白光LED光源(10)、第二反射镜(11)、滤色片(12)、第三双凸透镜(13)、CCD相机(14)和计算机(15);其中 紫外LED光源(I)、第一双凸透镜(2)、第一反射镜(3)、DMD器件(4)、双色镜(5)、第一显微镜物镜出)、三维电动平台(7)和计算机(15)构成微流控芯片软光刻曝光光路； 白光LED光源(10)、第二双凸透镜(9)、第二显微镜物镜(8)、三维电动平台(7)、第一显微镜物镜出)、双色镜(5)、第二反射镜(11)、滤色片(12)、第三双凸透镜(13)、CCD相机(14)和计算机(15)构成微流控芯片中微量样品的可见光实时检 测光路； 紫外LED光源(I)、第一双凸透镜(2)、第一反射镜(3)、DMD器件(4)、双色镜(5)、第一显微镜物镜￠)、三维电动平台(7)、第二反射镜(11)、滤色镜(12)、第三双凸透镜(13)、CCD相机(14)和计算机(15)构成微流控芯片中微量样品的紫外荧光实时检测光路； 样品池放置在三维电动平台(7)上，在计算机(15)控制下，样品随着三维电动平台(7)进行三维移动；所述计算机(15)的输入端通过信号线分别与所述紫外LED光源(1)、DMD器件⑷、白光LED光源(10)、三维电动平台(7)和CCD相机(14)相连； 所述计算机(15)中将微流道设计图样加载到DMD器件(4)上；所述计算机(15)通过信号采集系统采集并存储CCD相机(14)所产生的时序图像序列； 微流道图样的软光刻曝光、微流控芯片中微量样品的可见光和紫外荧光实时检测，通过计算机控制实现模式的切换。
2.根据权利要求I所述基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，其特征在于所述微流道图样的软光刻曝光加工光路的切换通过计算机(15)移动三维电动平台(7)至合适位置，关闭白光LED光源(10)，关闭CCD相机(14)，加载微流控图样到DMD (4)器件，打开紫外LED光源⑴，并投射光线到DMD器件(4)上，此时该装置工作在软光刻曝光模式。
3.根据权利要求I所述基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，其特征在于所述微流控芯片中微量样品的可见光和紫外荧光实时检测光路切换通过计算机启动三维电动平台(7)并将三维电动平台(7)移动到合适位置，打开CCD相机(14)，加载图形信号到DMD (4)器件，控制紫外LED光源(I)和白光LED光源(10)的开闭实现两种检测模式的切换当关闭白光LED光源(10)，打开紫外LED光源(I)，控制DMD (4)输出全亮图样时，该装置工作在紫外荧光实时检测模式；当关闭紫外LED光源(I)，关闭DMD (4)输出，打开白光LED光源(10)时，该装置工作在可见光实时检测模式。
4.根据权利要求I所述的基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，其特征在于采用实时可控的DMD器件替代了传统工艺中的掩膜板，具有修改便捷等优点。
全文摘要
一种基于数字微镜器件的微流控芯片加工与检测实验装置，包括紫外LED光源、第一双凸透镜、第一反射镜、DMD器件、双色镜、第一显微镜物镜、三维电动平台、第二显微镜物镜、第二双凸透镜、白光LED光源、第二反射镜、滤光镜、第三双凸透镜、CCD相机以及计算机。该实验装置能够有效的工作在光刻胶曝光、微流控芯片可见光和紫外荧光检测两个模式；所述的计算机通过信号线分别与紫外LED光源、白光LED光源、DMD器件、三维电动平台、CCD相机相连。本发明既可以实现微流控芯片制作过程中微流道图样的软光刻曝光，也可以实现对微流控芯片中微量样品的可见光和紫外荧光实时检测。
文档编号G01N21/64GK102967556SQ20121051751
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者丁翔宇, 任煜轩, 卢荣德 申请人:中国科学技术大学
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