基于紫外光化學反應的高聚物微流控芯片制備技術研究及應用.pdf

1、微流控芯片是微全分析系統的核心。它是在方寸大小的微芯片上集成通道、反應池、檢測器等微元件，用以執(zhí)行采樣、稀釋、加樣、反應、分離、檢測等單元操作功能，結合一定的外部設備實現“試樣進、數據出”的快速、自動化學分析或者生化分析。因此，微流控芯片的制備是實現微全分析的關鍵。
　　 芯片的制備通常采用微機電加工技術，需要昂貴的儀器設備和潔凈實驗室以及嫻熟的制作技能，不便在普通化學和生化實驗室中推廣。
　　 基于紫外光化學反應的表面

2、處理技術具有光源簡單易得、操作方便、無污染、易于實現高精度圖案化處理等優(yōu)點，因而受到微流控芯片研究者的青睞。目前，紫外光表面處理技術多用于微流控芯片表面化學修飾以改善其分析性能。而本論文則以芯片的制備技術為目標，系統地研究基于紫外光化學反應的制備高聚物微（納）流控芯片及集成化器件的新方法和新技術，并對所制備的芯片開展應用研究。論文共分為六章。
　　 第一章主要介紹了與本論文相關的紫外光與有機高聚物的作用機理，并對近年來紫外光在微

3、流控芯片加工中的應用現狀進行綜述。
　　 第二章研究在聚苯乙烯(PS)上基于紫外光誘導活化的區(qū)域化學鍍方法，旨在為具有良好生物相容性的PS芯片上集成微電極等金屬微器件，提高芯片的綜合功能。首先考察了不同的紫外光源對PS表面的改性效果，發(fā)現365 nm紫外光對PS表面幾乎沒有改性效果;254 nm紫外光可以在2h內使PS表面產生羧基等含氧活性基團而使之變?yōu)橛H水。以主要輻射254 nm紫外光的紫外消毒燈（低壓汞燈）為光源，研究建立了

4、在PS表面通過紫外光誘導活化-區(qū)域化學鍍制備金膜微器件的方法及相關原理。利用所建立的方法在PS芯片上制備了金薄膜電化學傳感微電極和電加熱器。通過對PS片上所制備的金膜微器件進行物理和化學性質表征，發(fā)現這些金膜微器件具有良好的附著性能、耐酸耐堿性能以及電化學性能。將集成有金膜微電極的PS蓋片與帶有通道網絡結構的PS基片通過等離子體輔助熱壓封合組成毛細管電泳-安培檢測的全PS芯片，應用于神經遞質多巴胺和兒茶酚的分離分析，在238 V/cm的

5、場強下，分離效率達到1.3×104塔板/m（多巴胺），多巴胺和兒茶酚檢測限分別為0.5和0.7μmol/L。五次連續(xù)進樣分離檢測，兩者遷移時間的RSD分別為0.5％和0.4％，峰高的RSD分別為1.1％和2.7％。與同類的PDMS-玻璃雜交電泳芯片相比，該芯片具有分離效率高、檢測限低、精密度高、分析時間短等優(yōu)點。
　　 第三章針對塑料芯片中最常用的材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)難以借用第二章方法在其上制備金屬微器件的難題，研究

6、PMMA的紫外光化學反應行為，以建立可應用于PMMA的紫外光誘導活化的區(qū)域化學鍍技術?？疾炝薝V、O3以及UV結合O3(UV/O3)對PMMA的表面改性效果，觀察到只有采用UV/O3對PMMA光照處理才能在其表面形成含氧活性基團。在此基礎上，以UV/O3為光源，系統研究了UV/O3區(qū)域活化結合化學鍍在PMMA上制備金屬器件的方法和相關的化學原理，并對所制備的金（銅）薄膜微電極和金薄膜電熱器等金屬微器件進行了物理和化學性能表征。所制備的金

7、屬微器件尺寸精確，具有較強的附著強度，良好的電學和電化學性能。
　　 第四章針對目前制備納米通道多采用的高能粒子束干法刻蝕技術難以推廣普及的問題，研究建立了一種基于紫外光降解作用的、在PMMA上制備一維(1-D)納流控芯片的制備方法，包括紫外光直接干法刻蝕納米/亞微米通道和UV/O3輔助低溫封合納米通道兩個關鍵技術，方法新穎、簡單、易于批量化生產。研究比較了不同光源對PMMA的刻蝕效果，發(fā)現UV/O3具有更好的光降解刻蝕效果。以

8、UV/O3為光源，配合石英掩膜的使用，研究了刻蝕深度與輻照劑量的關系，實驗數據經數學擬合，證實兩者符合二次函數關系。同時發(fā)現，干刻的納米通道水洗后其深度會加深20％左右。利用UV/O3對PMMA表面的光化學表面改性作用，實現了PMMA納米通道的低溫封合。首先采用UV/O3對帶有納米通道的PMMA基片與空白PMMA蓋片的擬封合表面進行整體輻照，在它們表面形成親水活性基團，然后在流動的水中將兩片PMMA貼合，在低溫低壓(45℃，1.2×10

9、5 Pa)下放置35 min，即可實現不可逆封合。上述封合工藝適用于深寬比大于1∶1000的1-D納米通道，封合后通道的塌陷率為（13±9）％，封合強度可達6.71±2.50 MPa。利用建立的方法，制備了PMMA微-納復合通道芯片，成功應用于異硫氰酸酯熒光素(FITC)陰離子的電驅動富集與消散。
　　 第五章針對由PDMS彈性體與硬質熱塑性高聚物（塑料）組成的PDMS-塑料復合芯片很難實現不可逆封合的問題，研究建立了一種簡單易

10、行的、基于硅烷化-紫外光活化的PDMS-PS復合芯片的不可逆封合方法。研究表明，經過UV/O3處理后PS表面形成羧基、羥基等活性基團，利用這些基團作為錨點，通過硅烷化反應，將3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)鍵合到PS表面，再通過UV/O3的光降解作用，使PS表面的硅烷化層降解，形成殘留于PS表面的硅羥基。同樣通過UV/O3的表面活化處理，使PDMS表面產生硅羥基。將經UV/O3處理后的硅烷化PS表面與UV/O3處理后的PDMS表面貼

11、合，借助硅羥基之間的縮合反應，實現PDMS與PS兩者的不可逆封合。利用PDMS具有的良好透氣性，結合PS所具有的極佳生物相容性，設計制備了復合材料的PDMS-PS細胞培養(yǎng)芯片，試用于人宮頸癌細胞的培養(yǎng)時，觀察到，PDMS-PS復合芯片的培養(yǎng)效果優(yōu)于全PS和全PDMS芯片。
　　 第六章針對兩相液滴微流控分析系統中液滴內容物在線檢測的難題，研究在兩相液滴微流芯片上集成安培檢測器的方法，并對兩相液滴-安培檢測系統的電化學行為開展基礎

12、性研究。利用第二章所建立的方法，在PS芯片上制備了金屬薄膜微電極陣列，研究建立了一個適用于油包水(W/O)兩相液滴流系統中水相液滴內容物的在線安培檢測系統，并以H2O2為模型待測物，研究了該系統的電化學響應行為。研究發(fā)現，W/O兩相液滴流的安培信號（i-t曲線）由尖鋒形的前沿和較尖鋒低的平臺形后沿所組成，且信號的輪廓與流速、相比等因素有關。通過系統的研究，對空白磷酸緩沖液液滴和H2O2液滴的i-t信號的特征和歸屬作了分析和論證。研究還發(fā)

13、現，兩相液滴流的信號遠遠小于相同濃度水相連續(xù)流的信號，指出包裹在水相液滴外的油膜對液滴內容物的電化學響應有較大的阻礙作用。通過系統研究流速、水油比、電極構型、電極寬度對液滴流響應的影響，初步優(yōu)化了該系統，液滴中H2O2的檢測靈敏度達到22.2 pA/(mol/L)，線性范圍為10-500μmol/L，同一芯片日內檢測250μmol/L H2O2液滴的RSD為3.4％(n=9)，日間RSD為8.9％(n=3)。此研究為兩相液滴流的在線安培

14、檢測在化學與生化分析中奠定了一定的理論和技術基礎。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點:
　　 1.研究建立了兩種基于紫外光誘導活化-區(qū)域化學鍍技術的在PS和PMMA芯片上集成微金屬膜器件的新方法。發(fā)現主要輻射254 nm紫外光的無臭氧低壓汞燈，可以對PS進行有效的光化學改性使之表面產生足量的羧基，但不能有效的改性PMMA。要使PMMA表面也產生足量的羧基，需采用有臭氧的低壓汞燈作為光源進行改性。以改性后表面產生的羧基為錨點進行一

15、系列的化學反應后，在光改性區(qū)域可以沉積納米金粒子用于催化后續(xù)化學鍍的進行。
　　 2.創(chuàng)造性的提出并建立了一種PMMA納流控芯片的制備方法，包括由低壓汞燈發(fā)射的深紫外光及其誘導產生的臭氧(UV/O3)通過石英掩膜干法刻蝕制備一維納米通道，和利用UV/O3對PMMA的表面改性作用實現納米通道的低溫、低壓、高強度的封合。該方法無需昂貴的實驗設備，為化學和生物化學研究者在普通實驗室制備PMMA納流控或者復合微-納流控芯片提供了一種新穎

16、的、易于推廣的技術平臺。
　　 3.研究攻克了PDMS-塑料復合芯片不可逆封接的難題，建立了基于紫外光輔助硅烷化-紫外光活化的PDMS-PS復合芯片的不可逆封接技術。制備的PDMS-PS復合芯片兼有PDMS的彈性、透氣性和PS的剛性、生物兼容性，為制備性能優(yōu)良的PDMS-塑料微流芯片提供了技術支撐。
　　 4.構建了一個集成化的、適用于兩相液滴流中水相液滴內電活性物質的在線實時檢測的兩相液滴-安培檢測系統。揭示了該系統對