陶瓷先驅(qū)體制備微流控芯片及其化學(xué)應(yīng)用.pdf

1、微流控技術(shù)作為一門新興交叉學(xué)科，吸引了不同領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，并且在生物、化學(xué)、材料等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。針對微流控中存在的材料化學(xué)穩(wěn)定性不足、制備方法重復(fù)性一般、制備過程復(fù)雜以及微通道表面潤濕性不容易控制等問題，本文將“陶瓷先驅(qū)體”、“超疏水疏油硅納米線陣列”與“微流控”相結(jié)合，制備出了三種類型的新型微反應(yīng)器：整體類陶瓷微反應(yīng)器、耐壓聚合物微反應(yīng)器以及無隔膜雙通道微反應(yīng)器，并分別應(yīng)用于高溫高壓化學(xué)合成、快速化學(xué)合成以及氣液兩相化學(xué)合成等

2、方面。
　　采用低聚倍半硅氧烷（POSS）和聚乙烯基硅氮烷（PVSZ）兩種陶瓷先驅(qū)體為材料體系，通過桁架模板法制備出了整體類陶瓷微反應(yīng)器，并應(yīng)用于高溫或高溫高壓化學(xué)合成。POSS和PVSZ具有良好的成型性能，分別在300℃和500℃熱處理后，得到的產(chǎn)物仍保持透明性，同時(shí)還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其中化學(xué)穩(wěn)定性與陶瓷相當(dāng)，可用于制備性能優(yōu)異的微反應(yīng)器。本文以低表面能的全氟烴基氧（PFA）微管為模板制備出PFA/POSS復(fù)合材

3、料，再通過物理拔出PFA微管和300℃熱處理得到整體類陶瓷 POSS微反應(yīng)器。以激光切割好的聚苯乙烯（PS）薄膜為模板制備出PS/PVSZ復(fù)合材料，再通過500℃熱處理使PS模板分解掉并且使PVSZ基體轉(zhuǎn)化為類陶瓷材料，制備出PVSZ整體類陶瓷微反應(yīng)器。所得微反應(yīng)器在各種有機(jī)溶劑中的溶脹率均為1.00，顯示出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。在微反應(yīng)器中成功地進(jìn)行了Michaelis-Arbuzov重排反應(yīng)（150~170℃）、Wolff-Kishne

4、r還原反應(yīng)（200℃）、超順磁性四氧化三鐵納米粒子的合成（320℃）和烯丙基苯基醚異構(gòu)化的Claisen重排反應(yīng)（250℃和450 psi（3.1 MPa））等高溫或高溫高壓化學(xué)合成。這類微反應(yīng)器的性能優(yōu)于任何已知的有機(jī)聚合物微反應(yīng)器，與制備過程復(fù)雜又昂貴的玻璃和金屬微反應(yīng)器性能相當(dāng)。
　　在石蠟犧牲模板的輔助下，通過設(shè)計(jì)聚合物和玻璃基底之間的界面化學(xué)，聚合物微通道的固化和封接在紫外光照或溫和加熱的條件下（低于200℃且無需壓力）

5、同時(shí)完成。采用這種新技術(shù)制備出了具有優(yōu)異封接強(qiáng)度的耐壓聚合物微反應(yīng)器，解決了聚合物微流控裝置中長期存在的封接難題。具體制備過程包括：在玻璃基底上制備石蠟犧牲模板圖案、對玻璃基底的表面進(jìn)行化學(xué)改性、聚合物微通道的固化和與玻璃基底的封接同時(shí)完成以及石蠟犧牲模板的去除。該技術(shù)對多種具有不同活性基團(tuán)的液態(tài)或粘稠狀聚合物均適用，本論文成功制備出PVSZ、氟聚合物、負(fù)性環(huán)氧光刻膠、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、 NOA81膠黏劑和 Duralco4525

6、環(huán)氧基樹脂等微反應(yīng)器，驗(yàn)證了該技術(shù)的通用性。同時(shí)，各微反應(yīng)器的破壞壓力均大于1000 psi（6.89 MPa），表明該技術(shù)制備的微反應(yīng)器具有良好的耐壓性能。其中，氟聚合物微反應(yīng)器的耐壓性能比傳統(tǒng)方法提高了兩個(gè)數(shù)量級。與傳統(tǒng)方法相對比，該方法可以通過Auto CAD軟件任意設(shè)計(jì)微通道的形狀，不存在貼合不緊密的問題，還可以制備內(nèi)含微混合器的微反應(yīng)器、親水-疏水雙面微反應(yīng)器以及曲面上的微反應(yīng)器。在耐壓 PVSZ微反應(yīng)器中進(jìn)行了高壓條件下的快

7、速化學(xué)應(yīng)用，合成了一種天然產(chǎn)物色胺酮（合成產(chǎn)率：90％；液體流速：10.5 mL/min；反應(yīng)時(shí)間：14 ms）。這種透明的耐壓微反應(yīng)器可以實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)內(nèi)部的顏色變化情況，有希望用于研究快速化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理以及高壓條件下的微全分析系統(tǒng)。
　　將超疏水疏油功能表面引入微反應(yīng)器中得到了一種無隔膜雙通道微反應(yīng)器，并應(yīng)用于氣液兩相化學(xué)合成。超疏水疏油功能表面通過對硅片進(jìn)行化學(xué)刻蝕、二氧化硅納米顆粒表面修飾以及氟化處理得到，優(yōu)化的制備條件為銀

8、催化劑附載5 min、化學(xué)刻蝕4 h、正硅酸乙酯處理液的濃度為24 mM，此時(shí)水和二甲基亞砜在所得硅納米線陣列表面的接觸角分別為164o和155o，表明該表面具有超疏水疏油性能。該方法可制備出大尺寸圖案化的樣品，所得超疏水疏油硅納米線陣列具有良好的熱、化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性，還具有獨(dú)特的氣體操控能力，可漂浮在水和油的表面不沉入底部，還可在水下收集氣體形成水下的氣體圖案。通過膠黏劑封接法將聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道與超疏水疏油硅納米線陣列