基于紫外光化學(xué)反應(yīng)的高聚物微流控芯片制備技術(shù)研究及應(yīng)用.pdf

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

2、處理技術(shù)具有光源簡單易得、操作方便、無污染、易于實現(xiàn)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(shù)多用于微流控芯片表面化學(xué)修飾以改善其分析性能。而本論文則以芯片的制備技術(shù)為目標，系統(tǒng)地研究基于紫外光化學(xué)反應(yīng)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(shù)，并對所制備的芯片開展應(yīng)用研究。論文共分為六章。
　　 第一章主要介紹了與本論文相關(guān)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(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述。
　　 第二章研究在聚苯乙烯(PS)上基于紫外光誘導(dǎo)活化的區(qū)域化學(xué)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(xiàn)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(nèi)使PS表面產(chǎn)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(dǎo)活化-區(qū)域化學(xué)鍍制備金膜微器件的方法及相關(guān)原理。利用所建立的方法在PS芯片上制備了金薄膜電化學(xué)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(xué)性質(zhì)表征，發(fā)現(xiàn)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(xué)性能。將集成有金膜微電極的PS蓋片與帶有通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(yīng)用于神經(jīng)遞質(zhì)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(xué)反應(yīng)行為，以建立可應(yīng)用于PMMA的紫外光誘導(dǎo)活化的區(qū)域化學(xué)鍍技術(shù)?？疾炝薝V、O3以及UV結(jié)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(chǔ)上，以UV/O3為光源，系統(tǒng)研究了UV/O3區(qū)域活化結(jié)合化學(xué)鍍在PMMA上制備金屬器件的方法和相關(guān)的化學(xué)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(xué)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(xué)和電化學(xué)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)，方法新穎、簡單、易于批量化生產(chǎn)。研究比較了不同光源對PMMA的刻蝕效果，發(fā)現(xiàn)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(guān)系，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)學(xué)擬合，證實兩者符合二次函數(shù)關(guān)系。同時發(fā)現(xiàn)，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(xué)表面改性作用，實現(xiàn)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(xiàn)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(fù)合通道芯片，成功應(yīng)用于異硫氰酸酯熒光素(FITC)陰離子的電驅(qū)動富集與消散。
　　 第五章針對由PDMS彈性體與硬質(zhì)熱塑性高聚物（塑料）組成的PDMS-塑料復(fù)合芯片很難實現(xiàn)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(fù)合芯片的不可逆封合方法。研究表明，經(jīng)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(yīng)，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(chǎn)生硅羥基。將經(jīng)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(yīng)，實現(xiàn)PDMS與PS兩者的不可逆封合。利用PDMS具有的良好透氣性，結(jié)合PS所具有的極佳生物相容性，設(shè)計制備了復(fù)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(fù)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(tǒng)中液滴內(nèi)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(tǒng)的電化學(xué)行為開展基礎(chǔ)

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(tǒng)中水相液滴內(nèi)容物的在線安培檢測系統(tǒng)，并以H2O2為模型待測物，研究了該系統(tǒng)的電化學(xué)響應(yīng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)。通過系統(tǒng)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(xiàn)，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(nèi)容物的電化學(xué)響應(yīng)有較大的阻礙作用。通過系統(tǒng)研究流速、水油比、電極構(gòu)型、電極寬度對液滴流響應(yīng)的影響，初步優(yōu)化了該系統(tǒng)，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(nèi)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(xué)與生化分析中奠定了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 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(dǎo)活化-區(qū)域化學(xué)鍍技術(shù)的在PS和PMMA芯片上集成微金屬膜器件的新方法。發(fā)現(xiàn)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(xué)改性使之表面產(chǎn)生足量的羧基，但不能有效的改性PMMA。要使PMMA表面也產(chǎn)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(chǎn)生的羧基為錨點進行一

15、系列的化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(dǎo)產(chǎn)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(xiàn)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(shè)備，為化學(xué)和生物化學(xué)研究者在普通實驗室制備PMMA納流控或者復(fù)合微-納流控芯片提供了一種新穎

16、的、易于推廣的技術(shù)平臺。
　　 3.研究攻克了PDMS-塑料復(fù)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(fù)合芯片的不可逆封接技術(shù)。制備的PDMS-PS復(fù)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(shù)支撐。
　　 4.構(gòu)建了一個集成化的、適用于兩相液滴流中水相液滴內(nèi)電活性物質(zhì)的在線實時檢測的兩相液滴-安培檢測系統(tǒng)。揭示了該系統(tǒng)對