（分析化学专业论文）热塑性聚合物微流控芯片制作、表面改性及在dna分析应用中的研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 热塑性聚合物微流控芯片制作、表面改性 及在d n a 分析应用中的研究 摘要 热塑性聚合物微流控芯片制作成本低，表面可采用多种物理或化学的方法进行改 性，具有较好的生物适应性，易在片集成多种用途的功能组件等特性，已为人们所关注。 微型化和集成系统的高表面体积比使得微通道表面的性质对于微流控芯片分析系统显 得尤为重要，但目前对于热塑性聚合物微流控芯片表面改性的研究仍处于初始阶段。微 流控芯片的应用是当今微流控研究中的薄弱环节，但随着微流控芯片制作及表面改性技 术的发展，以及后基因组时代对基因结构和功能分析的需要，使得微流控芯片在生命分 析中的应用成为今后研究的重点和方向。本论文采用简易热压装置，建立了聚甲基丙烯 酸甲酯( p m a ) 微流控芯片和聚碳酸酯( p c ) 微流控芯片的热压制作技术；以分离 d n a 片段的筛分介质羟乙基纤维素( 胍c ) 为涂层试剂，提出了适用于p m m a 芯片、 p c 芯片，以及经硅烷化处理的玻璃芯片的静置动态涂层表面改性技术；采用小型化半 导体激光诱导荧光检测d n a 分析系统，实现了d n a 片段及p c r 产物的快速、高效分 析测定。 在工作中将粉末压片机加控温及冷却水装置改装成简易热压装置，采用自行设计和 制作的单晶硅阳模和玻璃阳模，研究了p m m a 微流控芯片和p c 微流控芯片的热压制作 技术。在一台简易热压装置上实现了芯片微通道的压制与封接，s e m 图和显微c c d 照 片表明微通道得到了很好的复制，p m m a 基片与盖片、p c 基片与盖片实现了热压封合。 p m m a 芯片的电渗流和伏安曲线与文献报道的相一致。在芯片有效分离通道长度仅为 1 8r l l r n ，分离场强6 4 0v c m 条件下，实现了荧光染料c y 5 与其副产物1 和副产物2 的 在近7 0 m i n 的时间内连续1 1 次基线分离，测定c y 5 保留时间r s d 为1 4 ( n = 1 1 ) ，峰 高r s d 为2 2 ( n = 1 1 ) ，理论塔板数n 为7 4 1 0 4 m 。本法可在普通化学实验室中制作 小批量、供研究用热塑性聚合物微流控芯片。 采用简易热压技术制作的p m m a 微流控芯片和p c 微流控芯片，以d n a 电泳分离 的筛分介质h e c 为涂层试剂，提出了p m m a 芯片和p c 芯片静置动态涂层表面改性新 方法。在涂层改性最初7 2 h 内，随着静置动态涂层表面改性时间的增加，芯片电泳分离 d n a 片段的分离效能稳步提高。对于p m m a 芯片静景动态涂层表面改性9 6h 后，获得 最佳的分离效能，2 7 1 2 8 1b p 片段褥到很好的分离。以电泳谱图6 0 3b p 片段峰计算理论 塔板数1 1 为1 1 4 1 0 6 m ，2 7 1 2 8 1b p 的分离度r 为1 2 。对于p c 芯片可较快地完成静 置动态涂层表面改性，经涂层改性7 2h 后，获得最佳的分离效能，其1 1 个片段均可获 - 东北大学博士学位论文摘要 得近于基线的分离。以电泳谱图6 0 3b p 片段峰计算理论塔板数n 为1 1 8 1 0 6 m ，2 7 1 2 8 1 b p 的分离度r 为1 3 。该涂层改性方法操作简单，仅以分离d n a 片段的筛分介质为涂 层试剂，不需要在筛分介质中加入添加剂，而且除适用于p m m a 芯片、p c 芯片外，还 适用于经硅烷化处理的玻璃芯片，具有较为广泛的适应性。 将经静置动态涂层表面改性的p m m a 芯片和p c 芯片应用于d n a 片段和p c r 产 物的分析测定。在电泳分离过程中未更换筛分介质的条件下，连续芯片电泳分离曲 x 1 7 4 k p i r fd n a 样品，所有1 1 个片段均得到很好的分离，各片段保留时间r s d ( n = 2 5 ) 在2 4 5 5 4 2 之间。连续芯片电泳分离c d 。p c r 产物，以c d 。片段峰计保 留时间r s d 为0 。8 8 ( n = 1 6 ) ，荧光强度( 峰高) r s d 为3 5 ( n _ 1 6 ) 。使用同一涂层 p m m a 芯片，在2 5 天时问内，以考查各天6 次电泳分离测定西x 1 7 4 一h a e m r fd n a 样 品，各片段保留时间平均r s d 在o 7 l 1 7 3 之间。在长达3 个月的考查时间内，有效 分离d n a 片段2 0 0 余次。在保持高效能分离a b x l 7 4 h a e i i i r fd n a 样品同时，电泳分 离d n a 各片段保留时间的绝对值基本保持恒定。 采用简单的加工方法，在p c 芯片上制作取样毛细管，初步实现了p c r 产物的在片 换样分析。采用p m m a 芯片小型光纤式激光诱导荧光检测d n a 分析系统和p c 芯片小 型正交式激光诱导荧光检测d n a 分析系统快速分离测定了包括用于大肠癌早期诊断的 k - r a s 基因片段在内的5 种p c r 产物，分析结果与采用标准琼脂糖平板凝胶电泳分离的 结果相一致。 关键词：微流控芯片；聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ；聚碳酸酯( p c ) ；热压法；芯片 毛细管凝胶电泳；表面涂层改性；羟乙基纤维素( 髓c ) ：d n a 分析；p c r 产物 i ， 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d i e so nf a b r i c a t i o na n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no f t h e r m o p l a s t i cm i c r o f l u d i cc h i p sa n da p p l i c a t i o n si nc h i p - b a s e d d n a a n a l y s i s a b s t r a c t t h e r m o p l a s t i cm i c r o f l u i d i cc h i p sh a v er e c e n t l ya t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nb e c a u s e o f t h e i rf a v o r a b l em e c h a n i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，l o wc o s t ，e a s eo f f a b r i c a t i o n ，v e r s a t i l i t y f o rp h y s i c a la n dc h e m i c a ls u r f a c em o d i f i c a t i o n ，b i o c o m p a t i b i l i t y , a n de a s yi n t e g r a t i o nw i t h o t h e rc o m p o n e n t s s u r f a c ec h e m i s t r yi so fs i g n i f i c a n c ei nc h i p - b a s e dm i c r o f l u i d i cd e v i c e s e s p e c i a l l y i n h i g h l y m i n i a t u r i z e da n di n t e g r a t e d s y s t e m sd u e t ot h e h i g h s u r f a c e a r e a - t o , v o l u m er a t i o h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to fr o u t i n e ，s i m p l e ，w e l l d e f i n e ds u r f a c e m o d i f i c a t i o np r o t o c o l sf o rt h e r m o p l a s t i cm i c r o f l u i d i cc h i p si ss t i l li ni t si n f a n c y , b e i n gy e ta r e l a t i v e l yw e a kl i n ki nm i c r o f l u i d i ca n a l y s i s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef a b r i c a t i o na n d s u r f a c em o d i f i c a t i o nf o rm i c r o f l u i d i c c h i p s ，t h ea p p l i c a t i o no fm i e r o f l u i d i ea n a l y s i s ， e s p e c i a l l yi nl i f es c i e n c ew i l lb e c o m ef o c u sp o i n t sb e c a u s eo f t h en e e df o ra n a l y s i so f g e n e t i c f u n c t i o na n ds t r u c t u r ei nt h ep o s t - g e n o m i ce r a i nt h i st h e s i s ，as i m p l eh o te m b o s s i n gm e t h o d w a sd e v e l o p e df o rt h ef a b r i c a t i o no fp o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ( p m m a ) o rp o l y c a r b o n a t e ( p c ) m i c r o f l u i d i cc h i p s as i m p l ea n dr o b u s ts t a t i ca d s o r p t i v e ( d y n a m i c ) c o a t i n gm e t h o dw a s d e v e l o p e df o rp m m ao rp cc h i p s a n de v e ns f i a n i z e dg l a s sc h i p su s i n g2 h y d r o x y e t h y l c e l l u l o s e ( h e c ) a sb o t ht h ec o a t i n ga g e n ta n ds i e v i n gm a t r i xf o r t h ec h i p - b a s e dc a p i l l a r yg e l e l e c t r o p h o r e s i s ( c o e ) s e p a r a t i o no fd n ar e s t r i c t i o nf r a g m e n t s h i 曲s p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ， r e p m d u e i b i l i t ys e p a r a t i o no fd n af r a g m e n t sa n dp c rp r o d u c t sh a sb e e no b t a i n e di nc o a t e d p m m ao rp cc h i p sw i t hd i o d el a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n ac h e a pc o m m e r c i a lp e l l e tp r e s sw a sm o d i f i e dt op e r f o r mh o te m b o s s i n gf o rt h e f a b r i c a t i o no fp m m ao rp cm i c r o f l u i d i cc h i p s ，a f t e ri n s t a l l i n gd e v i c e sf o rt e m p e r a t u r e c o n 订o la n dw a t e rc o o l i n g t h ec h a n n e ln e t w o r k sw e r ef o r m e dt h r o u g hh o tc o m p r e s s i o n m o l d i n gw i t hm i c r o f a b r i c a t e ds i l i c o na n dg l a s sm a s t e r s a n dt h ec h i p se n c l o s e du s i n gt h e r m a l p r e s sb o n d i n g 谢也ab l a n kp m m a o rp cw a f e ru s i n gt h ee m b o s s i n gs y s t e m c c di m a g e so f m i c r o e h a n n e l sa n ds e mi m a g e so fo p e nc h a n n e l so nt h es u b s t r a t e sa n dt h ec r o s ss e c t i o no f c h i p sw e r eg i v e nt 0s h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o c e d u r e t h ee l e c t r o o s m o t i cf l o wa n d v o l t a g e a m p e r ec u r v e so ft h ep m m ac h i p sc o r r e s p o n d e dt ot h o s er e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep m m a c h i p sw a sd e m o n s t r a t e di n 11c o n s e c u t i v ee l e c t r o p h o r e t i c s e p a r a t i o n so fc y 5f r o mb y p r o d u c t si na b o u t7 0m i nw i t i laf l u o r e s c e n c ei n t e n s ep r e c i s i o no f 2 2 r s d am i g r a t i o nt i m ep r e c i s i o no f1 4 r s da n da ne f f i c i e n c yo f7 4 10 4p l a t e s ma t 东北大学博士学位论文a b s t r a c t 6 4 0v c mo fe l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hi no n l y1 6r a m - l e n g t he f f e c t i v es e p a r a t i o nc h a n n e l t h e s i m p l eh o te m b o s s i n gm e t h o dc a l l b eu s e dt of a b r i c a t es m a l lb a t c h e so ft h e r m o p l a s t i c m i c r o f l u i d i cc h i p sf o rr e s e a r c hp u r p o s e si nc o m n l o nc h e m i c a ll a b s a s i m p l ea n dr o b u s ts t a t i ca d s o r p t i v ec o a t i n g p r o c e s sw a sd e v e l o p e df o rt h ep m m ao r p cc h i p su s i n gh e ca sb o t ht h ec o a t i n ga g e n ta n ds i e v i n gm a t r i xf o rc g e s e p a r a t i o no fd n a f r a g m e n t s t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o p h o r e t i cs e p a r a t i o n sw a ss t e a d i l yi m p r o v e dw i t ht h e i n c r e a s eo fc o a t i n gt i m e d u r i n gt h e f i r s t7 2 - hp r e t r e a t m e n t o p t i m u ma n ds t a b i l i z e d p e r f o r m a n c ew a sa c h i e v e da f t e r9 6hu s i n gp m m ac h i p sw h e na l l 11 f r a g m e n t sw e r e w e l l - r e s o l v e d as e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f1 1 4 x1 0 0p l a t e s mw a so b t a i n e df o rt h e6 0 3b p f r a g m e n t ，w h i l et h ero f 2 7 1 2 8 1b pf r a g m e n t sw a s1 2 o p t i m u ma n ds t a b i l i z e dp e r f o r m a n c e w a sa c h i e v e da f t e r7 2hu s i n gp cc h i p sw h e na l l11 f r a g m e n t sw e r eb a s i c a l l yb a s e l i n e s e p a r a t e d as e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f1 。1 8 1 0 0p l a t e s mw a so b t a i n e df o rt h e6 0 3b pf r a g m e n t w h i l et h ero f 2 7 1 2 8 1b pf r a g m e n t sw a s1 3 t h ea p p l i c a t i o no f t h es t a t i ca d s o r p t i v ec o a t i n g p r o c e s sw a sa l s od e m o n s t r a t e di nm o d i f i c a t i o nf o rt h es i l a n i z e dg l a s sc h i p sf o rc g e s e p a r a t i o no f d n af r a g m e n t s 。 t h ec o a t e dp m m ao rp cc h i pw a sa p p l i e df o rt h ea n a l y s i so fd n a f r a g m e n t sa n dp c r p r o d u c t s t h el a r g e s tn u m b e ro fc o n s e c u f i v ed n as e p a r a t i o n s 谢mg o o dr e s o l u t i o nf o ra l l11 f r a g m e n t s ，p e r f o r m e do nt h es a ! ed a y , u s i n gt h e8 a l r l es i e v i n gm a t r i xw i t h o u tr e f i l l i n g , w a s 2 5r a i l s d u r i n gw h i c ht h ep r e c i s i o n so ft h er e t e n t i o nt i m ef o rd i f f e r e n tf r a g m e n t sw e r ei nt h e r a n g e2 4 5 5 4 2 r s d ( n = 2 5 ) t h er s d o fm i g r a t i o nt i m ea n df l u o r e s c e n c ei n t e n s ef o rt h e c d wp c rp r o d u c ti n1 6c o n s e c u t i v ea n dr a p i dr u n sw e = t go 8 8 a n d3 5 ( n 芦1 6 ) t h e a v e r a g ep r e c i s i o n so fm i g r a t i o nt i m ed u r i n gt h e2 5 一d a ys t u d y , e s t i m a t e d6s a m p l e se a c ht i m e w i t ht h es a r f l ec o a t e dp m m a c h i p ，f e l li n ，t h er a n g e0 7 1 1 7 3 r s d t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o a t e dc h i pa l s or e m a i n e da l m o s tt h es a m ea f t e r3m o n t h so fc o n t i n u o u su s a g e ，d u r i n g w h i c ho v e r2 0 0s e p a r a t i o n sw e r ep e r f o r m e d a s i m p l em e t h o dw a sd e v e l o p e df o rf a b r i c a t i o no fo n c h i ps a m p l i n gp r o b e sw i t l la l l u p b e n tt i po np cc h i p s p r e l i m i n a r ys t u d i e sw e r ed o n ee m p l o y i n gt h es a m p l i n gs y s t e mf o r s a m p l ei n t r o d u c t i o nf o rp c rp r o d u c t sa n a l y s i s h i 曲s p e e d ，h i g hr e s o l u t i o ne l e c t r o p h o r e t i c s e p a r a t i o n so f5p c rp r o d u c t s ，i n c l u d i n gk - r a sg e n et h a tp r o v i d e dh i g hd i a g n o s t i cv a l u ef o r c o l o r e c t a lc a l 3 c e r s ，w e r eo b t a i n e dw i t ht h ec o a t e dp m m ac h i pu s i n gd i o d el a s e ri n d u c e d f l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nb a s e do no p t i c a lf i b e r sa n dw i t l lc o a t e dp cc h i p sw i t hd i o d el a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nb a s e do na no r t h o g o n a lc o n f i g u r a t i o n t h er e s u l t so fp c r p r o d u c t sa n a l y s i sc o r r e s p o n d e dt ot h o s eo b t a i n e db ya g a r o s es l a bg e le l e c t r o p h o r e s i s v 东北大学博士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ： m i c r o f l u i d i cc h i p ；p o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ( p m m a ) ；p o l x c a r b o n a t e ( p c ) ； h o te m b o s s i n g ；c a p i l l a r yg e le l e c t r o p h o r e s i s ；c o a t i n g ；h y d r o x y e t h y lc e l l u l o s e ( h e c ) ；d n aa n a l y s i s ；p c rp r o d u c t s v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，杠j 刎豹 臼期：2 0 0 6 年2 月2 3 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 学位论文作者签名： 稚f 鼬旭 日期：2 0 0 6 年2 月2 3 日 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 微流控芯片是自m a n z 和w i d m e r 于2 0 世纪9 0 年代初首次提出微型全分析系统 ( m i n i a t u r i z e d t o t a l a n a l y s i s s y s t e m s ，或m i c r o t o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，g t a s ) 概念以来， 迅速发展起来的一个跨学科新领域，是当前科技发展的前沿和热点之一1 1 】。微流控分析 是通过分析化学、微机电加工、电子学、材料学、生物学、医学等多学科的交叉，将化 学分析装置微型化与集成化，其结构特征是以微米级的微通道为网络连接微泵、微阀、 微储液器、微电极、微检测元件，最大限度地把分析实验室的功能，包括采样、稀释、 加试剂、混合、反应、分离、检测等集成在微芯片上，从而高效、快速地完成试样的采 集、分离及分析，因此具有广泛的适用性。它不仅可使珍贵的生物试样与生化试剂消耗 大太降低至8 微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地 下降，从而为分析测试技术普及到工作现场，甚至进入家庭创造了条件，实现分析系统 的微型化、自动化、集成化和便携化。 微流控芯片是开展微流控分析研究的前提和基础，芯片的制作，包括芯片材料的选 择、微通道网络的设计与封接、功能组件的集成是微流控分析芯片的需要解决的关键问 题之一。制作芯片的材料有硅片、石英、玻璃、聚合物等，其中聚合物微流控芯片具有 品种多、能通过可见与紫外光，耐酸碱性强，可用物理或化学方法进行表面改性，易于 加工，不易碎，成本低，可廉价批量生产等特性，已为研究者所关注。 在微流控分析系统中随着微通道尺寸的减小，高表面积体积比使得微通道表面的性 质对于提高电泳分离的重现性以及开发具有实际应用价值的微流控芯片分析系统显得 尤为重要。微通道通过表面改性可控制电渗流和抑制分析物与管壁闻的相互作用，从而 提高微流控芯片的分析性能。芯片毛细管电泳较传统毛细管电泳的优势在于芯片上可实 现具复杂结构的微通道网络，可集成微泵、微阀、微反应器等功能组件，但由于其有限 的分离通道长度，实际上芯片毛细管电泳获得的分辨率通常较传统c e 低，相应地其分 辨率的优化显得更为重要。传统c e 几乎都采用熔融石英毛细管作为柱材料，而微流控 芯片的制作材料除石英外，还有玻璃和聚合物，其通道的截面也因加工技术的不同，除 传统c e 的圆形外，还有梯形、矩形等。在芯片毛细管电泳中，由于使用的芯片材料多 种多样和微通道网络的复杂性，使得微通道表面改性较传统c e 更为复杂和困难，也更 富有挑战性。 微流控芯片的应用仍处于初始阶段，也是今后研究的重点和方向。随着后基因组时 代的来临，加之微流控芯片本身所具有的快速、高效、高通量、低样品和试剂消耗，易 在片集成多种用途的功能组件的特点，使得生命分析成为当前微流控芯片的主要应用领 东北大学博士学位论文 第一章绪论 域，应用于d n a 片段分离、在片p c r 反应、基因诊断、基因筛查、临床检验的d n a 分析是微流控芯片最具发展前途的应用领域之一。 本章将对与本文研究内容相关的热塑性聚合物微流控芯片制作技术、表面改性技术 及芯片在d n a 分析中应用的发展现状进行综述。 1 2 热塑性聚合物微流控芯片的结构成型技术 微流控分析芯片的加工技术，如光刻和刻蚀起源于半导体及集成电路芯片的微细加 工，但芯片通道的加工尺寸远大于大规模集成电路，芯片的大小约数平方厘米，微通道 宽度和深度为微米级，因此对加工技术的精度要求要低一些。制作芯片的材料有硅片【2 ，3 ， 4 ，5 ，6 1 、石英【7 ，8 ，9 ，1 0 , 1 ”、玻璃1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 叼和聚合物等，其中聚合物主要包括弹性体聚合物 聚二甲基硅氧烷f 1 7 ，1 8 + 1 9 ，2 川( p d m s ) 和热塑性材料聚甲基丙烯酸甲酯2 1 , 2 2 , 2 3 ( p m m a ) 、 聚碳酸酯 2 4 1 ( p c ) 、聚苯乙烯【2 4 ，2 5 1 ( p s ) 等。玻璃微流控芯片的制作常采用光刻、刻蚀 和高温键合的方法 2 6 , 2 7 。聚合物芯片的制作方法有l i g a 技术隧2 9 1 、注塑法 3 0 ，| 3 1 】、激光 烧蚀法 2 4 ，3 2 1 、热压法【3 3 ，3 4 】和微机械加工技术1 3 5 垮，可在微米尺度范围内加工具复杂微 通道网络的聚合物基片。 1 2 1 注塑成型技术 注塑成型技术，首先采用光刻蚀和腐蚀的方法在硅、玻璃、s u 8 负光胶等材料上 制作通道凸起的阳模，再在阳模上浇注液态聚合物材料，将固化后的聚合物材料与阳 模剥离，得到具微通道网络的基片。浇铸用的聚合物材料应具有低粘度、低固化温度的 特点，在重力或压力作用下，可充满模子上的微通道和凹槽等处，且与阳模之间粘附力 小，易于脱模。注塑成型技术适用于p h 舭、p c 等热塑性聚合物材料，以及p d m s 、 环氧树脂和聚胺酯等。 m u c k 等采用常压光聚合注塑结构成型技术制作具微通道网络的p m m a 基片【3 6 1 。基 片制作如图1 1 所示。将2 i l r n 厚的浆四氟乙烯垫圈置于玻璃片与单晶硅阳模之间夹紧， 垫圈厚度即为制成芯片的基片厚度。在垫圈的边留有1i t l r n 直径的孔，用于注入单体 溶液。单体溶液是将聚甲基丙烯酸甲酯珠粒( 2 0 0l a m ) 溶于甲基丙烯酸甲酯溶液( 2 0 8 0 ， w v ) 中，加入紫外催化剂苯偶姻甲醚( o 1 5 ，w v ) ，引发单体溶液的自由基聚合。单 体溶液充满注塑模具后，进行紫外曝光。在常温常压下，溶液聚合反应完成需四个小时。 模具置于4 0 水中超声1 0m i n 后脱模，硅阳模凸起的微通道网络转移至p m m a 片上， 制成具微通道网络的m 血4 基片。 2 东北大学博士学位论文 第一章绪论 固化 图l 1p m v l a 芯片常压光聚合注塑成型技术制作示意图 ( a ) 玻璃片， ( b ) 聚四氟乙烯垫圈，( c ) 单晶硅阳模，( d ) 玻璃片，( e ) 溶液注 入口，将上述各片对合，夹紧，注入单体溶液后紫外曝光聚合；( f ) 脱模，制成具微通道 的p m m a 基片。 f i g 1 1s c h e m a t i co f t h em i c r o f a b r i c a t i o np r o c e s sf o rp v i ae h j p ( a ) g l a s sp l a t e ，( b ) t e f l o ns p a c e r , ( c ) s im a s t e r , ( d ) 西a s sp l a t e ，( e ) s o l u t i o ni n l e t ，( 0d e m o l d i n go f t h ep o l y m e r i z e dp m m as u b s t r a t ew i t hc h a n n e l s 。 常压光聚合注塑成型技术与热压成型技术相比，预塑物的自由流动更能精确复制硅 阳模上的微结构，脱模后不会由于张力的变化，引起通道构型的改变，而且在注塑过程 中不需要加压或升温，对硅阳模无损坏。硅阳模和p m m a 基片上十字通道交叉处的扫 描电镜图( 见图1 2 ) 表明，硅阳模上的微通道精确复制于脚压m a 基片上，且通道表面 十分光滑。用一个硅阳模制作近1 0 0 个p m m a 基片，取其中8 片研究复制通道的重现 性。通道下底宽、上底宽和深的r s d 分别为1 3 2 ，1 4 6 ，4 7 3 。常压光聚合注塑 结构成型技术也适合于其它可光引发聚合的聚合物，且方法简单，可用于低成本、大批 量基片的制作。 3 东北大学博士学位论文 第一章绪论 图1 2 单晶硅阳模( a ) 和常压注塑成型技术制作p m m a 基片微通道( b ) 上十字交 叉处的扫描电镜图 f i g 1 2s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o g r a p h so f t h ei n j e c t i o n - c r o s ss e c t i o no f t h es i l i c o n m o u i n g ( a ) a n do f t h er 8 u i t i n gp m m ac h a n n e lt e m p l a t e ) a f t e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r e m o l d i n g d a n g 等采用l i g a 技术加工镍基阳模，注塑成型技术制作具微通道网络的p m m a 基片1 3 ”。在一2 7i n n ! 6 5m l np m m a 基片上集成了1 0 个分离通道，3 1 个液池和一个辅 助封合通道网络，基片制作如图1 3 所示。 l i g a 技术是x 射线光刻、电铸成模、注塑成型三个手段顺序组合进行操作的一种 技术。第一步为同步辐射深度x 光曝光，可将掩膜上的图形转移到有几百微米厚的光刻 胶上，得到一个与掩膜结构相同、厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体结构( 图 1 3 a ) 。电铸可采用电镀的方法，利用光刻胶下面的金属进行电镀，将光刻胶图形上的间 隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的金属凹凸版图，将光刻胶及附着的基 底材料除掉，就得到注塑用的金属模具( 图1 3 b ) 。金属模具通常用镍或镍钴合金制成， 通过金属注塑版上的小孑l 将热塑性聚合物注入金属模具腔体内，加压硬化后就可得到与 丑 东北大学博士学位论文第一章绪论 掩膜结构相同的塑料基片( 图1 3 c ) ，利用这种技术可以得到高宽深比的通道。但通常 需用加速器等高档设备，价格昂贵，技术也不易掌握。 d e v e l o p m e m i p m m m a a s t e 。r 酗 二二二兰! = 二兰凹 n ie l e e t r o p l a t l n g y ( c ) n m o u l d 毒 删r e p a l i c 洲a ，区丝塑羔匿习 图1 3 注塑成型技术制作具微通道的p m m a 基片示意图 ( a ) x 射线光刻；( b ) 电铸法制作镍基阳模；( c ) 注塑结构成型 f i g 1 3s c h e m a t i co f 蛳e c t i o nm o l d i n gf a b r i c a t i o n ( a ) d e e px r a ye x p o s u r e ；( b ) n ie l e c t r o p l a t i n g ；( c ) 蜘e e t i o nm o l d i n g l i u 等采用单晶硅阳模，在加压条件下，注塑成型技术制作具微通道的p c 基片1 3 8 1 。 将5n l t n 厚玻璃片置于热压机加热板上，以提供平滑的接触面。硅阳模放在玻璃片上， 加热至1 8 8 ，将适量的p c 粉末置于硅阳模中心处，取一平镍板放在p c 粉末上，操纵 上加热板下降并与镍板接触，p c 粉末边熔化边缓慢加压。当p c 层厚度达到11 1 1 1 1 1 时， 将两加热板分开，将p c 片和硅阳模从热压机中取出，室温冷却9 0s ，脱模，制成具微 通道结构的p c 基片，整个加工过程约需3r a i n 。图1 4 为加压注塑成型技术制作p c 基 片上微通道的扫描电镜图。通道截面为梯形，这有利于成型后的脱模。通道结构复制得 很好，且表面非常光滑。 市售的p c 片材常因为生产厂家、制作工艺和所用掭加剂的不同，而使其表面性能 有所改变，这将影响热压印和封合条件。采用p c 基体树脂粉末则会避免这一问题的发 5 东北大学博士学位论文 第一章绪论 图1 4 注塑成型技术制作p c 基片上微通道剖面的s e m 图 f i g 1 4s e mi m a g eo f c o m p r e s s i o n - m o l d e dc h a n n e lp r o f i l e 生，而且可透过改变p c 树脂粉末的量，制作出不同厚度p c 基片或盖片。p c 基体树脂 粉末加热至熔化温度以上时，璺自由流体状悉，：衔需的成型压力很低，有利于延长硅阳 模的使用寿命。而且，在成型加工过程中已熔化的p c 流体在冷却时其微通道的构型不 受张力变化的影响。 1 2 2 压印成型技术 压印成型技术包括室温压印成型技术和热压成型技术，二者的主要区别在于后者是 将聚合物加热至近其玻璃化温度，再加压，冷却，制成具微通道网络的聚合物基片。选 用的阳模可为镍基阳模、单晶硅阳模、玻璃阳模、微机械加工的金属阳模、甚至金属丝。 压印成型技术设备简单，操作简便，适用聚合物品种广泛，制作成本低，可大批量生产， 是热塑性聚合物微流控芯片结构成型中最为常用的成型技术。 x u 等采用室温压印成型技术制作p m m a 基片【39 1 。基片制作如图1 5 所示。采用标 图l 。5 室温压印成型技术制作p m m a 芯片微通道示意图 f i g 1 5r o o m t e m p e r a t u r ei m p r j n f i n go f p m m am i c r o f l u i d i cc h a n n e l su s i n gs i l i c o n t e m p l a t e 6 。饿一糍鬻一一辫一 一瓣一鬻鬻 o i ，鼍 警 东北大学博士学位论文第一章绪论 准光刻和刻蚀技术制作单晶硅阳模，阳模尺寸为5 8 m 赢1 0 0 i _ t m 宽。将制好的硅阳模与 另一单晶硅片用环氧胶粘合，以增加阳模的机械强度。将p m m a 片材放在硅阳模上， 置于两抛光的铝块之间，在室温条件下，加2 7 0 0p s i 压力5m i n ，制成具微通道网络的 p m m a 基片。作者认为采用硅阳模热压法制作p m m a 基片，由于硅和p m m a 的热膨 胀系数不同，在冷却过程中会损坏阳模，一般硅阳模只能使用1 0 次左右，而采用室温 压印成型技术不存在此类问题。在采用室温压印成型技术制作p m m a 基片前后，阳模 的形貌未见显著变化，测定的阳模高度差异在l 以内。 基片上微通道的形貌及剖面构型如图1 6 所示。取室温压印成型技术制作p