（化学工艺专业论文）超支化聚合物的合成及其在PDMS微流控芯片中的应用.pdf

r a n c h e d p o l y m e ra n d i t s a p p l i c a t i o n i np d m sm i c r o f l u i d i cc h i p s g w e n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f s h o uc h o n g q i at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s 嗍73 舢7茎茎3 88 舢胂y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 纪日期：矽”卜沙 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴。本人授权济南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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文或汇编本学位论文。 血丞开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：笤丕西导师签名 日期：兰! 竖! i 曼皇! 詈皇! 曼! 曼曼! ! 曼詈鼍曼皇曼鼍皇曼曼皇! ! 鋈垄垦垒茎霍坠呈茎耋坌薹呈曼苎詈皇曼苎曼! 詈! ! 竺! 曼蔓曼! ! 詈! 一 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 超支化聚合物1 1 1 1 超支化聚合物的结构1 1 1 2 超支化聚合物的性质2 1 1 3 超支化聚合物的合成方法4 1 1 4 超支化聚合物的应用。4 1 2 微流控芯片6 1 2 1 微流控芯片概述6 1 2 2 微流控芯片的制作材料及制作技术7 1 2 3 微流控芯片的进样方式。8 1 2 4 微流控芯片的工作原理9 1 2 5 微流控芯片的分离检测技术1 0 1 2 6 微流控芯片在生命科学中的应用1 l 1 3p d m s 微流控芯片的研究与应用1 3 1 4 本课题需要解决的问题。1 4 第二章超支化聚胺酯的合成与表征1 5 2 1 引言l5 2 2 实验药品和仪器1 5 2 2 1 实验药品15 2 2 2 实验仪器16 2 3 超支化聚胺酯的合成。1 6 2 3 1 单体n ，n 二羟乙基3 胺基丙酸甲酯的合成1 6 2 3 2 以三羟甲基丙烷为中一i i , 核的超支化聚胺酯的合成1 6 2 4 超支化聚胺酯的表征18 2 4 1 红外光谱分析18 2 4 2 元素分析2 0 2 4 3 羟值测定2 0 2 4 4 黏度分析2 1 2 4 5 热失重分析2 2 2 5 结论2 2 第三章p d m s 微流控芯片的制备及p d m s 表面改性2 3 3 1 引言2 3 3 2 实验部分2 3 3 2 1 试剂与仪器2 3 3 2 3p d m s 微流控芯片的制作2 4 3 2 3 物理涂覆改性p d m s 2 5 3 2 4 化学接枝改性p d m s 2 6 3 3 结果与讨论2 7 3 3 1 物理改性p d m s 的表面表征。2 7 3 3 2 化学改性p d m s 的表面表征2 8 3 4 结论31 第四章超支化聚胺酯物理涂覆改性p d m s 微流控芯片制备及评价3 3 4 1 引言。3 3 4 2 实验部分3 3 4 2 1 试剂与仪器3 3 4 2 2 物理改性p d m s 微流控芯片的制备3 4 4 2 3 磷酸盐缓冲溶液的配制3 5 4 2 4 检测物溶液的配制3 5 4 2 5 电渗流的测定3 5 4 3 结果与讨论。3 5 4 3 1 分离条件的选择3 5 4 3 2 改性对电渗流的影响3 6 4 3 3 改性对p d m s 吸附分离物质的影响。3 7 4 3 4 改性对p d m s 微流控芯片分离效果的影响3 8 4 3 5 对改性p d m s 微流控芯片稳定性的研究3 9 4 3 结论4 1 第五章超支化聚胺酯化学改性p d m s 微流控芯片的制备及评价4 3 t t 5 3 1 分离条件的选择4 4 5 3 2 改性对电渗流的影响4 5 5 3 3 改性对p d m s 吸附分离物质的影响4 6 5 3 4 改性对p d m s 微流控芯片分离效果的影响。4 7 5 3 5 对改性p d m s 微流控芯片稳定性的研究4 7 5 3 结j 沧4 9 第六章超支化聚胺酯物理吸附改性与化学改性p d m s 微流控芯片性能比较51 6 1 引言51 6 2 制备方法比较51 6 3 性能比较。5 2 6 3 1 电渗流。5 2 6 3 2 分离效率5 3 6 3 3 稳定性比较5 4 6 4 结论5 5 第七章结论与展望5 7 7 1 结论5 7 7 2 展望5 7 参考文献5 9 致谢6 5 附录6 7 i v 摘要 本论文合成了一种分子末端为大量活性羟基的超支化聚胺酯( h p a e ) ，并对其三 维网状立体分子结构进行了表征分析。首次将这种h p a e 用于p d m s 微流控芯片的 改性中，分别制备了物理方法和化学方法改性的p d m s 微流控芯片，考察了改性对 电渗流影响，对碱性氨基酸的分离效率影响，以及改性后微流控芯片的稳定性，取得 了满意的结果。 本论文的研究工作主要包括以下内容： ( 1 ) h p a e 的合成及表征：实验以三甲基丙烷为核，n n - 二羟乙基3 胺基丙酸 甲酯为增长单体，对甲苯磺酸为引发剂，采用溶液聚合的方法合成不同代数的h p a e 。 通过m ，元素分析，羟值测定证明所合成h p a e 为分子末端含有大量羟基，通过黏 度测定表明合成产物具有良好的溶解性和较低的黏度，通过t g d t a 分析证明了合 成产物具有良好的耐热性能。 ( 2 ) p d m s 表面改性：为了能够更好的表征h p a e 对p d m s 的表面改性的效果， 我们首先在p d m s 薄片上进行了改性实验。首先将p d m s 薄片在0 2 氛中处理然后分 别采用物理涂覆和化学接枝改性的方法对p d m s 进行了表面改性。测定了改性p d m s 表面接触角，表面形貌。通过检测，改性后p d m s 表面有了明显的亲水性。 ( 3 ) 物理改性p d m s 微流控芯片的性能分析：h p a e 物理涂覆改性p d m s 微流 控芯片的方法，成功的制备了经过g 2 、g 3 和( 3 4 代h p a e 改性的p d m s 微流控芯片。 为了检测改性对微流控芯片的分离效果、p d m s 吸附作用的影响，测定了微流控芯片 微通道内的电渗流，通过分离检测碱性氨基酸来考察了改性对p d m s 吸附作用的影 响，同时计算了p d m s 微流控芯片在分离腺苷和厶色氨酸时的理论塔板数和分离度， 考察了改性对微流控芯片分离效果的影响。实验表明：在物理方法改性的p d m s 微 流控芯片中，h p a e 能够有效地降低电渗流，抑制碱性氨基酸在p d m s 微流控芯片微 通道内的吸附；在p h4 5 对碱性碱性氨基酸实现较高的分离柱效；且性能稳定、重 现性好、使用寿命长，分离柱效和分离度随着h p a e 代数的增加而增大。 ( 4 ) 化学改性p d m s 微流控芯片的性能分析：采用h p a e 化学接枝改性p d m s 微流控芯片的方法，成功的制备了经过g 2 、g 3 和g 4 代h p a e 化学改性的p d m s 微 流控芯片。为了检测改性对微流控芯片的分离效果、p d m s 吸附作用的影响，分别测 v 定了微流控芯片微通道内的电渗流，通过分离检测腺苷和三色氨酸来考察了改性对 p d m s 吸附作用的影响，同时计算了p d m s 微流控芯片在分离腺苷和三色氨酸时的 理论塔板数和分离度，考察了改性对微流控芯片分离效果的影响。实验表明t 在经过 化学改性的p d m s 微流控芯片中，化学涂层同样能够在p h4 5 时对碱性碱性氨基酸 实现有效的分离；能够有效地降低电渗流，抑制碱性氨基酸的吸附。分离柱效和分离 度随h p a e 代数的增加而增大，且具有良好的稳定性能，重现性好，使用寿命长。 ( 5 ) 通过综合比较物理改性和化学改性的p d m s 微流控芯片的性能，发现h p a e 物理改性方法虽然稳定性相对化学改性的方法差，但是制作方法简单，对碱性碱性氨 基酸的能够有效分离，成本低。因此，具有更广阔的应用领域和更好的推广价值。 关键词：超支化聚胺酯；p d m s ；微流控芯片：改性；氨基酸分离 v i i nt h i sp a p e r , h y p e r b r a n c h e dp o l y a m i n o e s t e r ( h p a e ) c o n s i s t e do fm u l t i t u d ee n d h y d r o x y ( - o h ) g r o u p sw a ss y n t h e s i z e da n di t st h r e e - d i m e n s i o n a lm o l e c u l es t r u c t u r ew a s c h a r a c t e r e d t h eh p a es e r v e da sm o d i f i e dm a t e r i a lf o rp d m sm i c r o c h i p sm o d i f i e d t h e m o d i f i e dp d m sm i c r o c h i p sw e r em a d ew i mp h y s i c a lm e t h o da n dc h e m i c a lm e t h o d t h e e o f , s e p r a t i o ne f f i c i e n c yo fp r o t e i n sa n ds t a b i l i t yo ft h ec o a t e dm o d i f i e dw e r ee v a l u a t e d ， a n dt h er e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r y p a r t i c u l a rc o n t e n t si nt h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) p r e p a r a t i o no fh p a ea n dc h a r a c t e r i z e d ：mg 2 ，g 3a n dg 4o fh p a ew e r e s y n t h e s i s e dv i aai n t i a t o ro fp o l y m e r i z a t i o no fp - t o l u e n e s u l f o n i ca c i du s i n gt r i m e t h y l o l p r o p a n ea s c o r em o l e c u l ea n d n n - d i h y d r o x y c t h y l 一3 一a m i n o m c t h y lp r o p i o n a t e s a s m o n o m e r a tt h es a n l et i m e ，as e r i e so fh p a ew i t hd i f f e r e n td e g r e eo fb r a n c h i n g ( d b ) w e r es y n t h e s i z e du s i n go n e - s t e pp r o c e d u r eb yc h a n g i n gt h em o l a rr a t i oo ft h ei n i t i a t o r b o r o nt r i f l u o f i d ee t h e rc o m p l e xa n dt h em o n o m e rn ，n - d i h y d r o x y e t h y l - 3 - a m i n o m e t h y l p r o p i o n a t e s t h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n a lg r o u p so ft h eh p a ew e r ec h a r a c t e r i z e db yi r t h eh y d r o x y lc o n t e n tw a st e s t e db yh y d r o x y lv a l u e t h ec o n t e n to fc & hw e r ed e t e r m i n e d b yd e m e n ta n a l y s i s t h er h e o l o g i e a lb e h a v i o ro ft h et h eh p a ew a si n v e s t i g a t e du s i n ga v i s c o m e t e r t h et h e r m a lp r o p e r t yh a sb e e na l s oe s t i m a t e db yt g d t a ( 2 ) m o d i f i c a t i o no fp d m s ：h p a ew a si n t r o d u c e df o rs u r f a c em o d i f i c a t i o no fp d m s 耽em o d i f i c a t i o no fp d m sb a s e dm i c r o f l u i d i cc h a n n e l ss t a r t sf r o mt h es o l u t i o n - p h a s e o x i d a t i o nr e a c t i o no fp d m ss u r f a c e s a n dt h e n , t h et r e a t e dp d m sw a sm o d i f i e dw i t h p h y s i c a lm e t h o da n dc h e m i c a lm e t h o d t h ec h a r a c t e r i s t i co fm o d i f i e dp d m sw a s c h a r a c t e r i z e dt o u g hc o n t a c ta n g e l sm e a s u r e da n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) p r e p a r a t i o na n de v a l u a t i o no fp h y s i c a lm o d i f i e dp d m sc h i p s ：g 2 ，g 3a n dg 4h p a e m o d i f i e dp d m sc h i p sw e r ef a b r i c a t e d 髓eh p a el a y e rc a nr e d u c et h ee l e c t r o o s m o t i c f l o wg r e a t l ya n ds u p p r e s sp r o t e i na d s o r p t i o no nt h ec h a n n e ls u r f a c eo fp d m sc h i p s e f f e c t i v e l y 1 1 1 ec o a t e dc h i p sp r o v i d e dc l e a ns e p a r a t i o n so ft h eb a s i cp r o t e i na tp h = 4 5 w i t hp h o s p h a t eb u f f e ra n dt h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e p r o d u c b i l i t y , s t a b i l i t y , v i i 超支化聚合物的合成及其在p d m s 微流控：苍片中的应用 l o n g e v i t y a n ds e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw e r cs a t i s f a c t o r y t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d r e s o l u t i o n ( r s ) w a sg r a d u a l l yi m p r o v e dw i mt h eg e n e r a t i o no fh p a e ( 4 ) p r e p a r a t i o na n de v a l u a t i o no fc h e m i c a lm o d i f i e dp d m sc h i p s ：1 h ec h e m i c a l m o d i f i e dc h i p sw e r ef a b r i c a t e dw i t l lg 2 ，g 3a n dg 4h p a e d i f f e r e n tg e n e r a t i o n sh p a e w e r ec o a t e do nt h ec h a n n e l so ft h ep d m sc h i p sb ys i l a n ec o u p l i n ga g e n t ) , - g p t m su s i n g b f 3 o e h 嬲i n i t i a t o r t h ec h e m i c a l - b e n d e dc o a t e dl a y ea l s oc a nr e d u c et h ee l e c t r o o s m o t i c f l o wg r e a t l y ，s u p p r e s sp r o t e i na d s o r p t i o no nt h ec h a n n e ls u r f a c eo fp d m s c h i p se f f e c t i v e l y , a n dp r o v i d ec l e a ns e p a r a t i o n so ft h eb a s i cp r o t e i na tp h = 4 5w i t hp h o s p h a t eb u f f e r t h c s e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e s o l u t i o n ( r s ) w a sg r a d u a l l yi m p r o v e d 谢mt h eg e n e r a t i o no f h p a e ( 5 ) t h ep h y s i c a lc o a t e dc h i p 谢mh p a ep r o v e nt ob es u c c e s s f u lb ym e e t i n gt h es i m p l e p r e p a r a t i o ns t e p ，h i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dg o o ds t a b i l i t y a l lo ft h e s em e r i t sw a r r a n t t h a tt h i sm e t h o di ss u p e r i o rt om a n yo t h e rc o a t i n g s t h e r e f o r e ，i th a sb r o a d e ra p p l i c a t i o n a r e aa n dg e n e r a l i z a b l ew o r t h c a t i o n ； 1 1 超支化聚合物 第一章绪论弟一早三；百t 匕 超支化聚合物是一类具有三维立体结构的高度支化的大分子聚合物【。与线 形聚合物相比，因超支化聚合物的三维立体结构使其表面具有大量的活性官能 团，使其具有较好的反应活性；由于超支化聚合物分子间无链缠绕，其溶液黏度 相对线形聚合物较低，溶解性较好和相容性较高【2 卅。由于超支化聚和物所具有 的独特结构和相对于线形聚合物的优点，使得超支化聚合物的合成与应用在世界 范围内受到人们的广泛关注。 1 1 1 超支化聚合物的结构 超支化聚合物的分子结构不同于传统的线形聚合物，因此超支化聚合物具有 许多线形聚合物所不具有的特殊性能。超支化聚合物一般由a b x 型单体制备得 来，反应过程中产生的中间产物一般不需要进行严格的纯化，反应条件相对简单， 结构不像树枝状分子严格对称存在部分缺陷，即允许有未反应完的基团b 存在 【弼】。以下是本实验室合成过的超支化聚醚和超支化聚硅碳烷的分子结构示意图， 如图1 1 所示。 1 1 1 1 支化度 h 图1 1 超支化聚醚与超支化聚硅氧烷分子结构图 f i g 1 1m o l e c u l es t r u c t u r 镪o f h y p e r b r a n c h e dp o l y c t h c ra n d h y p e r b r a n c h e dp o l y s i l o x y s i l a n e 一般都小于1 。 完全支化单元( d ) 图1 2 超支化聚合物的重复单元 f i g 1 2r e p e a t e du n i t e so f h y p e r b r a n c h e dp o l y m e r s 1 1 1 2 分子量多分散性 超支化聚合物的分子量分布较宽，比较接近于线形聚合物。但是随着的超支 化聚合物分子支化度的变化，超支化聚合物的分子量分布一般大于线形聚合物。 以此，采用测定线形聚合物的分子量分布的方法来测定超支化聚合物的分子量分 布得到的结果往往比实际值d , t 1 0 1 。目前，基质辅助激光脱附电离飞行时间质谱法 是一种可以比较准确测定超支化聚合物分子量的方法【l l 】。 1 1 1 3 几何异构体 超支化聚合物分子支链生长的随机性，导致了超支化聚合物分子结构存在立 体异构现象，这与树枝状聚合物和线形聚合物是明显不同的。立体异构现象的存 能。 1 1 2 1 溶解性 超支化聚合物分子的立体结构使得其在许多溶剂中表现出比线形聚合物好 的溶解性。研究表明，超支化聚苯在相同溶剂中的溶解性要比线形聚苯的溶解性 好【4 】，这是因为超支化聚合物的末端可以带有大量的亲水性基团，使得超支化聚 合物的溶解性增强。超支化聚合物分子相对于线形聚合物分子来说，分子结构比 较紧密，在溶剂中的溶胀现象较弱，分子体积前后变化较小。但是线形聚合物的 分子在溶剂中的溶胀现象比较明显，前后分子体积变化较大。以此，超支化聚合 物能够表现出牛顿流体行为【1 2 1 。 1 1 2 2 黏度 超支化聚合物分子的三维立体结构，分子之间无链缠绕，使得其黏度相对线 形聚合物来说低得多。这是超支化聚合物相对于线形聚合物最突出的特点。研究 表明，超支化超支化聚酯酰胺型两种树脂h a s 和h a p 的6 0 二甲苯溶液在2 5 时测得的黏度为2 1m p a s 、1 2m p a s ，而线形的聚酯酰胺型树脂的黏度为6 5 0 0 m p a s 1 3 1 。 1 1 2 3 反应活性 超支化聚合物具有大量的末端官能度，如果其末端的官能团为活性基团，则 其反应活性非常高；如果其末端的官能团的反应活性较低则可通过对末端官能团 进行功能化来提过其反应活性。这一点相对于线形聚合物来说，线形聚合物末端 的官能团较少，功能化也比较困难，以此超支化聚合物的反应活性要比线形聚合 物的反应活性古【1 4 1 。 1 1 3 超支化聚合物的合成方法 超支化聚合物大都采用a b x 单体合成，通过单体a 与核分子( 或者不用核 分子，由单体分子b 与a 反应直接聚合而成) 与反应聚合形成第一代超支化聚 合物，然后由单体不断的聚合成超支化聚合物。合成机理如图1 3 所示。 跻甫大学硕士学位论文 之前干燥除水的效率，提高固化膜的耐水性【2 9 , 3 0 。如将合成的水性超支化脂肪族 聚酯加入到涂料中可以很好的使涂料与水混合，提高u v 固化速率【3 1 】；如果在超 支化聚酯的末端接枝上丙烯酰基、羧基以及光敏基团，改性后的超支化聚合物可 以作为光引发剂，并且固化效果要好于加入小分子光引发剂【3 2 】。 1 1 4 2 在药物载体领域中的应用 超支化聚合物具有独特的纳米微孔结构，可以螯合离子、吸附小分子，作为 药物载体应用于医学领域 3 3 】。通过合成两亲性超支化聚合物可以应用于纳米药物 胶囊与医药领域。两亲性超支化聚合物就是核为亲油性，支化臂为亲水性的超支 化聚合物，这就使得这种超支化聚合物分子具有了包裹客体的核壳结构，可以有 选择性的将客体分子溶于核中，作为药物载体【蚓。 1 1 4 3 在皮革助剂领域中的应用 超支化聚合物的末端含有大量的官能团，通过合成不同结构的超支化聚合物 或是对超支化聚合物的末端进行功能化改性，使得这些活性官能团与皮胶纤维上 的活性宫能团进行反应在皮革的表面形成牢固的化学键，用于皮革的主鞣剂 3 5 - 3 7 。由于超支化聚合物黏度低，具有良好的流平性和成膜性可作皮革涂饰剂 3 8 】。 超支化聚合物还可以通过与c ，等金属离子发生配位用于铬鞣助剂，用来替代铬 鞣剂减少污染 3 9 , 4 0 】。超支化聚合物还用作皮革匀染剂和固色剂等方面。 1 1 4 4 在毛细管电泳分离领域中的应用 毛细管电泳分离技术是上世纪8 0 年代发展起来的一种新型、高效、快速的 分离技术，采用石英熔融毛细管作为分离柱，但是毛细管内壁表面带有的硅羟基 会对分离的生物大分子尤其是碱性蛋白具有强烈的吸附作用，影响分离效果。毛 细管涂层技术是解决上述问题的有效方法。传统的线形聚合物黏度较大、反应活 性低对毛细管涂层技术应用造成了一定的困难。本实验室几年来一直致力于超支 化聚合物毛细管涂层技术的研究，先后将超支化聚酯【4 1 , 4 2 】、超支化聚胺酯【4 3 ，4 4 、 超支化聚硅碳烷 4 5 ，4 6 1 和超支化聚醚【4 7 1 作为毛细管涂层材料应用于毛细管涂层技 术中，取得了良好的效果。 1 2 微流控芯片 1 2 1 微流控芯片概述 微流控芯片( m i c r o f l u i d i ec h i p ) 又称芯片实验室( l a bo nac h i p ) ，简单地说， 微流控芯片是一种微型分析装置。它采用微加工技术将样品制备、进样、处理、 分离等功能集成在几平方厘米的基片上，具有检测的快速、高效、低耗的优点。 它将宏观的化学或是生物实验室集成到一块面积很小的芯片上面，给分析科学带 来了划时代的变革。 m a n z 和w i d m e r 4 8 】在1 9 8 9 年首次提出了微全分析系统的概念( m i c r ot o t a l c h e m i c a la n a l y s i ss y s t e m ) 。肛t a s 将宏观的复杂的实验室工作简化、集成到尽 可能小的试验平台上，它借鉴了毛细管电泳技术【4 9 。5 l 】将试验设备进一步的微型 化，使试验过程不在受限于实验环境，极大地方便了科学工作者。m a n z 与 h a r r i s o n 跚平板微芯片上实现了毛细管与流动注射分析技术的集成，从而把微全 分析系统的主要构型定位为一般厚度不超过5m n l ，面积为几平方厘米到几时平 方厘米的平板芯片上。1 9 9 9 年惠普公司与c a l i p e r 联合研制出了第一台微流控芯 片商业化产品，将微流控芯片推向商业化。微流控芯片通道示意图如图1 4 所示。 1 2 2 微流控芯片的制作材料及制作技术 1 2 2 1 微流控芯片的制作材料 根据实际实际试验队微流控芯片的要求，选取不同的材料制作微流控芯片。 目前，微流控芯片的材料主要分为两种：无机材料和高分子材料。芯片材料的选 取应遵循以下原n - 首先，微流控芯片材料应具有良好的化学稳定性和生物相容 性；其次，微流控芯片对材料的绝缘性、散热性、光学性能也有一定的要求；再 次，材料表面应具有良好的可修饰性；容易加工，制造成本低【5 6 , 5 7 ，表1 1 中所 列的是目前比较常用的几种微流控芯片材料。 表1 1 常见微流控芯片制作材料的性能表 t a b l e1 1c a p a b i l i t yo f m a t e r i a l sf o rm i c r o c h i p 无机材料散热性较好且耐腐蚀是微流控芯片发展初期主要的材料，但是无机 材料微流控芯片的制作技术比较复杂，得到的微流控芯片微通道的尺寸难以控 制，键合比较困难且成本较高，不易批量生产。 高分子材料具有较好的绝缘性，透光性较好，价格便宜，制作技术相对简单 并且可以精确的控制微流控芯片微通道的尺寸，可以批量生产。因此，高分子材 料在微流控芯片技术中得到了广泛的应用。 1 2 2 2 微流控芯片的微通道制作技术 硅、玻璃材料的微流控芯片微通道的制作方法一般采用化学腐蚀方法，得到 的微通道的截面形状接近于梯形【5 8 9 1 。但是化学腐蚀方法【删刻蚀所需时间长， 操作过程难以精确控制，工艺过程复杂等缺点。 随着高分子材料在微流控芯片技术中的应用，高分子材料便于加工，在微流 控芯片中的应用越来越广泛【5 5 ，铜。高分子材料微通道的制作方法主要有：注塑、 模压和浇铸三种【6 1 , 6 2 】。模板的制作方法主要有：机械加工，化学腐蚀、等离子刻 蚀、光刻、微电铸【6 3 】；模板材料主要有：不锈钢、镍或镍合金、硅片、玻璃片、 聚苯乙烯收缩膜和s u - 8 胶。 1 2 2 3 微流控芯片的键合方法 键合是微流控芯片制作中的关键环节。主要有物理封接和化学键合两种方法 5 5 - 5 7 】。物理封接是在加热的条件下使微流控芯片基片与盖片之间物理融合封接； 化学键合则是基片与盖片表面之间发生化学作用然后键合。前者多为可逆键合， 后者多为永久键合。 1 2 3 微流控芯片的进样方式 微流控芯片按照迸样方式的不同可以分为以下三种：“t 形 、“十字形 和“双t 形 微流控芯片。结构如图1 5 所示。 样品池 样品池 池 ( a ) t 形十字形 ( c ) 双t 形 图1 5 “t 形”、“十字形”和“双t 形”微流控芯片通道结构图 f i g 1 5s t r u c t u r e so f m i c r o c h i pc h a n n e lo f ts h a p e ，+ s h a p e ， d o u b l ets h a p e 8 譬脱蠛彩尹懒样 洲罗种 根据毛细管电泳理论，电泳的分离效率用理论塔板数表示为 ，2 n = 丢 盯 样品的纵向扩散是区带增宽的主要因素，理论塔板数的计算公式为 ：l n p v 2 d 正 此时样品组分的迁移时间t m 为 铲去：旦 式( 1 4 ) 气2 历2 v 则l 毛细管电泳的分离度黜表示为 墨= a 4 压t r 说以盯i 历1 式( 1 5 ) 由上述各式可知，当分离通道长度一定时，塔板数和分离度随着分离电压增 大而增加，分离时间随着分离电压增大而减小，但较高的分离电压会产生的较大 焦耳热，降低分离度和分离效率。当分离电压一定时，微通道内的电流随缓冲溶 液的电导率增大而增大，同时产生较大的焦耳热，降低微流控芯片的分离度和分 离效率。当分离电压一定时，电流随分离通道增长而减小，产生的焦耳热也较小， 且比较容易散热，因而可以提高塔板数和峰分辨率，但分离时间较长。 高分子材料微流控芯片微通道内的电渗流较弱，在分离不同的样离时，对分 离通道的长度要求不同。虽然微流控芯片单位长度上的分离效率大于毛细管电泳 仪，但总效率还比较低，其主要是因为微流控芯片的分离通道长度较短。通过提 9 高单位场强虽然可以提高分离效率，但是产生的受焦耳热也会增加，作用有限。 因此，采用弯曲通道即可以有效的减小微流控芯片芯片的尺寸大小，又可以增加 分离通道的长度提高分离效率和分离度【5 7 1 。 1 2 4 2 进样宽度 双t 形结构微通道可以有效地控制进样量，进样量准确，受到大多数的研究 者青睐。对于双t 形进样结构，进样通道之间的距离称进样宽度t d 。在已报道 的文献中，t d 一般在1 0 0 , - , 2 5 01 t m 之间，进样量一般为0 1 o 5i l l ，进样量相比于 毛细管少得多。通过图1 5 b 可以看出，进样时t d 部分就为样品的进样量，当t d 增大时进样量就会随之增大，相应的检测信号就会增强，但是分离度则会下降， 所以t d 的大小应根据对实际试验对分离度和检测信号强度要求选取。进样宽t d 可由下式估算 乃 ( 口一6 ) z , u b 1 2 4 3 微通道的截面形状与尺寸 式( 1 6 ) 在已报道的芯片文献中，芯片微通道的面尺寸通常在6 0 , - , 2 0 0 1 t i n 之间，深度 在1 5 , - 4 0 1 a m 之间。当电场强度一定时，尺寸越小的通道，其电阻越大，微通道 内的分离电流越小，产生的焦耳热越小。分离通道截面积越小，比表面积越大， 散热效果愈好，所以微通道的截面积越小越好。多边形微通道的比表面积比圆形 通道的大，以此散热效果比圆形的好。分离通道的截面积增大，缓冲溶液的在微 通道内产生的径向热梯度变大，致使样品分离度降低。采用尺寸较小的多边形截 面分离通道，虽然可以提高芯片的分离效率和样品的分离度。但当分离通道的尺 寸减小时，微通道的样品负载量变小，检测灵敏度下降，然而当表面与体积比增 大时，微通道表面对分离物的吸附作用增加。从目前的研究来看，根据检测器的 不同可以选择不同尺寸的微通道。当使用激光诱导荧光作为检测器时，可使用尺 寸较小的分离通道；当采用非相干光检测时，可使用尺寸较大的分离通道。 1 2 5 微流控芯片的分离检测技术 微流控芯片制作技术及分离检测技术是微流控分析系统的两大核心技术。在 1 0 分离检测技术方面，主要有荧光检测、电化学检测、质谱检测、吸收光度检 测和化学发光检测等 5 5 , 5 6 。微流控芯片检测示意图如图1 6 所示 ，i tj ；+，： ， 图1 6 微流控芯片检测示意图 f i g 1 6s k e t c hm a po f m i c r o c h i pd e t e c t i o n 目前，荧光检测、吸收光度检测和电化学检测是微流控分析技术最常用的检 测方法。荧光检测，则具有较高的检测灵敏度并且适应性较好5 5 , 5 6 , 7 2 】。但荧光检 测的对象必须能产生荧光或衍生物能产生荧光，对微流控芯片材料透光性要求较 高。吸收光度检测特别是紫外吸收检测，虽然在其他的检测仪器上应用的比较广 泛，而且技术也比较成熟m ，7 4 1 ，但是由于微流控芯片的检测光程较短，在其应用 于微流控芯片时，灵敏度还比较低。电化学检测的灵敏度较高，价格相对较低， 微流控芯片材料透光性要求不高，是一种可以与微流控芯片装置实现集成的检测 方式。 1 2 6 微流控芯片在生命科学中的应用 人类基因组和蛋白组计划的顺利开展对生物样品的分离分析提出了更高的 要求。微流控芯片技术的不断发展，微流控分析技术已经发展成为一种成熟的分 析技术并且被广泛应用于氨基酸、d n a 及其限制片段、聚合酶反应、免疫分析、 碱性氨基酸和多肽分析、单细胞分离等领域。 1 2 6 1 微流控芯片技术在d n a 分析中的应用 随着人类基因工程的发展，微流控芯片在d n a 测序方面的应用也受到人们 的广泛注意。1 9 9 4 年，e f f e n h a u s e r 等【7 5 】首先使用微流控芯片技术成功地将1 0 1 5 个碱基的核苷低聚物分离出来；2 0 0 7 年，王聿佶掣7 6 】将超顺磁性材料填充到微 0一，0：电泳微通道 片中注入改性的聚丙烯酸凝胶分子，用荧光染料标记d n a 片段成功地读出了 d n a 片段上的1 5 0 2 0 0 个碱基对。 1 2 6 2 微流控芯片技术在碱性氨基酸与多肽分析中的应用 碱性氨基酸是构成生命体的最小活性单位，人体中存在着l o 万种以上的碱 性氨基酸，在人体中起着不同的作用。随着人类对碱性氨基酸认识的深入，越来 越多地需要通过识别和检测碱性氨基酸，来了解人体的健康状况、诊断和治疗， 并认识其生理功能。徐良基等【7 8 】利用微流控芯片成功的分离了牛血清蛋白和人转 铁蛋白t r f ，分离时间仅为