（物理电子学专业论文）聚二甲基硅氧烷（pdms）微流控芯片研究.pdf

中文摘要 摘要 微流控芯片型微全分析系统的研究是目前分析仪器发展的重要方向与前沿， 本论文对p d m s 微流控芯片进行了基础性研究。研究内容包括：软印法制作微流 控器件的新型微加工工艺；p d m s 微流控芯片的检测系统的构建；p d m s 微流控芯 片的应用研究等。 以聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 为材料，设计并完善了软印法制作微流控器件的 新型微加工工艺流程，设计并加工出了不同规格的p d m s p d m s 微流体芯片和 p d m s 一玻璃微流体芯片。 构建了两套p d m s 微流控芯片荧光检测系统，即c c d 微流控芯片荧光检测系 统和光电倍增管( p m t ) 微流控芯片荧光检测系统，开发了基于l a b v i e w 的光电 倍增管微流控芯片荧光检测系统数据采集与回放软件，能够完成荧光信号采集、 显示、和存储以及回放的功能。 利用p d m s 微流控芯片对f i t c 标记的精氨酸、甘氨酸、谷氨酸混合物进行了 电泳分离，分离电压为2 0 0 v c m ，分离时间不到1 2 0 秒；通过拍到的荧光显微图 像对电泳注样过程中复杂的样品分子积聚与解聚现象作定性的分析：以荧光染料 r h o d a m i n eb 为温度荧光探针，建立了p d m s 微流控芯片上的温度一荧光强度的关 系公式，并利用m a t l a b 图像处理工具箱构建出微流体沟道内的温度色图，对p d m s 微流控芯片的微流道温度特性进行了分析，根据实验结果，我们认为对于p d m s 微流控芯片来说，在进行需要外加电场作用的试验时，外加电场不应超过 4 0 0 v c m 。 关键词：微流控芯片，微全分析系统，p d m s ，软印法 英文摘要 s t u d y o fm i e r o f l u i d i cc h i pi np o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) w a n gm i n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f c u id a f u a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nm i c r o f h i i d i cc h i pw h i c hi sak i n do f m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ( i t t a s ) n o wr e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o ni na n a l y s i si n s t r u m e n t sf i e l d ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，m i c r o f l u i d i cc h i p i n p o l “d i m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) 。v a s s t u d i e d f u n d a m e n t a l l y t h ec o n t e n to ft h i s w o r ki n e l u d e sd e s i g n i n ga n dn f i c r o f a b r i c a t i n g ( i n c l u d i n gs e a l i n 曲m i c r o f l u i d i cc h i pi np d m st h r o u 曲s o f l l i t h o g r a p h y , c o n s t r u c t i n g d e t e c t i o ns y s t e m sf o rm i c r o f l u i d i cc h i pa n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ed e v i c e u s i n g a ne l a s t c i m e r i cm a t e r i a l s p d m s ，t h e p r o c e d u r e o fm i c r o f a b f i c a t i n g m i c r o f l u i d i cc h i pw a sd e s i g n e da n di m p r o v e d ，a sar e s u l t ，d i f f e r e n tt y p eo fp d m s p d m sa n dp d m s g l a s sm i c r o f u i d i cc h i pw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d c c dm i c r o f l u i d i cc h i pf l u o r e s c e n c ed e t e c t i n gs y s t e r na n dp m tm i c r o f l u i d i c c h i pf l u o r e s c e n c ed e t e c t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d ；b a s e do n l a b v i e w d a t a a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i sp a c k a g e o fp m tm i c r o f l u i d i c c h i p f l u o r e s c e n c e d e t e c t i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a r la c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no f f l u o r e s c e n c e s i g n a la c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , s t o r a g ea n d r e p e a t am i x t u r eo ft h r e ea m i n oa c i d s ( a r g ，g l y , g h i ) l a b e l e dw i t hf l u o r e s c e i n i s o t h i o c y a n a t e 佰i t c ) w a ss e p a r a t e d i np d m sm i c r o f l n i d i c c h i p ，t h es e p a r a t i o n v o l t a g ei s2 0 0 v c m ，t h es e p a r a t i o nt i m ei sl e s st h a n1 2 0s e c o n d s ；a c c o r d i n g t oc c d f l u o r e s c e n c ei m a g e s ，t w od i s t i n c tp h y s i c a lp r o c e s s e s s t a c k i n ga n dd e s t a c k i n gd u r i n g s a m p l ei n j e c t i o n w e r es t u d i e d q u a l i t a t i v e l y ；r h o d a m i n e b 。ak i n do f t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t f l u o r e s c e n c e d y e ，w a s u s e d a s p r o b e t o d e v e l o p a t e m p e r a t u r e f u o r e s c e n c ei n t e n s i t y e q u a t i o n ，t h e nt e m p e r a t u r e c o l o rm 印i n m i c r o c h a n n e l sw a sc o n s t r u c t e d ，a n dt e m p e r a t u r et r a i ti nm i c r o c h a n n e l so nt h ep d m s m i c r o f l u i d i cc h i pw a sa n a l y s e d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t s ，w ec o n e l u d et h a tt h ee l e c t r i c f i e l da p p l i e dt ot h ep d m sm i c r o f l u i d i cc h i ps h o u l dn o te x c e e d4 0 0 v c m k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p ，j _ t t a s ，p d m s ，s o f l l i t h o g r a p h y 2 第l 章引言 第1 章引言 财富杂志曾载文指出，在2 0 世纪科技史上有两件事影响深远，一是四 十年几年前出现的微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，改交了我们的经 济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是在9 0 年代开始进行研究的 以微机电加工技术为基础的微全分析系统( 如生物芯片) ，它将改变生命科学的 研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。 微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，即岍a s ) 也称芯片实验室 ( l a b o n a - c h i p ) ，它是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一 器件上，且能执行特定的分析功能。它的目的是通过化学分析设备的微型化与集 成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析器件中( 如各类芯片) ， 实现分析实验室的“个人化”、“家用化”。根据微全分析系统的特点，有人提出 了个人实验室p l ( p e r s o n a ll a b o r a t o r y ) 的概念，这实际上指出了微全分析系 统的发展方向。 并非所有微全分析系统均以芯片形式存在，当前的微全分析系统可分为芯片 式与非芯片式两大类。目前芯片式微全分析系统是发展重点，其中依据芯片结构 及工作机理它又可分为两大类：即微阵列芯片( m i c r o a r r a yc h i p ) 和微流控芯 片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) ，二种技术问虽有少量交叉但基本经历了各自独立的发 展过程。微阵列芯片的实质是在面积不大的基片表面上有序的点阵排列了一系列 固定于一定位置的可寻址的识别分子。它以生物技术为基础，以亲和结合技术为 核心，以在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。它的特点是 使用方便，测定快速，一般是一次性使用，并有很强的专用性。这类芯片在前几 年发展较快，在国外已实现产业化，生产生物芯片的企业数以百计。另一类芯片， 即微流控芯片，它的实质是在基片上使用微加工技术加工出l o l o o p m 宽的沟道 系统。它主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以 微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点。它把整个化验室的功 能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次 使用，因此具有更广泛的适用性。 微芯片型分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到 第1 章引言 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千家万户创造了条件。微流控芯片分析系统除涉 及到大量的微加工技术和芯片材料的知识外，还涉及到广泛的基础理论和应用基 础知识，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关 的研究提出了挑战。继微阵列芯片之后，微流控芯片已成为微全分析系统当前的 发展前沿，与之相关的研究论文呈爆炸性增长，国际间的交流活动曰益增多，微 流控分析芯片正开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段。 1 1 微流控芯片型微全分析系统的发展简史 早期发展阶段( 1 9 7 5 1 9 8 9 ) ：1 9 7 5 年，t e r r y 等人在一块硅片上加工出了一一 种芯片型的气相色谱分析器，它由一个注液阀门和一个1 5 米长的分离柱组成， 能在几秒钟内对混合物进行分离。虽然这个器件具有尺寸小，分离快速的突出特 点，但是由于当时分离技术相对落后以及缺乏对类似器件的操作经验，整个科学 界对这项划时代的工作响应寥寥。这段时间的较受关注的研究领域是对微泵、微 阀以及化学传感器的微加工，而将微泵、微阀、化学传感器与其他结构( 如微流 道) 进行集成研究的报道相对较少。 图11 微全分析系统的概念框架 复兴期( 1 9 9 0 - 1 9 9 3 ) ：微全分析系统的概念是在1 9 9 0 年首次由瑞士 c i b a g e i g y 公司的m a n z 与w i d m e r 提出，当时主要强调了分析系统的“微”与 “全”，及微管道网络的m e m s 加工方法，而并未明确其外型特征。次年m a n z 等 4 第1 章引言 人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，从而把微系统的主要构型 定位为一般厚度不超过5 毫米，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片。 图1 1 是m a n z 提出的微全分析系统的概念框架图，在一片单一芯片上集成了样 品注入、稀释、反应及分离检测等组件。由于当时的化学传感器的性能不尽如人 意，因而微全分析系统是作为一种新型的化学传感器的概念而被提出的，其目的 是为了提高分析能力而不是减小尺寸。这个概念被提出之后，人们很快地意识到 器件尺寸的减小会带来很多的好处，除了试样与试剂消耗大大降低外，对各种分 离技术的集成还使得我们能够在单一器件上监控多种样品组分。总结一下，微全 分析系统能够独立完成样品运输、监控、处理、分析( 如色谱、电泳等) 、检测 等功能。 一般使用微泵、微阀操控样品在微全分析系统中的微流体沟道内运动。这期 间电渗泵获得了科研人员的格外的关注并对之进行了相关的研究工作，与传统的 微机械泵相比，电渗泵具有不需要进行机械部分的微加工，不需人为操控泵的定 位，其效果可以作用到整个微流体沟道，使用电压控制操作方便等优点。1 9 9 2 年，m a n z 等人成功的利用硅和玻璃芯片完成电泳分离试验，在这些应用中，使 用了电渗泵来代替机械的微泵、微阀来对液流进行控制，证明了电渗泵应用于微 流体沟道系统的可行性 1 】【2 】。这之后的研究关注于提高玻璃、硅芯片的电泳效率； s e i l e r 等人使用激光诱导荧光检测法，利用芯片电泳对f i t c 标记的氨基酸混合 物和荧光染料进行了分离，分离时间小于3 0 秒【3 】。这时期的微流控芯片除了用 于对生物样品的分离外，还有在其上进行化学反应、生物分子和细胞操纵方面的 报道。 快速发展期( 1 9 9 4 - 1 9 9 7 ) ：进入1 9 9 4 年，有关i _ t t a s 方面的论文数急剧增多， 更多的研究小组进入到了这个研究领域当中，基于芯片的新的分析方法不断的出 现，在这之后的几年中，科研人员对微加工技术、分离方法、扩增技术、检测技 术、在片的生物化学反应等领域开始进行广泛地研究。 深入研究阶段( 1 9 9 8 一目前) ：这期间，科研人员对旧a s 的各个相关领域进 行了更加系统深入地研究，国际间的交流更加频繁，各国对旧a s 的研究投入也 不断加大，新方法、新工艺、新材料不断地获得应用，出现了更多的市场化的产 品( 如日立、岛津、安捷伦都推出了盯a s 的相关第一代产品) 。 第1 章引言 1 2 微流控芯片的基本概念 在1 0 1 0 0 p a t 宽的沟道系统中对流体或气体进行操控的技术被称为微流控技 术，以微流控技术为核心、通过i d e m s 技术加工出的、应用于生物、化学、生物 医学等领域的芯片型微全分析系统被称为微流控芯片。 表1 1 微流控芯片的应用 微流控芯片的应用领域实际应用 基因、蛋白质研究快速高通量测序、d n a 指纹识别、法医学应用、 基因表达分析等 化学、生物战防御病原体、毒素的检测和确认、早期诊断、治疗类 选法等 临床分析对血液和体液进行快速分析、根据棉衣、酶分析 的结果进行及时诊断、电化学检测、细胞技术等 高通量药物筛选药物的并行反应和分析、毒理分析等 环境检测原位环境污染分析 植入式器件用于活体药物输送、以及活体疾病状况监测等 作为化学或生物化学研究的的实验工并行反应、分析用生物样品的纯化、p c r 、r t - p c r 具( 如微量有机合成、样品制备、核反应等 酸序列放大等) 作为进行基础研究的平台( 如研究流研究微流道内电渗和拉曼流特性、研究酶底物的 体特性、研究化学反应进程、仿生研扩散特性、开发具有生物功能的器件、单分子检 究或研究微量样品等)测等 微流控芯片具有广泛的应用前景，表1 。1 对它的应用领域和实际的应用情况 进行了总结。微流控芯片应用于这些领域的会带来很多好处，首先，微加工技术 的使用让我们能够大规模的；b n 3 2 应用器件，这不仅降低了制造和使用成本，还使 得器件的一次性使用成为可能；其它的好处包括分析所用的时间减少；样品和试 剂的消耗量大大减少；减少可能的有害中间产物的生成：提高分离效率；提高设 第1 章引言 备的便携性等。另外，还有很多研究在较大尺寸的平台上难以或不能进行，而微 流控芯片的功能组件的尺寸和流速与活体环境类似( 约l o r n ，0 1 c m s ) ，这样， 利用微流控芯片平台可以获得更为精确的数据，有利于我们更好的理解生理过程 的机制。我们还必须考虑到，器件尺寸的减小虽然提高了分析分辨率，却增大了 检测难度，增大了堵塞的可能性，表面更容易产生吸附现象。 1 3 加工微流控芯片的材料和微加工技术 早期用于加工微流控芯片的材料是各种玻璃底片，从价钱便宜的玻璃到高品 质的石英都可以作为加工微流控芯片的材料【4 】 5 】。由于玻璃具有非常出色的光学 特性，对其的表面特征了解也很深入，再加上源自微电子工业的成熟的微加工技 术，玻璃底片成为最常用的加工微流控芯片的材料。最近，许多种聚合物被用来 加工微流控芯片，由于聚合物芯片的成本较低，用完后可以直接丢掉，因此其受 到愈来愈广泛的关注。对于不同的材料，微加工过程是不同的。 1 31 玻璃材料微流控芯片的微加工技术 在玻璃片上甩牺牲层 甩光刻胶 曝光 罡竺曼曼光刻胶 一一些趣挫二= 。竺掩膜 = = = = ：= = 二= = = ：c ，c j 曲【= = ：= ：= = t 一 “、 | ! 竺搴竺! ! ! 竺! ! 竺竺竺! 当 暴露山腐蚀位置e 三! 寰曼曼5 7 曼专三：! ! 烹 移去光刻胶和牺牲层 _ 二j _ ? 。? 4 。二 封装 制成芯片 图1 2 光刻技术加工玻璃微流控芯片的流程图 7 第1 章引言 玻璃底片上的结构通常是使用标准的光刻技术生成的【4 f 5 】，图1 2 是利用光 刻技术加工玻璃微流控芯片的流程图。首先，在玻璃底片的表面上喷涂上一层将 被腐蚀的牺牲层，常用的牺牲层是c r a u 结构【4 】【6 】。c r 薄膜层( 厚度通常为 1 0 0 5 0 0 a ) 的作用是加强底板和金层之间的粘合，它是真正的牺牲层。几乎所有 的玻璃腐蚀液对c r a u 层都有效，特别是h f h n 0 3 腐蚀液。h f h n 0 3 腐蚀液还对 其它的腐蚀牺牲层，如多晶硅等起作用。作为牺牲层的多晶硅【7 】与c r a u 相比对 玻璃的粘性更好，在以高浓度的h f 作为腐蚀液时的效果更好，利用这种方法可 以加工出质量较高、缺陷较少的深沟道( 7 0 m ) ：也可以利用光刻胶作为加工较 浅通道的掩膜，在这种情形下，光敏材料起这两个作用，一个是作为牺牲层，另 一个作用是用来传递掩膜的结构模式【8 】1 9 】。 接下来确定底片上将被腐蚀部分的位置，即将设计好的芯片结构模式转移到 底片上。将一层光敏材料甩到牺牲层的顶部，光敏材料作为一种聚合物在显影剂 溶液中曝光后变得可溶( 对活性光敏材料来讲) 或不溶( 对惰性光敏材料来讲) 。 接下来，使掩膜指定的将要被腐蚀的区域的光敏材料曝露于光照中。掩膜是根据 用户设计确定的结构，一般对光照来说，要被腐蚀的区域是透明的，而背景却不 透光( 或正相反) 。然后烘烤芯片上固定未曝光的区域，而经过曝光处理的光敏 材料将在显影剂溶液中分解。接着的步骤是使用合适的腐蚀液去除曝光区域的牺 牲层，同时未曝光处光敏材料底下的牺牲层不会受到影响。 这时事先设计的结构模式已经转移到微芯片上，并且此时微芯片上的这些位 置的牺牲层已去掉了，接下来的过程就是化学腐蚀了。通常以h f 作为做主要的 腐蚀液，它可以在各种各样的溶液中制备，如h f n h 4 f ，h f h n 0 3 等。通过对温度 的调节，h f 对玻璃的腐蚀速度可以很好的得到控制。腐蚀过程可以用轮廓测定 计( p r o f i l o m e t e r ) 来监控。微通道腐蚀成型后，再将牺牲层剥离，然后凿出连 接孔。可在被腐蚀的底片或另一块平板玻璃片上凿出连接孑l 来确定贮液池，一般 在被腐蚀的底片上凿出连接孔，这样两片的粘合会更容易。最后，将上有腐蚀成 型沟道的玻璃底片与另一块玻璃底片进行键合制成完整的微流控芯片。玻璃键合 的最常见的方法是热扩散法( t h e r m a ld i f f u s i o n ) ，其他还有化学活性键合法 ( c h e m i c a la c t i v a t e db o n d i n g ) 、胶粘淬火法( a d h e s i v ea n n e a l i n g ) 等。 第1 章引言 1 3 2 聚合材料微流控芯片的微加工技术 使用玻璃、硅基材料加工微流控芯片虽然工艺技术成熟，但有一个严重的劣 势就是加工成本过高，这尤其在加工用于d n a 测序和并行药物筛选等面积较大 ( 约l o o c m 2 ) 的微流控器件的时候表现得更为明显。使用聚合材料加工微流控芯 片则具有很大的成本优势，这一点对于强调“一次性使用”的分析应用领域( 这 方面的应用要绝对避免交叉污染) 是非常重要的。 塑性微流控芯片的加工方法包括激光消融法( 1 a s e ra b l a t i o n ) ，铸模法 ( m o l d i n g ) 等，铸模的方法很多，根据使用的材料的不同，有喷射模塑法 ( i n j e c t i o nm o l d i n g ) ，压缩模塑法( c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) ，热压纹法( h o t e m b o s s i n g ) ，软印法( s o f tl i t h o g r a p h y ) 等。常用的加工塑性微流控芯片的材 料有聚碳酸酯p o l y c a r b o n a t e 、聚甲基丙烯酸甲酯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 ) 、聚苯乙烯p o l y s t y r e n e 、硝化纤维n i t r o c e l l u l o s e 、聚乙烯 p o l y ( e t h y l e n e ) 、聚四氟乙烯p o l y ( t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ) ( t e f l o n ) 、聚二甲基 硅氧烷p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) 等。一般加工塑性微流控芯片的流程 是这样的：首先是利用传统的光刻工艺加工微流控芯片的模具，然后用铸模法得 到沟道未封闭的微流控芯片，最后进行封装得到微流控芯片。 激光消融法是通过吸收短波长的激光脉冲来打破长链聚合物的共价键，形成 分解的聚合物片断。然后再根据掩板的设计，通过x y 方向控制激光的位置，得 到不同形状尺寸的微孔穴和微通道。最后所得到的微流控芯片结构特点是：受热 破坏小，通道壁垂直，得到通道的深度是确定的 1 。 使用铸模法加工微流控芯片的方法一般包括两个步骤，首先是加工模具，然 后将沟道模式从模板转移到聚合物底片上。根据对沟道的尺度和精度的不同要 求，可以使用不同的技术来制造模具。对于加工尺寸较大的模具( 1 0 0 m ) ，利 用计算机数字控制法( c n c ) 加工出的不锈钢模具就足以满足要求了；对于加工 尺寸较小的模具( l o o g m ) ，可以先在硅片上甩上光刻胶，然后利用光刻技术对 光刻胶进行腐蚀得到所需结构，最后在上面电镀上金属材料( 如镍或镍一钴合金) 制得模具；对于加工具有更精细结构的模具，则需要使用l i g a 技术。l i g a 技术 使用同步加速器产生光刻用的x 射线，然后进行电镀处理得到模具。 9 第1 章引言 可通过喷射模塑法、压缩模塑法、热压纹法、软印法进行复模，得到微流控 芯片。喷射模塑法是将聚合材料融化后喷注在放置于铸模腔中的模具上，5 1 0 秒后进行脱模，这种方法非常适合大规模的加工低成本的器件 1 l 】。热压纹法过程 中，先将模具和聚合材料底片分别至于真空中加热至一定的温度，然后将模具与 聚合材料底片表面紧密接触，压出沟道的纹理，这个过程一般要进行相对较长的 时间。软印法不需要对模具和聚合材料进行事先加热处理，而是直接将聚合材料 浇铸到模具上。 常用的聚合材料微流控芯片的沟道封闭方法为热叠合法 ”】。利用这种方法 得到的封闭沟道具有两种不同的表面特征，聚合材料微流控芯片具有一种表面特 性，热压薄层具有另一种表面特性，如果两种材料的表面特性不匹配或未经过特 殊处理的话，会影响微流控芯片的性能( 如分离效果) 。另一种粘合技术是利用 退火的方法在室温下将铸膜得到的底片与另一薄片直接粘合 1 3 】 1 4 】，使用聚二甲 基硅氧烷( p d m s ) 加工微流控芯片经常使用这种方法进行沟道封闭。实际上，目前 对于键合的机制了解的不是很清楚，有关这方面的详细研究报道还很少。 最近，国外有许多使用p d m s 材料加工微流控芯片的报道，我们也在国内率 先进行软印法加工p d m s 微流控芯片的研究，这种方法将会在下一章详细介绍。 另外，加工p d m s 微流控芯片的方法还有三明治法( m e m b r a n es a n d w i c h ) 和固体 铸模机打印法( s o l i d - o b j e c tp r i n t i n g ) 图1 3 是三明治法加工具有三维结构的p d m s 微流控芯片过程示意图，这种 方法是将两层以上的p d m s 膜( 大约l o o p m 厚) 或p d m s 片( 厚度大于i m m ) 堆砌 成三维的复杂沟道系统。如图1 3 ，先利用多级光刻技术制得模具，这种方法需 要加工出两个以上的模具，然后使用复模法分别加工出上有不同结构的p d m s 膜 或p d m s 片，在特氟纶层施加压力以保证纵向的连接沟道完全穿过p d m s 膜，最后 在立体显微镜下通过微操作器 1 5 【1 6 将表面氧化处理后p d m s 膜和p d m s 片对准封 装成具有三维结构的p d m s 微流控芯片。利用这种方法已经制出了用于沉积细胞、 蛋白的p d m s 微流体系统”】。研究人员还用这种方法加工出了一种能够进行二维 凝胶电泳三维p d m s 微流控芯片，首先在一个方向上进行电泳，这个过程完成之 后，再与垂直方向上的微流道连通，开始另一个方向上的电泳，利用这种系统， 成功地对荧光素标记的脱水酶、荧光素标记的牛血清清蛋白、德克萨斯红标记的 第1 章引言 卵清蛋白的混合物进行了分离 1 7 。 图1 3 三明治法加工具有三维结构的p d m s 微流控芯片过程示意图 图1 4 三明治法加工出的具有三维结构的p d m s 微流体沟道照片 图1 4 给出了两种三明治法加工出的具有三维结构的p d m s 微流体沟道照片。 其中左图是一种织篮式的p d m s 微流体沟道系统的照片( 沟道内充满液体) ，右图 第l 章引言 的照片的p d m s 徽流体沟道的结构鼹蠢形淘道外面盘旋着环形沟道( 沟道肉充满 液体) 1 8 】。 圈1 5 固体打印法加工p 酬s 微流控芯片过程示意图 图1 。5 是剥雳隰俸铸模掇努馥法热工p d m s 微滚控芯片过程示意图。这里使 用了一种特殊的固体打印机，根据枣先设计好的文件，将p d m s 微流控芯片的模 吴囊搂“打窝”毒采，打露掰嚣黪“墨承”是一释熬塑篷黧瓣，攘蹙露l 努嚣，再 用复模法加工出p d m s 微流控芯片。与利用光刻技术加工模具的方法相比，固体 打印法加工过程简筚，不需要曝光梳、显影液和干净的房淄等；遮耪方法需要使 用的固体打印机的价格( 约$ 5 0 0 0 0 ) 比光刻用的掩模对准器( 约$ 2 0 0 0 0 0 ) 便宣： 固体打印法加工的器件尺寸范围徽宽，可从微米缀到厘米级，这样就可以一次加 工线多级续掏或蘑粳较大的模具，从丙达到节省成本的垦的；制作过程省时豁力； 使用的材料都是无毒的，可以在没有通风设施的环墒中加工。这种方法的缺点是 分辨率较低，烈援这秘方法韪够趣互兹最零沟道要达到2 5 0 微米窕；搜爆黪耱辩 在极端的环境之下容易变形；利用这种方法加工出来的器件表面比较粗糙，这限 割了萁在巍学主懿液溺。 1 2 第1 章引言 a bcd o q 9 0 61 5 0 02 0 图1 6 固体打印法加工的p d m s 微流体沟道扫描电镜图 图1 6 的a 、b 、c 是用热塑性塑料模具经复模法加工出的p d m s 微流体沟道 扫描电镜图，d 是它们的表面粗糙程度曲线。这种方法可用来加工p d m s 微流体 混合芯片，还可以用来加工具有三维沟道的p d m s 芯片。 1 4 微流控芯片的设计 微流控芯片发展到今天，设计方面已取得了很大的进展，从简单的单通道结 构到愈来愈复杂的结构都已有报道。通道的几何形状和长度的设计规则也发展起 来，计算机辅助设计( c a d ) 工具的使用使得芯片的设计更容易。微流控芯片的 结构决定了它所能行使的功能及发生在器件上的系列功能行为。严谨的设计使得 微流控芯片能够完成在片反应和多通道分离等复杂功能。 在过去的几年当中，微流控芯片的设计已取得了很大的进步，出现了具有不 同结构，能行使不同功能的芯片，图1 7 给出了些微流控芯片的结构设计图。 第一个用于毛细管电泳的微流控芯片是一个加工在一个相对较大的底片( 1 4 8 3 9 c m ) 上的单一通道，如图1 7 a 所示【2 】；几年以后，出现了含有两个交叉通 道和四个用于样品，废液，阳极和阴极的贮液池的微芯片【2 。通过引入u 型回 弯沟道可以大大的增加分离通道的长度，如图1 7 b 所示 2 1 ：为了更进一步的扩 展分离路线长度，还设计出了一种叫做同步循环( s c c e ) 的毛细管电泳微芯片： 它的通道形成一个循环，并带有两对相连的电极。在两对电极之间切换电压使得 分离物在环状通路内循环迁移，这样可以增加分离路线长度，如图1 7 c 所示； 还可以在微流控芯片上集成微反应器，并在上面完成在片反应，如样品制备及柱 第1 章引言 a c e g h h 1 0 2 衄 d f h 1 4 k 坚l ! ! l 一 第1 章引言 图l ，7 一些微流控芯片的结构设计图 后衍生( p o s t c o l u m nd e r i v a t i z a t i o n ) 等，如图1 7 d 所示【2 2 1 ；其它的还有在 芯片上建构长方形通道，通过样品毛细管注入样品【2 ”、能进行自由溶液毛细管 电泳微流控芯片的设计等【2 ”。而一般常用的微流控芯片设计是单通道结构。 为了同时分析大量样品，可以在微流控芯片上设计出分离通道阵列。多通道 的微流控芯片在设计上要考虑到各种因素，如具有多分离通道微流控芯片的几何 形状受到底片尺寸、检测方法的限制，同时样品池和废液池要占据一定的空间， 并且其形状的设计应与进样设备匹配，还有一个限制是所有的通道必须有相同的 几何形状，并且从阳极到阴极，从进样区到检测器的距离要相等。图1 7 e 是用 来测定基因型的多通道微流控芯片，这个微芯片使用4 8 个平行的分离通道，它 能在八分钟内分离两组样品( 每组有4 8 个，共9 6 个样品) 2 5 1o 最近，由9 6 个 放射型的分离通道组成的微流控芯片也已被设计出来，用来进行d n a 测序，如图 1 7 f 所示【2 6 。 w a t e r s 等人加工出了一种微流控芯片，将四个p c r 小室分别与毛细管电泳 通道相连，可以同时或依次地分析聚合酶链式反应产物，芯片结构如图1 7 9 所 示【2 7 】：b u r n s 等人报道了一种高度集成的微流控芯片系统，它集成了微流体控制、 流量监测、带有加热装置和温控传感器的p c r 反应室、有内置电极的凝胶电泳通 道、进行荧光检测的光电探测器等组件，系统结构如图1 7 h 所示2 8 1 ；研究人员 设计了带有u 型结构沟道的微流控芯片，能够进行p c r 反应，样品可以流经三个 不同的温度带，图1 7 i 是k o p p 等人设计的带有u 型结构沟道的p c r 反应微流控 第1 章引言 芯片。 b e c k e r 等人设计了熔凝石英材料的微流控芯片，能够进行二维毛细管电泳， j 出片由8 0 他- n 宽的单一沟道和与之垂直的5 0 0 条9 0 0 n m 宽的沟道阵列组成，如图 1 7 j 所示；h o s o k a w a 等人设计了一种微流控芯片，它的沟道带有四个垂直的 微毛细管疏水阀，能够对6 0 0 p l 的液滴进行精确的测量和混合 3 1 ；h u a n g 等人设 计了一种会聚的毛细管电泳微流控芯片，在检测窗附近呈高密度阵列，方便进行 扫描检测3 2 ；p a e g e l 等人设计了微流控芯片，通过改变回弯曲率和角度来减小 由于回弯结构产生的区带展宽效应【3 3 】；h a n d i q u e 等人设计了一种微流控芯片， 通过疏水表面处理和空气压力的结合作用，可以精确的测量亲水的微流体沟道内 的纳升级的液滴【3 4 i ；s c h a s f o o r t 等人设计了一种微流控芯片，通过对4 0 0 n m 长 的微流道壁施加1 5 m v c m 的轴向电场来控制电渗流的方向【3 5 。 1 5 微流控芯片的执行功能 由于微流控芯片具有设计和加工上的极大灵活性，因此可以用它来执行诸如 样品制备、操控、化学反应、衍生和分离等功能。单一的微流控芯片可能只具有 某一项功能，或者能够完成多种功能，这取决于设计者的应用要求，功能的集成 度越高，设计和加工的难度也越大。目前的大部分研究工作集中在具有单一功能 或功能集成度较小的微流控芯片上，但是设计加工出功能高度集成的微流控芯片 始终是这个领域研究人员的奋斗目标。本节主要从执行功能的角度介绍微流控芯 片研究进展情况。 1 5 1 样品制备 微流控芯片上进行样品制备的报道很多。b e l g r a d e r 等人设计了上面集成了 微声波降解器的微流控器件，它能完成d n a 提取、p c r 放大、检测的功能，执行 整个过程的时间小于1 5 分钟3 6 】：使用同样的系统，t a y l o r 等人研究了微声波降 解器头部尖端与液面保持接触的情况，并提取了细菌孢子中的d n a 以证实这种方 法的有效性吲；s m i t h 等人报道了集成了双层透析膜的上有u 型沟道的微流体 1 6 第1 章引言 芯片，能够完成样品萃取功能口8 】；j i a n g 等人利用聚偏二氟乙烯膜进行了塑性微 流体系统的亲和吸附透析【3 9 】；h i s a m o t o 等人设计了离子敏的微流体系统，能够 选择性的对离子进行萃取4 0 】；他们还利用中性离子载体对离子偶进行了萃取【4 1 ； y u 在微流控芯片沟道内放置单片的多孔聚合材料完成芯片上的固相萃取和前聚 功能 4 2 1 ；o l e s c h u k 等人设计了一种上面集成了磁珠室的微流体器件，它利用磁 珠作为固定相完成萃取功能，利用电渗流进行洗脱 4 3 ；l i 等人利用他们自己设 计的微流控器件在进行质谱检测之前完成了样品堆积和固相萃取功能 4 4 】；w o l f e 等人加工了利用固相萃取的方法隔离核酸的微流控器件，能够完成d n a 吸附、杂 质去除、d n a 洗脱吸附的功能【4 5 】。 d e r t i n g e r 等人设计了具有三个入口的微流控系统，可在相邻的微流道内产 生了具有不同浓度的平行试剂流，将不同的试剂流引向一个出口，可以产生试剂 的浓度梯度【4 6 ；l i c h t e n b e r g 等人给出了一种样品积聚的方法用以产生较长的注 入样品塞，利用这种方法可以使注样信号放大6 5 倍 4 7 ；p a l m e r 等人研究了毛细 管介电色谱中中性样品的堆积现象，从而给出了微流体器件操作中加长注入样品 区带并减小峰宽的方法 4 8 】；c a b r e r a 等人利用区带电泳和等电聚焦的方法来积聚 细菌溶液 49 ；w e n 等人加工了微流体等电聚焦器件，并用它研究了e s i m s 应用 的稳定性5 0 】；g r a s s 等人利用热压纹法加工了p m m a 等速电泳微流体芯片，并用 它实现了有机酸的等速电泳操纵”】。 1 5 2 样品注入 集成样品注样功能的微流控芯片不但可以进行皮升量级的样品注入，还可以 实现定量样品注入。k h a n d u r i n a 等人设计的微流控芯片注样系统，其样品池和 分离通道用多孔膜相连，能够通过注入完成d n a 样品的堆积功能，之后再进行电 泳分离【5 2 ；z h a n g 等人研究了交叉结构和双t 结构注样区对样品注入影响，并提 出了改进方案【5 3 】；j a c o b s o n 等人设计的微流控芯片系统利用高压延迟产生样品 注入塞 5 4 】；a t t i y a 等人研究了应用于微流控芯片样品注入的相关参数，并提供 了参数的优化结果【5 5 i ：0 n e i l l 等人设计的注样系统能够为微液相色谱仪提供皮 升两级的样品塞【5 6 1 ；l i n 等人将微流控芯片与流动分析器直接耦联，这样就可以 第1 章引言 直接将微流控芯片与任何压力驱动装置相连而不需要任何对器件的改动 5 7 】。关 于微流控芯片样品注入方面的研究是当今微流控芯片基础研究的一个热点，这里 所列举的只是其中的一部分研究进展情况。 1 5 3 操控微流体和粒子 对微流体和粒子进行操控也是微流控芯片的一项重要功能。p o i s o n 等人详 细的研究了在毛细管电泳微流控芯片上使用电渗控制微流体的方法【5 8 1 ；l i n 等人 设计了集成了微电极阵列的毛细管电泳微流控芯片，可以减小分离所需的外加电 场【5 9 】；g h o s a l 等人研究了样品吸附对电渗流的影响6 0 1 ；j a c o b s o n 等人对在纳米 深的微流道内电驱动样品进行了研究，得到的结果与理论分析的结果一致 ”1 ； b u m e r 等人用调节染料浓度的方法研究微流道内莱曼流的特性，并用一个简单 的数学表达式来描述这个过程【“ ；k w o k 等人利用放射技术测量微流道内电驱动 粒子的运动速度【6 。 1 54 进行样品混合及化学反应 目前有许多报道是关于在微流控芯片上进行样品混合及化学反应的，如可以 在微流控芯片集成微混合器、化学反应器、酶反应器、免疫反应器等来执行相应 的功能，下面介绍两个利用p d m s 微流控系统执行相关功能的例子。 p d m s 微流控系统能够很方便的装配和拆卸，这个特性可以应用于免疫分析。 p d m s 的击穿电压为2 1 v g m ，m c d o n a l d 等人利用这个特性，设计出了一种一次使 用的p d m s 微流控芯片，可以控制e l i s a 反应所需溶液的存储和分配1 6 ”。 图1 8 的a 、b 、c 、d 是不同的电压作用于2 0 p m 的p d m s 膜的荧光显微图像， 可以看出，外加电压高于击穿电压时，p d m s 膜会被击穿，沟道由不相联的状态 变成为连通的状态，这里的p d m s 膜相当于可一次使用的阀门。图1 8 的e 是用 于e l i s a 反应的芯片的结构图，f 给出了检测窗处拍到的e l i s a 反应的结果。 在微流体沟道内进行化学反应会给我们带来很多好处。例如：微流体沟道内 的化学反应使得我们能够在原位生成反应物和进行样品修饰；微流体沟道内的化 第1 章引言 a b c d e f 图1 8p d m s 微流控芯片上的电击穿现象及应用 学反应可以大大减少价格昂贵的药品的消耗；微流体沟道内的化学反应最大限度 的避免了外界因素对反应的影响等。m c c r e e d y 等人通过将催化剂固定在p d m s 膜 上，在微流体沟道内进行了脱水、酯化反应6 ”。g a o 等人将胰岛素涂在两层p d m s 之间加工出了微反应器，当蛋白质通过微流体沟道流过微反应器时会被胰岛素分 解【6 5 。 图1 9 ：具有交叉的微流体沟道阵列的p d m s 芯片 图1 9 时一种具有交叉的微流体沟道阵列的p d m s 芯片。它的加工过程是这 样的，首先，加工出两片具有多条平行微流道的p d m s 薄片，使两片p d m s 薄片的 第