有机玻璃微液流化学芯片的研制及性能.pdf

有机玻璃微液流化学芯片的研制及性能 徐 溢 31 2 唐守渊 1 重庆大学化学化工学院1 光电技术及系统教育部重点实验室2 重庆400044 摘 要 研究了有机玻璃微液流化学芯片的制作工艺及其条件 优化了制片过程的条件 在5 15 kgf压力 170 180 保温20 min条件下使用微细金属丝和玻璃阳膜压印管道 在15 kgf压力 120 保温15 min键合 制 作了单层二维及双层三维变向的微液流芯片 并在所制作的微芯片上观测了双流体混合状态 对Luminol2 K MnO42Pb2 化学发光体系进行了测试 关键词 有机玻璃 微液流化学芯片 制作 2002209211收稿 2003203223接受 本文系国家自然科学基金 No 20007005 光电技术及系统教育部重点实验室开放课题基金资助项目 1 前 言 自Manz和Harrison上世纪90年代初对微型全化学分析系统 2 TAS 的开创性工作后1 2 这一领 域的研究逐渐成为热点 芯片制作对于 2TAS的整套系统是关键 其涉及到材料的选择 微管道形状以 及在芯片的排布和设计等 这些因素将会决定试剂与样品的混合效率 分析时间 采样频率以及所取得 信号的大小等 20世纪90年代中后期 随着微细加工技术的发展 研究者逐渐把制作微流化学芯片的 材料从硅 玻璃和石英转向到有机聚合物 3 4 如PDMS 聚二甲基硅氧烷 等具有透光性好 弹性好 制片 工序简单 底片和盖片键合温度低以及成本低等优点 适合普通实验室制作 有机聚合物制片一般采用 压印 imprinting 印刻 embossing 注塑成模以及激光烧蚀等方法 3 本文详细研究了有机玻璃 PMMA 制作微流化学芯片的过程及条件 在PMMA芯片上制作了直管 道和折叠式二维管道结构和双层三维管道结构的微流芯片 通过实验 在制作的芯片微管道中观测了液 流混合状况 发现流体更易于在折叠式二维管道和空间变向的三维管道中混合 进而可以提高混合效率 和反应效率 进一步由化学发光反应的测试 定性说明了流体驱动压力变化带来的流体混合程度的变 化 以及弯曲折叠变向管道促进样品 试剂的混合效率提高 并利用制作的芯片采用化学发光检测对标 准Pb 2 样品进行了分析测定 2 实验部分 2 1 实验材料与试剂 30 mm 40 mm 4 mm有机玻璃 边缘机械抛光 经水 乙醇洗 浸泡于蒸馏水中待用 直径200 m 的铜丝 制作成所需微管道的布局 150 下加热 用两平整金属片或玻璃片在20 kg压力下压住铜丝并 保持30 min 化学腐蚀法刻制的30 mm 40 mm的玻璃阳膜 管道深宽150 m 150 m 中国信息产业部 26所 Pb 2 标准溶液 1 10 3 mol L 鲁米诺 luminol 储备液 1 10 2 mol L H2O2 33 K MnO4 1 10 3 mol L 2 2 有机玻璃微流化学芯片的制作 有机玻璃微流芯片的结构如图1所示 图1a和图1b中A B为载流和试剂通道 S为进样口 E为 废液出口 A B两载流通道长为6 mm 进样口S1离A B距离为18 mm 1a整个混合管路的长度为200 mm 1b为400 mm 盖片上A B S和E点对应打有直径均为2 mm的孔 三维空间变向芯片是E 点处向 下连通至底层 其盖片和中间层与二维芯片相同 1 底片和盖片制作 准备50 mm 60 mm平整玻璃 两片 乙醇清洗 将制作的金属丝模型或玻璃阳膜放在玻璃片上 再将清洗好的有机玻璃片放置其上 然 后放上另一块清洗干净的玻璃片 施加15 kg的压力 在恒温烘箱中控 制170 180 保持10 min后取 第31卷 2003年8月 分析化学 FENXI HUAXUE 研究简报 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第8期 950 953 图1 有机玻璃微液流化学芯片结构示意图 Fig 1 Scheme of two types of microfluidic organic glass microchips a 单层二维结构 single layer 22D structure b 三维空间变向结构 double layers 32D structure 出 微管道即可印制于底片上 由于玻璃阳膜的凸起部分易脆 压力一般维持在5 10 kgf之间 保温20 min左右 由已制作好的底片 根据样品 载流 试剂 废液的进出口 在盖片上进行标记 然后用直径2 mm的铁丝在电炉上加热至红 对准上述标记的进出口处进行瞬间快速烧蚀打孔 注意铁丝应在温度未 大幅下降前取出 2 底片和盖片的键合 按上述方法制作好的有机玻璃底片和盖片用乙醇清洗 蒸馏 水浸泡 吹干后用脱脂棉沾取四氢呋喃在盖片上涂覆一遍 立即把底片与盖片合上 在平整的金属片夹 板上加15 kgf压力 放入120 烘箱中保持15 min冷却取出 即完成键合 2 3 有机玻璃微流芯片上微管道的观测及液流混合的观测 以显微成像技术对比观测由此制作的微流芯片和化学腐蚀法制作的玻璃芯片 在显微镜下采用了 K MnO4和亚甲基兰有色反应液流和甲基橙和溴甲酚绿无反应的双色液流进行液流混合状态观测 以 K MnO4和Luminol H2O2和Luminol作为二载流进行混合反应 用柱塞泵提供驱动压力 实验用密封胶封 住进样口 芯片放在显微镜下观测 用光电倍增管 PMT 检测时 芯片放在光电倍增管光窗上 2 4 有机玻璃微液流芯片分析系统的组装 微芯片如图1a所示 A为K MnO4溶液流路 B为Luminol流路 均由柱塞泵驱动 Pb 2 样品由蠕动 泵经S1注入 可选择采用定时或定容进样 定时进样时用密封胶封住S2 蠕动泵在S1的一边 调节蠕动 泵的蠕动时间为所需的进样时间 以此微液流芯片系统对K MnO42Luminol2Pb 2 体系进行了分析测试 实验采用了定时进样的方法 微芯片上液流导入接口采用外径2 mm 内径200 m的硅胶管 以环氧胶 封住接口处 光信号检测采用CR1052PMT PMT光窗置于芯片上选定的2 mm 2 mm反应管道检测区 域 芯片其它部分用黑色胶布封住 3 结果与讨论 3 1 有机玻璃微液流芯片刻制的工艺条件 3 1 1 微管道制作条件 具有较低玻璃化温度 Tg 的有机玻璃在加工过程中需严格控制温度 试验 发现 温度高于180 时 加热10 min有机玻璃的透光性变差 温度在170 180 间 加热30 min以上 时 透光性会逐渐变差 但温度低于170 时 加热40 min以上其透光性变化不明显 但温度低时刻制管 道所需的压力和时间都会相应增长 因此 使用金属丝在15 kgf压力下 控制170 180 保持10 min 刻制的管道较好且所需时间也较短 而使用玻璃阳膜时 压力减小到10 kgf以下并保温20 min 为避免 有机玻璃骤冷引起弯曲变形 应降至室温后取出 3 1 2 微管道的密封键合条件 本研究中没有单独采用热键合 而是先在盖片上涂覆少许四氢呋喃溶 剂 涂覆在底片上如果滞留在微管道中会使管道变形堵塞 合上洁净底片后在15 kgf压力下120 保持 10 min热键合 效果明显优于任何一种单独的封合方式 采用有机溶剂可加强底片和盖片的粘接能力 方法还试验了三氯甲烷 其溶解能力太强易使微管道堵塞 实验表明 在50 kgf cm 2 驱动压力下流体在 159第8期徐 溢等 有机玻璃微液流化学芯片的研制及性能 微管道中也不会渗漏 3 2 微管道的显微观测及流体混合状态测定 显微成象技术观测表明 直径200 m金属丝刻制的微管道宽200 m 深度为120 m 管道截面呈弧 形 几乎看不到锯齿表面 对比不同制作方法得到的微管道发现 由金属丝刻制的微管道表面最为光滑 且整体均一性也较好 玻璃阳膜刻制的微管道次之 化学腐蚀法刻蚀的玻璃微管道由于化学腐蚀的特点 而截面呈现梯形 可观测到粗糙锯齿状表面 以金属丝刻制的各种微芯片 在显微镜下观测不同颜色流体的混合状态 而在管道中的混合点位置 可定性表征不同芯片混合效率 观测结果见表1 折叠变向管道的混合效率明显高于直管 增加驱动压 力可提高流体流速 使流体有逐步由层流向湍流装化的趋势 从而促进流体混合 提高混合效率 在一 定范围内增加管道长度有利于充分混合和反应 但增加管长同时会增大流动阻力 这是32D芯片混合未 显示出优越性的原因所在 而管道越光滑 可减小液流驱动压力 图2所示为不同压力下驱动K MnO4 和Luminol混合反应以及Luminol和H2O2混合反应的压力与发光强度 ICL 关系图 ICL随压力上升而增 强 即两载流的混合反应程度随压力的增加而加剧 压力达到一定程度时ICL不再增强 表明两载流在该 压力下已混合完全 快发光反应K MnO42Luminol体系混合完全所需的压力较小 在刚好达到最大ICL时 对应液体流速是42 4 L min 而反应较为慢的Luminol2H2O2体系 混合反应完全所需时间较长 所需 压力较大 表1 微管道中两流体混合观测结果 Table 1 Mixing state of two fluids in channels on microchip 总长度 Length mm 折叠数 Number of corners 开始混合管道长度 K MnO4 Methylene blue length of mixing start mm 100 cm 液柱 column 5 kgf cm2 10 kgf cm2 开始混合管道长度 Methyl orange bromocresol green length of mixing start mm 100 cm 液柱 column 5 kgf cm2 10 kgf cm2 直管道 Straight channel 20001508658 不混合 No mixing 不混合 No mixing 不混合 No mixing 二维折叠管道 22D channel 20041036046 少量混合 Little mixing 少量混合 Little mixing 160 三维变向管道 32D channel 4008626248 在下层管路 中混合 Mixing at low layer channel 244164 图2 不同压力下两反应载流在微管道中的混合反应效率 Fig 2 Mixing reaction performance of two fluids in micropipeline with different pressure a K MnO42Luminol混合反应发光强度 chemiluminescence intensityof K MnO42luminol mixing and reaction b Luminol2H2O2混 合反应发光强度 CL intensity of luminol2H2O2mixing and reaction K MnO4 1 0 10 4 mol L luminol 1 0 10 4 mol L H2O2 1 100 259 分 析 化 学第31卷 3 3 Luminol2KMnO42Pb 2 化学发光体系的测试 由上述微液流化学芯片系统对Luminol2K MnO42Pb 2 化学发光体系进行测试 该体系的条件详见文 献 5 芯片结构为图1a 进样管道S1刻制在第二个转角处 两柱塞泵驱动K MnO4和Luminol 蠕动泵定 时进样Pb 2 溶液 两载流驱动压力为10 kgf cm 2 蠕动泵定时进样时间为1 s PMT负高压为600 V 由 于K MnO4和Luminol混合立即产生较强的发光强度 因此Pb 2 应滞后加入 故进样管道在第2个转角 处 即前面的混合管道长度为7 cm 对Pb 2 标准样品进行测试 结果表明在10 3 10 6都呈良好的线 性关系 y 909 8x 67 5 相关系数R 0 9984 对单个标准样品 1 10 5 mol L 连续测定9次 标准 偏差2 1 检出限可达10 8 mol L 3 4 小结 通过对有机玻璃微流化学芯片的制作工艺及其技术条件的研究 建立了在普通实验室制作微流化 学芯片的技术路线 对Luminol2K MnO42Pb 2 化学发光体系的测试表明 以本法制作的有机玻璃微流化 学芯片组装的微分析系统具有较好的性能 References 1 Manz A Graber N Widmer H M Sens Actuators B 1990 1 244 248 2 Manz A Harrison D J Verpoorte E Adv Chromatogr 1993 33 1 57 3 Soper S A Ford S M Qi Shize Anal Chem 2000 12 643A 651A 4 Roberts M A Rossier J S Bersier P G irault H Anal Chem 1997 69 2035 2042 5 Xu Y