一種新穎的微納流體器件制造方法與痕量富集應(yīng)用

徐征　李永奎　王俊堯　劉沖　劉軍山 陳莉　王立鼎

摘要 建立了一種利用光致聚合反應(yīng)制備微納流體器件的新方法，并開展了相應(yīng)的痕量富集實(shí)驗(yàn)研究：建立描述光致聚合反應(yīng)中引發(fā)劑分解、自由基消耗、聚合反應(yīng)等的理論模型，利用COMSOL軟件計(jì)算分析了微尺度凝膠光致聚合反應(yīng)過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時(shí)間和光強(qiáng)的變化規(guī)律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)孔密度可調(diào)的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎(chǔ)，對(duì)納流體電動(dòng)富集過程進(jìn)行計(jì)算，確定納孔密度與富集倍率的關(guān)系；利用制備的芯片開展納流體電動(dòng)富集實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)液中單體丙烯酰胺與交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質(zhì)量比為9∶1時(shí)，對(duì)痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）小分子的富集倍率達(dá)到600倍。

關(guān)鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動(dòng)富集； 光致聚合反應(yīng)； 納孔密度

1引言

微流控技術(shù)是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應(yīng)器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進(jìn)行的檢驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)轉(zhuǎn)移到芯片平臺(tái)上[1～4]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發(fā)展便攜式檢測(cè)儀器，微流控技術(shù)必將在其中發(fā)揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺(tái)的微小型檢測(cè)器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測(cè)定痕量物質(zhì)困難，亟待研究適用于微流控平臺(tái)的痕量樣品高倍富集方法，實(shí)現(xiàn)大幅度降低對(duì)檢測(cè)器靈敏度的要求。

近來研究發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)納流體進(jìn)行電動(dòng)控制，能夠?qū)⒘黧w中的痕量物質(zhì)定向遷移并聚集在特定區(qū)域，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)百萬量級(jí)的高倍富集。這種技術(shù)有可能在微流控領(lǐng)域得到規(guī)?；瘧?yīng)用。目前，在學(xué)術(shù)界對(duì)納流體電動(dòng)富集的機(jī)理有多種解釋，一般認(rèn)為雙電層在納空間限域內(nèi)的重疊是主要原因：當(dāng)流道截面尺寸縮小至百納米級(jí)時(shí)，納流道各壁面附近的雙電層將會(huì)在流道內(nèi)相互重疊，與雙電層電性相同的離子受雙電層阻礙而難以通過，在納流道入口處富集，而反離子將快速通過。利用這種電動(dòng)納流體輸運(yùn)的選擇性效應(yīng)，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內(nèi)，就可以在微納交界處實(shí)現(xiàn)樣品富集。

納流體電動(dòng)富集的相關(guān)研究可大致分為微納流體器件集成制造和微納流體富集機(jī)理兩方面。

在微納流體器件集成制造方面，Han等提出了一種基于微流體的圖形化技術(shù)，能在玻璃基片上制備薄帶狀Nafion膜，然后與具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）蓋片鍵合，制備微納流控芯片，將微納流控芯片用于低豐度酶分析和靶蛋白分析等，顯著提高了反應(yīng)速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個(gè)具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結(jié)構(gòu)的芯片，在納孔和微流道結(jié)合處觀察到了樣品富集[7]；文獻(xiàn)[8，9]分別利用二次刻蝕技術(shù)和無光膠光刻技術(shù)制作了玻璃和聚合物材質(zhì)的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術(shù)，通過在兩條微流道上施加高電壓，在其交界處形成納米孔隙結(jié)構(gòu)，從而得到微納流控芯片，并將芯片應(yīng)用于蛋白質(zhì)的富集純化和酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結(jié)構(gòu)還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動(dòng)富集機(jī)理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機(jī)理模型，分析了離子的富集耗散效應(yīng)[15]；SilberLi等對(duì)耗盡區(qū)和富集區(qū)分別進(jìn)行了觀測(cè)，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對(duì)富集穩(wěn)定性的影響規(guī)律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對(duì)富集的作用，發(fā)現(xiàn)調(diào)整表面電荷密度等能增加電泳與電滲流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究發(fā)現(xiàn)離子初始濃度[19]、納流道數(shù)量[20]及其幾何尺寸[21]等對(duì)納流體電動(dòng)富集也有一定影響。

在此類微納流體器件中，納結(jié)構(gòu)的密度對(duì)富集效果影響顯著，如何在微流道內(nèi)集成高密度的納結(jié)構(gòu)就成為提升器件性能的關(guān)鍵，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技術(shù)很難在有限空間集成高密度納結(jié)構(gòu)。本研究針對(duì)這一微納集成關(guān)鍵問題，以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，控制微尺度空間的光致聚合反應(yīng)，研究了凝膠納米篩的形成機(jī)理和孔隙調(diào)控技術(shù)，建立了在微流道內(nèi)集成孔密度可控的納米篩的簡(jiǎn)易方法，實(shí)現(xiàn)微納流控芯片制造，最后利用芯片開展痕量富集實(shí)驗(yàn)，探討了納孔密度對(duì)富集倍率的影響。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1凝膠光致聚合反應(yīng)的數(shù)值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黃素催化作用下聚合而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。核黃素作為光引發(fā)劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應(yīng)，使丙烯酰胺成為自由基，引發(fā)聚合，最終形成凝膠納米篩結(jié)構(gòu)。本研究利用COMSOL軟件對(duì)聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強(qiáng)和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。

反應(yīng)中各種物質(zhì)的濃度隨時(shí)間的變化可以通過以下微分方程組來描述，包括光引發(fā)劑分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反應(yīng)（式3和4）、終止反應(yīng)（式5）和氧抑制作用

摘要 建立了一種利用光致聚合反應(yīng)制備微納流體器件的新方法，并開展了相應(yīng)的痕量富集實(shí)驗(yàn)研究：建立描述光致聚合反應(yīng)中引發(fā)劑分解、自由基消耗、聚合反應(yīng)等的理論模型，利用COMSOL軟件計(jì)算分析了微尺度凝膠光致聚合反應(yīng)過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時(shí)間和光強(qiáng)的變化規(guī)律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)孔密度可調(diào)的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎(chǔ)，對(duì)納流體電動(dòng)富集過程進(jìn)行計(jì)算，確定納孔密度與富集倍率的關(guān)系；利用制備的芯片開展納流體電動(dòng)富集實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)液中單體丙烯酰胺與交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質(zhì)量比為9∶1時(shí)，對(duì)痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）小分子的富集倍率達(dá)到600倍。

關(guān)鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動(dòng)富集； 光致聚合反應(yīng)； 納孔密度

1引言

微流控技術(shù)是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應(yīng)器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進(jìn)行的檢驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)轉(zhuǎn)移到芯片平臺(tái)上[1～4]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發(fā)展便攜式檢測(cè)儀器，微流控技術(shù)必將在其中發(fā)揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺(tái)的微小型檢測(cè)器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測(cè)定痕量物質(zhì)困難，亟待研究適用于微流控平臺(tái)的痕量樣品高倍富集方法，實(shí)現(xiàn)大幅度降低對(duì)檢測(cè)器靈敏度的要求。

近來研究發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)納流體進(jìn)行電動(dòng)控制，能夠?qū)⒘黧w中的痕量物質(zhì)定向遷移并聚集在特定區(qū)域，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)百萬量級(jí)的高倍富集。這種技術(shù)有可能在微流控領(lǐng)域得到規(guī)?；瘧?yīng)用。目前，在學(xué)術(shù)界對(duì)納流體電動(dòng)富集的機(jī)理有多種解釋，一般認(rèn)為雙電層在納空間限域內(nèi)的重疊是主要原因：當(dāng)流道截面尺寸縮小至百納米級(jí)時(shí)，納流道各壁面附近的雙電層將會(huì)在流道內(nèi)相互重疊，與雙電層電性相同的離子受雙電層阻礙而難以通過，在納流道入口處富集，而反離子將快速通過。利用這種電動(dòng)納流體輸運(yùn)的選擇性效應(yīng)，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內(nèi)，就可以在微納交界處實(shí)現(xiàn)樣品富集。

納流體電動(dòng)富集的相關(guān)研究可大致分為微納流體器件集成制造和微納流體富集機(jī)理兩方面。

在微納流體器件集成制造方面，Han等提出了一種基于微流體的圖形化技術(shù)，能在玻璃基片上制備薄帶狀Nafion膜，然后與具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）蓋片鍵合，制備微納流控芯片，將微納流控芯片用于低豐度酶分析和靶蛋白分析等，顯著提高了反應(yīng)速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個(gè)具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結(jié)構(gòu)的芯片，在納孔和微流道結(jié)合處觀察到了樣品富集[7]；文獻(xiàn)[8，9]分別利用二次刻蝕技術(shù)和無光膠光刻技術(shù)制作了玻璃和聚合物材質(zhì)的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術(shù)，通過在兩條微流道上施加高電壓，在其交界處形成納米孔隙結(jié)構(gòu)，從而得到微納流控芯片，并將芯片應(yīng)用于蛋白質(zhì)的富集純化和酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結(jié)構(gòu)還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動(dòng)富集機(jī)理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機(jī)理模型，分析了離子的富集耗散效應(yīng)[15]；SilberLi等對(duì)耗盡區(qū)和富集區(qū)分別進(jìn)行了觀測(cè)，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對(duì)富集穩(wěn)定性的影響規(guī)律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對(duì)富集的作用，發(fā)現(xiàn)調(diào)整表面電荷密度等能增加電泳與電滲流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究發(fā)現(xiàn)離子初始濃度[19]、納流道數(shù)量[20]及其幾何尺寸[21]等對(duì)納流體電動(dòng)富集也有一定影響。

在此類微納流體器件中，納結(jié)構(gòu)的密度對(duì)富集效果影響顯著，如何在微流道內(nèi)集成高密度的納結(jié)構(gòu)就成為提升器件性能的關(guān)鍵，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技術(shù)很難在有限空間集成高密度納結(jié)構(gòu)。本研究針對(duì)這一微納集成關(guān)鍵問題，以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，控制微尺度空間的光致聚合反應(yīng)，研究了凝膠納米篩的形成機(jī)理和孔隙調(diào)控技術(shù)，建立了在微流道內(nèi)集成孔密度可控的納米篩的簡(jiǎn)易方法，實(shí)現(xiàn)微納流控芯片制造，最后利用芯片開展痕量富集實(shí)驗(yàn)，探討了納孔密度對(duì)富集倍率的影響。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1凝膠光致聚合反應(yīng)的數(shù)值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黃素催化作用下聚合而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。核黃素作為光引發(fā)劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應(yīng)，使丙烯酰胺成為自由基，引發(fā)聚合，最終形成凝膠納米篩結(jié)構(gòu)。本研究利用COMSOL軟件對(duì)聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強(qiáng)和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。

反應(yīng)中各種物質(zhì)的濃度隨時(shí)間的變化可以通過以下微分方程組來描述，包括光引發(fā)劑分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反應(yīng)（式3和4）、終止反應(yīng)（式5）和氧抑制作用

摘要 建立了一種利用光致聚合反應(yīng)制備微納流體器件的新方法，并開展了相應(yīng)的痕量富集實(shí)驗(yàn)研究：建立描述光致聚合反應(yīng)中引發(fā)劑分解、自由基消耗、聚合反應(yīng)等的理論模型，利用COMSOL軟件計(jì)算分析了微尺度凝膠光致聚合反應(yīng)過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時(shí)間和光強(qiáng)的變化規(guī)律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)孔密度可調(diào)的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎(chǔ)，對(duì)納流體電動(dòng)富集過程進(jìn)行計(jì)算，確定納孔密度與富集倍率的關(guān)系；利用制備的芯片開展納流體電動(dòng)富集實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)液中單體丙烯酰胺與交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質(zhì)量比為9∶1時(shí)，對(duì)痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）小分子的富集倍率達(dá)到600倍。

關(guān)鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動(dòng)富集； 光致聚合反應(yīng)； 納孔密度

1引言

微流控技術(shù)是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應(yīng)器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進(jìn)行的檢驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)轉(zhuǎn)移到芯片平臺(tái)上[1～4]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發(fā)展便攜式檢測(cè)儀器，微流控技術(shù)必將在其中發(fā)揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺(tái)的微小型檢測(cè)器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測(cè)定痕量物質(zhì)困難，亟待研究適用于微流控平臺(tái)的痕量樣品高倍富集方法，實(shí)現(xiàn)大幅度降低對(duì)檢測(cè)器靈敏度的要求。

近來研究發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)納流體進(jìn)行電動(dòng)控制，能夠?qū)⒘黧w中的痕量物質(zhì)定向遷移并聚集在特定區(qū)域，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)百萬量級(jí)的高倍富集。這種技術(shù)有可能在微流控領(lǐng)域得到規(guī)?；瘧?yīng)用。目前，在學(xué)術(shù)界對(duì)納流體電動(dòng)富集的機(jī)理有多種解釋，一般認(rèn)為雙電層在納空間限域內(nèi)的重疊是主要原因：當(dāng)流道截面尺寸縮小至百納米級(jí)時(shí)，納流道各壁面附近的雙電層將會(huì)在流道內(nèi)相互重疊，與雙電層電性相同的離子受雙電層阻礙而難以通過，在納流道入口處富集，而反離子將快速通過。利用這種電動(dòng)納流體輸運(yùn)的選擇性效應(yīng)，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內(nèi)，就可以在微納交界處實(shí)現(xiàn)樣品富集。

納流體電動(dòng)富集的相關(guān)研究可大致分為微納流體器件集成制造和微納流體富集機(jī)理兩方面。

在微納流體器件集成制造方面，Han等提出了一種基于微流體的圖形化技術(shù)，能在玻璃基片上制備薄帶狀Nafion膜，然后與具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）蓋片鍵合，制備微納流控芯片，將微納流控芯片用于低豐度酶分析和靶蛋白分析等，顯著提高了反應(yīng)速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個(gè)具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結(jié)構(gòu)的芯片，在納孔和微流道結(jié)合處觀察到了樣品富集[7]；文獻(xiàn)[8，9]分別利用二次刻蝕技術(shù)和無光膠光刻技術(shù)制作了玻璃和聚合物材質(zhì)的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術(shù)，通過在兩條微流道上施加高電壓，在其交界處形成納米孔隙結(jié)構(gòu)，從而得到微納流控芯片，并將芯片應(yīng)用于蛋白質(zhì)的富集純化和酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結(jié)構(gòu)還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動(dòng)富集機(jī)理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機(jī)理模型，分析了離子的富集耗散效應(yīng)[15]；SilberLi等對(duì)耗盡區(qū)和富集區(qū)分別進(jìn)行了觀測(cè)，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對(duì)富集穩(wěn)定性的影響規(guī)律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對(duì)富集的作用，發(fā)現(xiàn)調(diào)整表面電荷密度等能增加電泳與電滲流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究發(fā)現(xiàn)離子初始濃度[19]、納流道數(shù)量[20]及其幾何尺寸[21]等對(duì)納流體電動(dòng)富集也有一定影響。

在此類微納流體器件中，納結(jié)構(gòu)的密度對(duì)富集效果影響顯著，如何在微流道內(nèi)集成高密度的納結(jié)構(gòu)就成為提升器件性能的關(guān)鍵，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技術(shù)很難在有限空間集成高密度納結(jié)構(gòu)。本研究針對(duì)這一微納集成關(guān)鍵問題，以倒置熒光顯微鏡為平臺(tái)，控制微尺度空間的光致聚合反應(yīng)，研究了凝膠納米篩的形成機(jī)理和孔隙調(diào)控技術(shù)，建立了在微流道內(nèi)集成孔密度可控的納米篩的簡(jiǎn)易方法，實(shí)現(xiàn)微納流控芯片制造，最后利用芯片開展痕量富集實(shí)驗(yàn)，探討了納孔密度對(duì)富集倍率的影響。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1凝膠光致聚合反應(yīng)的數(shù)值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯(lián)劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黃素催化作用下聚合而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。核黃素作為光引發(fā)劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應(yīng)，使丙烯酰胺成為自由基，引發(fā)聚合，最終形成凝膠納米篩結(jié)構(gòu)。本研究利用COMSOL軟件對(duì)聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強(qiáng)和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。

反應(yīng)中各種物質(zhì)的濃度隨時(shí)間的變化可以通過以下微分方程組來描述，包括光引發(fā)劑分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反應(yīng)（式3和4）、終止反應(yīng)（式5）和氧抑制作用