一种聚二甲基硅氧烷微流控芯片的制作方法研究及评价

摘要

高分子聚合物材料具有易加工、价格便宜等特点，近年来开始用于微流控芯片的制作加工之中。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是目前制作微流控芯片最常用的一种聚合物材料，它具有聚合物材料的普遍特点，另外还有较高的光学透明度和较好的生物相容性，无毒、微复制能力强。以PDMS为材料制作微流控芯片常使用模塑法，即首先需要制作芯片的阳模，然后以PDMS预聚物浇注阳模，固化后对其打孔、封接。其中阳模的制作最为关键，常以匀胶铬板为基材，制作过程包括制光刻掩模、光刻、化学腐蚀等多个步骤，整个工艺流程比较繁琐，需要考虑和控制的因素较多，制作周期较长，且使用中玻璃阳模比较容易损坏。应用于实际研究时，为应对不同的研究对象，尽快实现研究目的，理想的芯片制作方法应该足够简便、快速、灵活并且低成本。本论文尝试以激光微加工技术快速制作芯片布局模板，再以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的有机溶液模塑制芯片阳模，初步建立了一种基于聚合物阳模快速制作之上的PDMS微流控芯片制作方法。另外，本论文建立了芯片电泳-化学发光检测系统，讨论了化学发光反应条件，并用于两组药物的分离分析，初步评价了整个系统的性能。本论文的研究内容与结果如下： 1） 提出并初步建立了以激光刻蚀不锈钢片制作含有芯片布局信息的金属模板，再以PMMA有机溶液模塑制作PDMS芯片阳模两个步骤为核心的制作方法。确定了不锈钢作为制作金属模板的材料。采用CCD显微成像技术对通道表面状况进行监测和分析，确定了Nd3+ : YAG固体激光的较佳刻蚀参数：激光驱动电流为22 A，重复频率为45 kHz，激光扫描速度为4 cm/s，刻蚀重复次数为80次。采用模塑法，以PMMA氯仿溶液浇注金属模板制作芯片阳模，确定了PMMA粉末与氯仿的较佳混合比例，提出并使用差异粘度多次浇注的办法保真复制金属模板，制得良好的PMMA阳模。设计、自制了用于固定PMMA阳模、浇注PDMS的围堰。 2） 确定了107硅橡胶的固化配方范围。相对于100个单位质量的主胶，交联剂的质量比例选为0.5-0.8，催化剂的质量比例选为0.4-0.7，该配方下聚合物在室温24小时内完全固化，固化后胶体具有一定弹性和强度，表面粘性适中，可以实现PDMS的自然封接。自制了PDMS芯片打孔器。通过调整片基和盖片配方，使两者在主胶/交联剂的比例上存在一定差异来提高封接强度，确定了相应的比例配方。发现并使用薄PDMS盖片（PDMS薄膜）有利于提高自然封接的强度。 3）自制了用于芯片电泳-化学发光检测的支架和暗盒，选用“十”字形布局电泳芯片，采取化学发光柱后反应检测形式，组建了芯片电泳分离-化学发光检测的系统。比较了鲁米诺-H2O2体系和鲁米诺-铁氰化钾体系两种化学发光体系，本文选用了鲁米诺-H2O2发光体系，该体系发光强度较大，信号比较稳定。考察了6种反应溶液混合模式对发光信号的影响，发现采取在分离通道中运行H2O2缓冲液，而在柱末端反应池中放置鲁米诺溶液的形式所得信号较强、较稳定。考察H2O2浓度对化学发光的影响、Luminol溶液pH值和浓度对化学发光的影响和Cu2+浓度对化学发光的影响，优化了检测条件，对亮氨酸和苯丙氨酸、硫脲和氧氟沙星两组样品进行了分离分析。最后对本系统进行了评价，分析了问题的原因。由于该系统所选用了反应试剂混合方式、简单进样方式，以及电泳时没有在样品池两端施加抑制电压，系统存在分离检测效果不好、定量能力较差的不足。