聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法

摘要

本发明涉及一种聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法。采用光刻和微复制技术制作含有微流控芯片微流通道结构的聚二甲基硅氧烷阳模。将甲基丙烯酸甲酯与少量热引发剂和光引发剂混合、加热，使单体溶液预聚成甘油状清亮溶液。将一中间镂空为芯片尺寸的矩形的聚二甲基硅氧烷片放在聚二甲基硅氧烷阳模上，构成芯片模具，将上述预聚溶液注满模具空腔，再将一有机玻璃片盖在模具空腔上，用紫外光照射预聚溶液引发本体聚合，制得含微流通道的微流控芯片基片。基片与相同材料的盖片或盖膜通过溶剂辅助热压封装后，得有机玻璃微流控芯片。本发明方法操作简便、价格低廉，可进行批量生产。该芯片在环境监测、临床诊断和食品分析等领域中有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属生物检测技术领域，具体涉及一种聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法。

背景技术

作为一种年轻的分离分析技术，微型全分析系统(μ-TAS)由Manz和Widmer[1]于1990年首次提出以来，在短短的十几年中已发展成为当前世界上最前沿的科技领域之一。涉及分析化学、材料科学、电子学、微机电系统和生命科学等诸多学科。作为一个跨学科的新领域，其目标是借助微机电加工(MEMS)技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片则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，并以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、临床诊断、药物分析、法医和军事等领域显示了良好的应用前景，各种新的微流控芯片制备技术层出不穷。

微流控芯片主要使用玻璃和聚合物芯片[2]，玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是聚合物被芯片得到了发展，其制作主要采用注塑、印模、浇铸和单体注模原位聚合等技术，因为价格低廉和容易大批量生产，具有良好产业化前景，其中聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)是微流控芯片制作中较常用的聚合物[3，4]。通常有机玻璃微流控芯片采用热压印模制备技术，即在高于聚甲基丙烯酸甲酯玻璃化温度(105℃)的条件下，通过施加压力使阳膜的结构复制到聚甲基丙烯酸甲酯片上，使用刚性的硅阳膜或金属阳膜需要采用微机电加工技术，制作成本高，步骤多。

本发明利用有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯注模原位聚合技术和光引发聚合技术的优势，使用价廉的弹性聚二甲基硅氧烷阳模制作有机玻璃微流控芯片。该芯片制作技术简便、成本低、阳模使用寿命长，可用于有机玻璃微流控芯片的批量生产，有良好的应用前景。

参考文献

[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244-248.

[2]Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712.

[3]Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，56，267-287.

[4]Becker H，Gartner C.Eleetrophoesis 2000，21，12-26.

发明内容

本发明的目的在于提出聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法。该方法利用有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯注模原位聚合和光引发聚合技术的优势，使用价廉的弹性模具制作有机玻璃微流控芯片，以缩短制作步骤和降低芯片制作成本。

本发明提出的聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法，是将热引发剂和光引发剂溶解在有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯中，构成快速聚合光引发系统，于80-90℃水浴中加热15-20分钟，使单体溶该预聚成甘油状清亮溶液；采用光刻和聚二甲基硅氧烷微复制技术制作聚二甲基硅氧烷阳模，与一中间镂空为芯片尺寸的矩形的软质材料片(如聚二甲基硅氧烷片)构成芯片模具，将上述预聚溶液注入模具空腔，用紫外光引发本体聚合，制作含微流通道的微流控芯片基片。脱模后并在通道末端打孔；将上述预聚溶液涂在另一片相同尺寸的有机玻璃片或玻璃片上，并压紧在一玻璃片上，用紫外光照射引发本体聚合，制得微流控芯片盖片或盖膜；将微流控芯片基片与相同材料的盖片或盖膜通过溶剂辅助热压封装，制得有机玻璃微流控芯片。

原位聚合法制备有机玻璃微流控芯片的关键问题是模具的成本，镍阳模和硅阳模制作步骤长，需专用的设备，价格昂贵，硅阳模易碎，使用寿命短。本微流控芯片制备方法借助本体聚合制作的优势，使用弹性的聚二甲基硅氧烷阳模，具有制作简便和价格低廉的特点，可批量生产。此外聚二甲基硅氧烷的表面能很低，芯片脱膜容易，可延长模具的使用寿命。

本发明提出的聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合制备有机玻璃微流控芯片的方法，进一步的操作步骤如下：

采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，典型的设计如图1所示，由单十字交叉微流通道和溶液连接孔构成，采用高分辨率(如3600dpi)激光照排系统在透明薄膜上打印成掩膜，掩膜上的微流通道宽度为40-100μm，溶液连接孔直径1-2mm，其中分离微流通道2和进样通道7和溶液孔1、4、5和6(图1)为黑色，剩余部分为透明。设计图见图1。在硅片通过旋转涂膜技术涂覆一层负性光刻胶(如SU-8光刻胶)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，经紫外线曝光和烘烤处理后，用配套显影剂浸泡处理，分别在丙酮和异丙醇中洗去未部曝光部分(毛细管和溶液孔所在区域)的光刻胶层，然后于烘箱中烘烤使毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化后得光刻胶阴模，微流通道的深度为30-40μm。将聚二甲基硅氧烷低聚物与交联固化剂按质量比10∶1混合，浇在光刻胶阴模上，于60-70℃的烘箱中烘烤30-40分钟。将固化后的聚二甲基硅氧烷从光刻胶阴模上撕下，得微流控芯片聚二甲基硅氧烷阳膜。

将甲基丙烯酸甲酯单体与少量热引发剂如偶氮二异丁腈(单体质量的0.1-0.2％)和少量光引发剂如安息香(单体质量的0.1-0.2％)，加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶液预聚成蜂蜜状粘度状的清亮溶液。由于本发明使用聚二甲基硅氧烷阳膜，所以延长预聚时间，尽可能提高预聚程度，使后续的聚合时间缩短，减少单体对聚二甲基硅氧烷的溶涨。预聚后期聚合速度加快，当出现气泡时应立即停止加热，并用冷水迅速冷却。在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。聚二甲基硅氧烷阳模底部贴在一玻璃片9(尺寸如：75mm×24mm)上，有微流芯片结构的上表面与一中间镂空为芯片尺寸的矩形聚二甲基硅氧烷片10(0.5-1mm厚)构成芯片模具，微流通道结构14在中间矩形空腔11内，矩形空腔开口12可使多余的预聚溶液溢出。将上述预聚溶液注入模具空腔11中，再将一片厚度为1-2毫米的有机玻璃片8盖在模具空腔11上，压紧并挤出气泡后用紫外灯15通过有机玻璃片照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合，制得含微流通道的微流控芯片基片，聚合温度15-35℃。脱模后在通道末端打孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径1-2mm)得有微结构的微流控芯片基片。因为聚二甲基硅氧烷表面能低，与完成聚合的微流控芯片基片键合很弱，微流控芯片基片的脱模十分容易。可以将上述预聚溶液涂在另一片相同尺寸的有机玻璃片上并压紧在一玻璃片上，在上述条件下聚合脱模可得微流控芯片盖片，微流控芯片基片与模具玻璃键合的十分牢固，脱模可先将工件在85℃加热1-2分钟，取出在室温下中稍冷(10-20秒)，用自来水冲10-30秒，当吱吱的脱模声停止后，微流控芯片基片即可从玻璃板上取下。也可将上述预聚溶液涂在另一片相同尺寸的玻璃片并压紧在另一玻璃片上，两块玻璃板间的距离可通过在玻璃板的四边内侧贴上厚度100-150微米的透明涤纶薄膜来控制，用紫外光照射引发本体聚合并脱模后得微流控芯片盖膜，脱模同上述微流控芯片盖片。微流控芯片基片与相同材料的盖片或盖膜通过溶剂辅助热压封装制备得有机玻璃微流控芯片，将通道末端钻孔的微流控芯片基片和盖片或盖膜用水冲洗，吹干后用在盖片上涂覆四氢呋喃一遍，立即把基片与盖片合上，置于两块平整的玻璃夹板间加1-2(公斤/平方厘米)的压力，放入106-110℃烘箱中保持10-15分钟，取出自然冷却到室温，即完成基片与盖片或盖膜的键合封装，得有机玻璃芯片微流控成品。

本发明借助本体聚合制作芯片的优势，使用弹性的聚二甲基硅氧烷阳模，具有制作简便和价格低廉的特点，可进行批量生产。同时可将功能性修饰剂如甲基丙烯酸或硅烷偶联剂等引入聚甲基丙烯酸甲酯的主链，对聚甲基丙烯酸甲酯表面的荷电性进行调控，从而改善分离、提高芯片性能和拓宽芯片的用途。

附图说明

图1为本发明涉及的典型微流控芯片设计图。

图2为本发明中微流控芯片模具的结构图(分解图)。

图3为聚二甲基硅氧烷阳模光引发原位聚合制备的有机玻璃微流控芯片示意图。

图4为使用本发明技术制备的安培检测有机玻璃微流控芯片分离检测多巴胺(a)和邻苯二酚(b)的电泳图谱。

图5为使用本发明技术制备的电导检测有机玻璃微流控芯片分离铵(a)、甲胺(b)和钠离子的电泳图谱。

图中标号：1为样品溶液孔，2为分离毛细管(微流通道)，3为含微流通道2和7以及溶液孔1，4，5和7的微流控芯片，4、5和6均为缓冲溶液孔，7为进样毛细管(微流通道)，8为有机玻璃片，9为玻璃片，10为聚二甲基硅氧烷片，11为芯片尺寸的空腔，12为空腔开口，13为聚二甲基硅氧烷阳模，14为阳模表面凸出的微流通道结构，15为波长为365nm的紫外灯。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本发明：

1、聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合法制备安培检测用有机玻璃微流控芯片

(A)微流控芯片的设计

采用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的微流通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3600dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜上打印成掩膜，掩膜上的微流通道宽度为50μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离毛细管2和进样毛细管7)和溶液孔1、4、5和6(图1)为黑色，剩余部分为透明。微流控芯片的设计见图1。分离微流通道2长5.0cm，进样微流通道5长0.5cm，其中毛细管2和7交叉点到最近的三个溶液连接孔1、5、6的距离均为0.5cm。

(B)聚二甲基硅氧烷阳模的制作

在硅片上通过旋转涂膜技术(转速3000rpm，40秒)涂覆一层负性光刻胶(如SU-8光刻胶)，于65℃烘箱中烘40分钟(前烘)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，用石英玻璃板(2mm)压紧，于紫外线下曝光30min(365nm，45W)后，于65℃烘箱中烘25分钟(曝光后烘)，用SU-8配套显影剂浸泡处理90秒后，分别在丙酮和异丙醇中漂洗20秒以洗去未部曝光部分(微流通道和溶液孔所在区域)的光刻胶，然后于150℃烘箱中烘10分钟(后烘)使硅片上毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化。将聚二甲基硅氧烷低聚物与交联固化剂按质量比10∶1混合，真空脱气后浇在光刻胶阴模上，于60-70℃的烘箱中烘烤30-40分钟。将固化后的聚二甲基硅氧烷从光刻胶阴模上撕下，得微流控芯片聚二甲基硅氧烷阳膜14。聚二甲基硅氧烷阳模14底部贴在一玻璃片9(尺寸如：75mm×24mm)上，有微流芯片结构的上表面与一中间镂空为芯片尺寸的矩形的聚二甲基硅氧烷片10(0.5-1mm厚)构成芯片模具，微流通道结构在中间矩形空腔11内，矩形空腔开口12可使多余的预聚溶液溢出。

(C)原位聚合和封装

将甲基丙烯酸甲酯单体与少量热引发剂偶氮二异丁腈(如单体质量的0.1％、0.15％或0.2％)和少量光引发剂安息香(如单体质量的0.1％、0.15％或0.2％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成蜂蜜状粘度状的清亮溶液。本发明使用聚二甲基硅氧烷阳膜，为减少单体对聚二甲基硅氧烷的溶涨，所以延长预聚时间，尽可能提高预聚程度，使后续的聚合时间缩短，预聚后期聚合速度加快，当出现气泡时应立即停止加热，并用冷水冷却。在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。将上述预聚溶液注入模具空腔11中，再将一片厚度为1毫米的有机玻璃片8盖在模具空腔11上，压紧并挤出气泡后用紫外灯15通过有机玻璃片照射预聚溶液35分钟引发本体聚合，当预聚溶液硬化后，得到的微流控芯片基片会与模具自动分离，聚合温度为25℃左右。脱模后在通道末端打孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)得有微结构的微流控芯片基片。将上述预聚溶液涂在另一片相同尺寸的厚度为1mm的有机玻璃片上并压紧在一玻璃片上，在上述条件下聚合脱模可得微流控芯片盖片，微流控芯片基片与模具玻璃键合的十分牢固，脱模可先将工件在80-90℃加热1分钟，取出在室温下中稍冷(15秒)，用自来水冲约10秒，当吱吱的脱模声停止后，微流控芯片基片即可从玻璃板上取下。将通道末端钻孔的微流控芯片基片和盖片用水冲洗，冷风吹干后用在盖片上涂覆一遍四氢呋喃，立即把底片与盖片合上，置于两块平整的玻璃夹板间并施加1-2(公斤/平方厘米)的压力，放入106-107℃的烘箱中保持10-12min，取出自然冷却到室温，即完成基片与盖片的封装，得有机玻璃芯片成品。将图1中的芯片末端(右侧)切割后使分离通道的末端露出得安培检测用有机玻璃微流控芯片，可用于柱端安培检测。

本发明制作的安培检测用有机玻璃微流控芯片已成功用于多巴胺和邻苯二酚的分离。具体可见下述的测试实验结果：

使用图1所示的本发明封装的有机玻璃微流控芯片与0-3000V高压直流电源和安培检测仪构成微流控芯片安培检测系统，获得的100μM多巴胺和邻苯二酚的电泳图谱见图4。测试条件为：分离电压为+1500V，进样电压为+1500V，进样时间为3s，缓冲溶液为20mM 2-吗啉乙磺酸(MES)(pH6.5)，安培检测电极在分离毛细管的末端(即右侧)，检测电位为0.8V，对多巴胺和邻苯二酚线性范围为0.5μM-1mM，检测下限在0.1-0.3μM范围内，10次测定100μM多巴胺和邻苯二酚峰高的相对标准偏差分别为2.7％和3.1％，表明该微流控芯片线性范围宽、重现性良好和分离效率高。

2、聚二甲基硅氧烷阳模原位聚合法制备电导检测用有机玻璃微流控芯片

因为微流控芯片非接触电导检测电极需尽量接近芯片内的通道，以提高检测灵敏度，需使用厚度为100微米左右的盖膜代替实施例1中的盖片。电导检测有机玻璃微流控芯片的设计、聚二甲基硅氧烷阳模及芯片模具的制作以及注模和原位聚合同实施例1。当预聚溶液硬化后，得到的微流控芯片基片会与模具自动分离，聚合温度25℃。脱模后在通道末端打孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)得有微结构的微流控芯片基片。将上述预聚溶液涂在一片玻璃片上并压紧在另一玻璃片上，两块玻璃板间的距离可通过在玻璃板的四边内侧贴上厚度100微米的透明涤纶薄膜来控制，用紫外光照射引发本体聚合并脱模后得微流控芯片盖膜，脱模同实施例1微流控芯片盖片。将通道末端钻孔的微流控芯片基片和盖膜用水冲洗，吹干后用在盖片上涂覆四氢呋喃一遍，立即把基片与盖膜合上，通过两平整的玻璃夹板施加1-2(公斤/平方厘米)的压力，于106-107℃烘箱中保持10min，取出自然冷却到室温，即完成基片与盖膜的封装，得电导检测用微流控芯片成品。与实施例1中安培检测微流控芯片的区别为电导检测微流控芯片的通道离上表面的距离较近(100微米)，此外电导检测微流控芯片的右侧末端无需切掉。

本发明制作的电导检测用有机玻璃微流控芯片与0-3000V高压直流电源和电导检测仪构成微流控芯片电导检测系统，已成功用于NH₄⁺、CH₃NH₃⁺和Na⁺三种阳离子的电泳分离，获得的0.1mM NH₄(a)、⁺CH₃NH₃⁺(b)和Na⁺(c)的电泳图谱见图5，测试条件为：分离电压为+1000V，进样电压为+500V，进样时间为1s，缓冲溶液为20mM 2-吗啉乙磺酸(MES)-20mM组氨酸(pH6.1)，电导检测波形为正弦波(频率为200kHz，峰-峰电压幅度为5V，对上述测定的阴阳离子的线性范围为0.01-5mM，检测下限范围为5-8μM，10次测定0.1mM NH₄⁺和Na⁺的峰信号的相对标准偏差分别为3.2％和4.10％，表明该阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片线性范围宽且重现性良好，高效快速，在40秒内就可完全分离并同时检测三种阳离子。

本发明利用本体聚合制作的优势，使用弹性的聚二甲基硅氧烷阳模，具有制作简便和价格低廉的特点。上述实施例表明该芯片在环境监测、临床诊断和食品分析等领域中有良好的应用前景。