高聚物微流控芯片上金屬微器件的研制和應用.pdf

1、近年來，高聚物材料以其成本低、易加工復制等優(yōu)勢在微流控芯片系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。微流控系統(tǒng)集成化、微型化、便攜化的特點決定了在芯片上制各集成化的金屬微器件以用于各種不同的功能單元是微流控發(fā)展的必然需要。利用傳統(tǒng)的LIGA技術在微流控芯片上集成金屬微器件需要潔凈實驗室和復雜的設備，價格昂貴，制作難度較大，且用傳統(tǒng)LIGA技術制備金屬微器件的過程中不可避免地需要使用對高聚物材料表面具有腐蝕作用的有機溶劑（光膠稀釋劑、顯影劑等），不適于高聚

2、物芯片上金屬器件的制備。所以目前為止文獻報道的帶有金屬微器件的芯片大多為玻璃/PDMS雜交芯片。這樣的雜交芯片通道內壁由兩種完全不同的材質構成，而不同材質表面所支持的電滲流大小不同，在電泳分離中會可能響分離效果。
　　 本文利用化學鍍方法分別在兩種微流控芯片常用的高聚物材料聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面研制金屬微器件，對金屬器件的物理和化學性質進行研究，在此基礎上制作均一材質的帶有金屬電極的全塑微

3、流控芯片，并應用全塑芯片進行微流控化學和生化分析的試驗。
　　 全文共分四章：
　　 第一章，評述了近年來高聚物芯片和微流控芯片上集成化金屬微器件的研究進展。主要涉及高聚物芯片中微通道的加工和芯片的封合方法、微流控芯片上集成化金屬器件的種類、應用和加工方法等。
　　 第二章，主要目標是制作全PET的帶有集成化金微電極的微流控芯片。在本章中采用無定形PET材料，研究了紫外光與空氣等離子體對無定形PET材料表面改性效

4、果，研究發(fā)現(xiàn)，紫外光和空氣等離子體兩種處理方法對PET表面親水性均有明顯提高，并能顯著提高芯片的熱封合強度和通道的電滲流水平。等離子體改性在這兩方面的效果優(yōu)于紫外光改性。另外我們還研究了254nm紫外光誘導的選擇性光化學改性與化學鍍相結合在PET表面制作金膜微器件的方法、技術及相關原理。
　　 在以上研究的基礎上，我們在PET表面集成了金膜微器件，并利用空氣等離子體處理待封合的PET表面，在較低的溫度(65℃)下實現(xiàn)了無輔助黏合

5、層的全PET芯片的熱鍵合，制備了帶有金微電極的全PET微流控芯片。所制備的芯片應用于芯片毛細管電泳—安培檢測（μCE-AD），分離檢測了神經遞質多巴胺(DA)和兒茶酚(CA)。分離效率分別為3.2×104和4.3×104塔板/m，檢測限(3σ)分別為0.87和1.28μmol/L，五次連續(xù)進樣分離測定，遷移時間的RSD分別為0.5％和0.3％。與使用黏合層封合的PET同類芯片相比，分析性能明顯改善。
　　 第三章，由于PDMS表

6、面自由能低、高度疏水的性質，在其表面制備金屬微器件的難度很大，本章對在PDMS表面和通道內集成精細且穩(wěn)定的金屬器件的方法進行了研究和探索。本章工作中，我們對比討論了不同紫外光處理、表面活化方法對PDMS表面區(qū)域選擇性化學鍍金屬層質量的影響，并最終選擇利用紫外光誘導的丙烯酸(AA)聚合反應對PDMS表面進行區(qū)域選擇性活化，結合化學鍍技術建立了一種在PDMS表面簡單而低成本地制備高精度、高結合強度的金屬微器件的方法。應用此方法在PDMS表面

7、制備的金膜微器件與基底之間的附著力非常強，具有很好的電化學活性，并且可以通過自組裝的方法進行表面修飾。在現(xiàn)有的實驗條件下，本方法在PDMS材料表面對金膜微器件的制作精度至少可以達到10μm。
　　 我們將此方法制備的金膜微電極應用于μCE-ED，對DA和CA的標準溶液進行分離檢測。在對100μM的DA和CA混合樣品的分析中，連續(xù)21次分離檢測的峰高RSD分別為2.1％和2.4％；308V/cm的分離場強下，DA的柱效達21，23

8、7塔板/m(H=4.7×10-5m)，比文獻報道的同類型PDMS/玻璃雜交芯片柱效高。我們認為全PDMS通道內均一的電滲流是柱效得以提高的重要因素。另外我們還將制備的帶狀金膜作為電加熱器考察了其在芯片中對溶液直接加熱的性能。
　　 第四章，在第三章的基礎上，初步考察了PAA接枝-化學鍍法在PDMS表面制備的金膜作為細胞培養(yǎng)基底的可能性?？疾炝艘环N貼壁細胞COS-7在所制備的金膜表面的生長及增殖狀態(tài)，結論是PAA接枝-化學鍍法在P

9、DMS表面制備的金膜表面可用于貼壁細胞的正常培養(yǎng)。此初步研究為PDMS微流控芯片細胞培養(yǎng)過程中的電刺激誘導分化奠定了一定的基礎。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點：
　　 1．通過等離子體改性，實現(xiàn)了無定形PET芯片在較低溫度下熱封合；結合UV選擇性改性為基礎的化學鍍在PET芯片上集成了可用于電化學檢測的金微電極，所制備的全PETμCE-ED芯片顯示出良好的分離和檢測性能。
　　 2．建立了在PDMS表面以光誘導聚合接枝