一種新穎的微納流體器件制造方法與痕量富集應用

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制備微納流體器件的新方法，并開展了相應的痕量富集實驗研究：建立描述光致聚合反應中引發劑分解、自由基消耗、聚合反應等的理論模型，利用COMSOL軟件計算分析了微尺度凝膠光致聚合反應過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時間和光強的變化規律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區域實現孔密度可調的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎，對納流體電動富集過程進行計算，確定納孔密度與富集倍率的關系；利用制備的芯片開展納流體電動富集實驗，發現前驅液中單體丙烯酰胺與交聯劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質量比為9∶1時，對痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率達到600倍。

關鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動富集； 光致聚合反應； 納孔密度

1引言

微流控技術是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進行的檢驗測試項轉移到芯片平臺上[1～4]。與傳統技術相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現出顯著優勢。隨著時代發展，人們對微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發展便攜式檢測儀器，微流控技術必將在其中發揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺的微小型檢測器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測定痕量物質困難，亟待研究適用于微流控平臺的痕量樣品高倍富集方法，實現大幅度降低對檢測器靈敏度的要求。

近來研究發現：通過對納流體進行電動控制，能夠將流體中的痕量物質定向遷移并聚集在特定區域，在短時間內實現百萬量級的高倍富集。這種技術有可能在微流控領域得到規模化應用。目前，在學術界對納流體電動富集的機理有多種解釋，一般認為雙電層在納空間限域內的重疊是主要原因：當流道截面尺寸縮小至百納米級時，納流道各壁面附近的雙電層將會在流道內相互重疊，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。利用這種電動納流體輸運的選擇性效應，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內，就可以在微納交界處實現樣品富集。

納流體電動富集的相關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，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，顯著提高了反應速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結構的芯片，在納孔和微流道結合處觀察到了樣品富集[7]；文獻[8，9]分別利用二次刻蝕技術和無光膠光刻技術制作了玻璃和聚合物材質的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術，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構，從而得到微納流控芯片，并將芯片應用于蛋白質的富集純化和酶促反應動力學研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結構還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動富集機理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機理模型，分析了離子的富集耗散效應[15]；SilberLi等對耗盡區和富集區分別進行了觀測，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對富集穩定性的影響規律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對富集的作用，發現調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，研究發現離子初始濃度[19]、納流道數量[20]及其幾何尺寸[21]等對納流體電動富集也有一定影響。

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

2實驗部分

2.1凝膠光致聚合反應的數值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯劑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狀結構的凝膠。核黃素作為光引發劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應，使丙烯酰胺成為自由基，引發聚合，最終形成凝膠納米篩結構。本研究利用COMSOL軟件對聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應進行了數值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強和反應時間的關系。

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

摘要 建立了一種利用光致聚合反應制備微納流體器件的新方法，并開展了相應的痕量富集實驗研究：建立描述光致聚合反應中引發劑分解、自由基消耗、聚合反應等的理論模型，利用COMSOL軟件計算分析了微尺度凝膠光致聚合反應過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時間和光強的變化規律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區域實現孔密度可調的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎，對納流體電動富集過程進行計算，確定納孔密度與富集倍率的關系；利用制備的芯片開展納流體電動富集實驗，發現前驅液中單體丙烯酰胺與交聯劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質量比為9∶1時，對痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率達到600倍。

關鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動富集； 光致聚合反應； 納孔密度

1引言

微流控技術是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進行的檢驗測試項轉移到芯片平臺上[1～4]。與傳統技術相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現出顯著優勢。隨著時代發展，人們對微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發展便攜式檢測儀器，微流控技術必將在其中發揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺的微小型檢測器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測定痕量物質困難，亟待研究適用于微流控平臺的痕量樣品高倍富集方法，實現大幅度降低對檢測器靈敏度的要求。

近來研究發現：通過對納流體進行電動控制，能夠將流體中的痕量物質定向遷移并聚集在特定區域，在短時間內實現百萬量級的高倍富集。這種技術有可能在微流控領域得到規模化應用。目前，在學術界對納流體電動富集的機理有多種解釋，一般認為雙電層在納空間限域內的重疊是主要原因：當流道截面尺寸縮小至百納米級時，納流道各壁面附近的雙電層將會在流道內相互重疊，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。利用這種電動納流體輸運的選擇性效應，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內，就可以在微納交界處實現樣品富集。

納流體電動富集的相關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，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，顯著提高了反應速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結構的芯片，在納孔和微流道結合處觀察到了樣品富集[7]；文獻[8，9]分別利用二次刻蝕技術和無光膠光刻技術制作了玻璃和聚合物材質的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術，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構，從而得到微納流控芯片，并將芯片應用于蛋白質的富集純化和酶促反應動力學研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結構還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動富集機理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機理模型，分析了離子的富集耗散效應[15]；SilberLi等對耗盡區和富集區分別進行了觀測，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對富集穩定性的影響規律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對富集的作用，發現調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，研究發現離子初始濃度[19]、納流道數量[20]及其幾何尺寸[21]等對納流體電動富集也有一定影響。

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

2實驗部分

2.1凝膠光致聚合反應的數值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯劑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狀結構的凝膠。核黃素作為光引發劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應，使丙烯酰胺成為自由基，引發聚合，最終形成凝膠納米篩結構。本研究利用COMSOL軟件對聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應進行了數值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強和反應時間的關系。

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

摘要 建立了一種利用光致聚合反應制備微納流體器件的新方法，并開展了相應的痕量富集實驗研究：建立描述光致聚合反應中引發劑分解、自由基消耗、聚合反應等的理論模型，利用COMSOL軟件計算分析了微尺度凝膠光致聚合反應過程，獲得凝膠納米篩寬度隨曝光時間和光強的變化規律； 以倒置熒光顯微鏡為平臺，通過聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定區域實現孔密度可調的凝膠納米篩集成，形成微納流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型為基礎，對納流體電動富集過程進行計算，確定納孔密度與富集倍率的關系；利用制備的芯片開展納流體電動富集實驗，發現前驅液中單體丙烯酰胺與交聯劑N，N′亞甲基雙丙烯酰胺質量比為9∶1時，對痕量異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率達到600倍。

關鍵詞 微納流控芯片； 納流體電動富集； 光致聚合反應； 納孔密度

1引言

微流控技術是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微閥、微混合器和微反應器等單元，形成微流控芯片，將原在大型儀器上進行的檢驗測試項轉移到芯片平臺上[1～4]。與傳統技術相比，微流控在便攜性、效率、成本等方面體現出顯著優勢。隨著時代發展，人們對微量有毒、有害成分快速檢定的需求日益迫切，亟待發展便攜式檢測儀器，微流控技術必將在其中發揮重要作用。然而，目前可集成在微流控平臺的微小型檢測器靈敏度水平還有限，從原始樣本中直接測定痕量物質困難，亟待研究適用于微流控平臺的痕量樣品高倍富集方法，實現大幅度降低對檢測器靈敏度的要求。

近來研究發現：通過對納流體進行電動控制，能夠將流體中的痕量物質定向遷移并聚集在特定區域，在短時間內實現百萬量級的高倍富集。這種技術有可能在微流控領域得到規模化應用。目前，在學術界對納流體電動富集的機理有多種解釋，一般認為雙電層在納空間限域內的重疊是主要原因：當流道截面尺寸縮小至百納米級時，納流道各壁面附近的雙電層將會在流道內相互重疊，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。利用這種電動納流體輸運的選擇性效應，在具有微和納兩種尺度流道的微納流控芯片內，就可以在微納交界處實現樣品富集。

納流體電動富集的相關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，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，顯著提高了反應速率和靈敏度[5，6]；Zhou等將PET（Polyethylene terephthalate）納米多孔膜集成在兩個具有微流道的PDMS平板間，制得“三明治”結構的芯片，在納孔和微流道結合處觀察到了樣品富集[7]；文獻[8，9]分別利用二次刻蝕技術和無光膠光刻技術制作了玻璃和聚合物材質的微納流控芯片，并用于人血清蛋白富集和異硫氰酸熒光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一種基于電擊穿的納孔制備技術，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構，從而得到微納流控芯片，并將芯片應用于蛋白質的富集純化和酶促反應動力學研究等[10，11]。此外，集成在富集微納流體器件中的納結構還包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物納孔膜[13，14]等。

在納流體電動富集機理方面，Pu等通過建立納流道中雙電層重疊機理模型，分析了離子的富集耗散效應[15]；SilberLi等對耗盡區和富集區分別進行了觀測，揭示了外加電壓、納孔孔徑、溶液pH值對富集穩定性的影響規律[16，17]；本課題組也研究了電泳和電滲流通量對富集的作用，發現調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，研究發現離子初始濃度[19]、納流道數量[20]及其幾何尺寸[21]等對納流體電動富集也有一定影響。

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

2實驗部分

2.1凝膠光致聚合反應的數值模擬

聚丙烯酰胺凝膠是由單體丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交聯劑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狀結構的凝膠。核黃素作為光引發劑，提供原始自由基，通過自由基傳遞反應，使丙烯酰胺成為自由基，引發聚合，最終形成凝膠納米篩結構。本研究利用COMSOL軟件對聚丙烯酰胺凝膠的光致聚合反應進行了數值模擬，分析了凝膠納米篩的寬度與光強和反應時間的關系。

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