功能化微通道反應器的研究進展

李鳳喜 國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心

一、引言

微通道反應器是指內部結構主要由微米級（通常10~300微米）通道構成的微反應器。微通道反應器也稱為微反應器、微流控芯片、微芯片，其內部微通道具有極大的比表面積，具有良好的傳熱、傳質能力，具有試劑用量少、容易規模化集成和高通量反應的優點，在生物醫藥和精細化工等領域具有廣泛前景。

二、功能化微通道反應器

功能化微通道反應器是指通過物理或化學的方法，將具有不同功能的物質負載在微通道反應器的通道上，或者將具有不同功能的物質與制備微通道反應器的基材復合以后制成微通道反應器，通過功能性物質的修飾，賦予微通道反應器不同的性能。

（一）使用功能化的材料制備微通道反應器

陶呈安等[1]利用脂肪胺對石墨烯進行改性得到親油性基團修飾的石墨烯，然后加入有機硅氧烷的前驅體中，并加入有機硅氧烷交聯劑進行混合，再將混合物加入含有到微流控芯片模板的器皿內加熱固化，脫模后得到了石墨烯-聚有機硅氧烷復合材料微流控芯片。該微流控芯片適合作為光加熱平臺進行應用，加熱效果好、加熱快速高效，適用的光譜范圍寬。胡志遠[2]提出了一種由全氟蓋片、全氟彈性薄膜和全氟基片組成的全氟聚合物微反應器，適用強酸堿、有機溶劑、高溫等苛刻的化學反應環境。其背景技術中記載了材料為全氟聚醚（PFPE）的微流控芯片，該芯片適用于DNA的有機合成。

（二）微通道反應器進行功能化修飾

申剛義等[3]用堿和酸對毛細管進行預處理，然后將氧化石墨烯或羧酸功能化石墨烯固定在毛細管內壁，得到石墨烯基質的毛細管電色譜，再將蛋白酶溶液導入石墨烯基質的毛細管電色譜的一端，孵化，緩沖液沖洗，得到基于功能化石墨烯的毛細管電色譜酶微反應器，該微反應器可用于酶動力學測定、酶催化水解及藥物篩選。張單單等[4]對PDMS微流控芯片先進行等離子體活化，然后進行硅烷化處理，處理后的微流控芯片在交聯劑（如EDC）的作用下與多聚賴氨酸共價結合，制備了多聚賴氨酸修飾的PDMS微流控芯片。該方法使得芯片表面與多聚賴氨酸共價結合，從而避免了多聚賴氨酸以物理吸附的方式連接在芯片表面，與芯片結合不牢固，導致使用過程中多聚賴氨酸容易脫落的問題。這種方法也可用于DNA芯片、蛋白芯片的表面修飾。梁汝萍等[5]在弱堿性條件下，通過去甲腎上腺素（PNE）自聚合作用在PDMS微流控芯片的通道內形成PNE涂層，得到聚去甲腎上腺素功能化微流控芯片，用于藥物（氧氟沙星）對映體、氨基酸（苯丙氨酸）對映體以及二肽對映體的分離。由于PNE在兒茶酚基團旁邊的脂肪碳原子上連接有羥基，改善了PDMS微流控芯片通道的生物相容性、親水性以及電滲流穩定性。

浙江工業大學賈建洪等人研究了全氟磺酸樹脂/固體酸（或銅錳復合物）微纖化微通道反應器，其先制備出全氟磺酸樹脂/固體酸（或銅錳復合物）混合液，然后將全氟磺酸樹脂/固體酸（或銅錳復合物）混合液注入反應器的微通道中，真空干燥，得到全氟磺酸樹脂/固體酸（或銅錳復合物）微纖化微通道反應器。該制備方法簡單，采用全氟磺酸樹脂作為載體，將固體酸催化劑或銅錳復合物催化劑負載在全氟磺酸樹脂上，全氟磺酸樹脂烘干后會形成微纖孔洞，反應液通過孔洞時與催化劑充分接觸，提高了催化效率。浙江工業大學上虞研究院有限公司許萌等選用硅基微通道反應器作為載體，用硅烷改性劑對微通道反應器的內表面進行改性，使其表面含有氨基，然后利用EDC將羧基與氨基相互交聯，再磺化制備得到磺化石墨烯修飾的微通道反應器。華東師范大學李剛等人以PVP與HEC的混合篩分介質作為修飾劑，配制修飾劑溶液，然后分別用濃硫酸、鹽酸對DNA微流控芯片的微通道進行預處理，再將熒光染料添加至修飾劑，然后將其注入經過預處理的DNA微流控芯片的微通道內，得到混合篩分介質修飾的DNA微流控芯片，被修飾的芯片成為高效優質的DNA電泳分析器具。濟南大學壽崇琦等人對PDMS微流控芯片進行預處理，然后用氮氣將硅烷偶聯劑壓入微通道內進行反應，再將含有端羥基超支化聚胺-酯和催化劑的甲醇溶液壓入到微通道內，反應后得到端羥基超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片。該微流控芯片可用于敵敵畏、馬拉硫磷、辛硫磷、三唑磷或毒死蜱等農藥殘留檢測。衢州學院的劉佳等人對微通道反應器進行預處理，然后將制備的納米TiO2溶膠注入微通道反應器的通道內，在紅外光源下光照后，清洗通道，得納米TiO2修飾的微通道反應器，TiO2賦予了微通道反應器催化功能，可用于廢水中有機物的催化降解。KERNS S J et al[6]提出了一種微通道功能化表面改性的方法，將雙功能交聯劑進行活化，使其與微流體基體的表面暴露的基團進行反應，然后再與疏水改性分子接觸，產生官能化的基材表面，改善了微通道反應器的疏水性能。

三、結語

在微通道反應器的微通道上修飾不同的物質，賦予微通道反應器不同的性能，可以根據具體的功能需求來制備不同功能化的微通道反應器，該方法簡單。相較于對基材進行功能化修飾以后再成型制備功能化微通道反應器，適用范圍更廣。