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高聚物微流控芯片上金属微器件的研制和应用

郝振霞  
【摘要】:近年来,高聚物材料以其成本低、易加工复制等优势在微流控芯片系统中得到了广泛的应用。微流控系统集成化、微型化、便携化的特点决定了在芯片上制备集成化的金属微器件以用于各种不同的功能单元是微流控发展的必然需要。利用传统的LIGA技术在微流控芯片上集成金属微器件需要洁净实验室和复杂的设备,价格昂贵,制作难度较大,且用传统LIGA技术制备金属微器件的过程中不可避免地需要使用对高聚物材料表面具有腐蚀作用的有机溶剂(光胶稀释剂、显影剂等),不适于高聚物芯片上金属器件的制备。所以目前为止文献报道的带有金属微器件的芯片大多为玻璃/PDMS杂交芯片。这样的杂交芯片通道内壁由两种完全不同的材质构成,而不同材质表面所支持的电渗流大小不同,在电泳分离中会可能响分离效果。 本文利用化学镀方法分别在两种微流控芯片常用的高聚物材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面研制金属微器件,对金属器件的物理和化学性质进行研究,在此基础上制作均一材质的带有金属电极的全塑微流控芯片,并应用全塑芯片进行微流控化学和生化分析的试验。 全文共分四章: 第一章,评述了近年来高聚物芯片和微流控芯片上集成化金属微器件的研究进展。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属器件的种类、应用和加工方法等。 第二章,主要目标是制作全PET的带有集成化金微电极的微流控芯片。在本章中采用无定形PET材料,研究了紫外光与空气等离子体对无定形PET材料表面改性效果,研究发现,紫外光和空气等离子体两种处理方法对PET表面亲水性均有明显提高,并能显著提高芯片的热封合强度和通道的电渗流水平。等离子体改性在这两方面的效果优于紫外光改性。另外我们还研究了254 nm紫外光诱导的选择性光化学改性与化学镀相结合在PET表面制作金膜微器件的方法、技术及相关原理。 在以上研究的基础上,我们在PET表面集成了金膜微器件,并利用空气等离子体处理待封合的PET表面,在较低的温度(65℃)下实现了无辅助黏合层的全PET芯片的热键合,制备了带有金微电极的全PET微流控芯片。所制备的芯片应用于芯片毛细管电泳—安培检测(μCE—AD),分离检测了神经递质多巴胺(DA)和儿茶酚(CA)。分离效率分别为3.2x104和4.3×104塔板/m,检测限(3σ)分别为0.87和1.28μmol/L,五次连续进样分离测定,迁移时间的RSD分别为0.5%和0.3%。与使用黏合层封合的PET同类芯片相比,分析性能明显改善。 第三章,由于PDMS表面自由能低、高度疏水的性质,在其表面制备金属微器件的难度很大,本章对在PDMS表面和通道内集成精细且稳定的金属器件的方法进行了研究和探索。本章工作中,我们对比讨论了不同紫外光处理、表面活化方法对PDMS表面区域选择性化学镀金属层质量的影响,并最终选择利用紫外光诱导的丙烯酸(AA)聚合反应对PDMS表面进行区域选择性活化,结合化学镀技术建立了一种在PDMS表面简单而低成本地制备高精度、高结合强度的金属微器件的方法。应用此方法在PDMS表面制备的金膜微器件与基底之间的附着力非常强,具有很好的电化学活性,并且可以通过自组装的方法进行表面修饰。在现有的实验条件下,本方法在PDMS材料表面对金膜微器件的制作精度至少可以达到10μm。 我们将此方法制备的金膜微电极应用于μCE—ED,对DA和CA的标准溶液进行分离检测。在对100μM的DA和CA混合样品的分析中,连续21次分离检测的峰高RSD分别为2.1%和2.4%;308V/cm的分离场强下,DA的柱效达21,237塔板/m(H=4.7x10-5m),比文献报道的同类型PDMS/玻璃杂交芯片柱效高。我们认为全PDMS通道内均一的电渗流是柱效得以提高的重要因素。另外我们还将制备的带状金膜作为电加热器考察了其在芯片中对溶液直接加热的性能。 第四章,在第三章的基础上,初步考察了PAA接枝—化学镀法在PDMS表面制备的金膜作为细胞培养基底的可能性。考察了一种贴壁细胞COS-7在所制备的金膜表面的生长及增殖状态,结论是PAA接枝—化学镀法在PDMS表面制备的金膜表面可用于贴壁细胞的正常培养。此初步研究为PDMS微流控芯片细胞培养过程中的电刺激诱导分化奠定了一定的基础。 本论文的主要创新点: 1.通过等离子体改性,实现了无定形PET芯片在较低温度下热封合;结合UV选择性改性为基础的化学镀在PET芯片上集成了可用于电化学检测的金微电极,所制备的全PETμCE—ED芯片显示出良好的分离和检测性能。 2.建立了在PDMS表面以光诱导聚合接枝PAA为基础的区域选择性化学镀技术制备集成化金属膜微器件的方法和工艺。与文献报道相比,此方法操作简单、成本低,且所制备金属器件具有令人满意的机械性能、电化学性能以及良好的生物兼容性,可以用于微流控芯片中电流传导、电化学检测和传感、电加热以及细胞培养等各种用途。 3.对研制的PDMS-Au表面应用于细胞培养做了初步试验,为在PDMS-Au表面进行细胞的培养和电刺激诱导分化建立了初步的技术平台。


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