復合式微流控脫水芯片的研制*

雍蓓蓓， 徐光明， 張 宏

(1.浙江大學 微分析系統研究所，浙江 杭州 310058；2.浙江大學 醫學院第二附屬醫院，浙江 杭州 310009)

0 引 言

以微機電加工技術為基礎的“微型全分析系統”(miniaturized total analysis systems,or micro total analysis systems,μTAS)[1]是通過化學分析設備和化學合成裝置的微型化與集成化，最大限度地把化學實驗室的功能轉移到便攜設備中，甚至集成到一定尺寸的芯片上。其中微流控芯片(microfluidic chips)是μTAS中最活躍的領域和發展前沿，集中體現了將化學實驗室的功能轉移到芯片上的思想，其目標是把整個化驗室的采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等功能集成在可多次使用的微芯片上，因此,具有較廣泛的適用性和應用前景。自1997年,Salimimoosavi H等人[2]首次報道了微流控芯片在有機合成中的應用之后，相關研究已經成為微流控芯片和合成化學領域熱點之一，并迅速成為當今有機合成化學的一項新技術[3～5]。因為水是良好的親核試劑，在許多親核反應中少量水的存在會嚴重干擾合成反應，因此，在微流控系統內進行此類有機合成，就必須實現反應試劑的在線脫水。

目前在微流控系統中實現試劑在線脫水的方法主要是加熱蒸發分離，Lee C C等人[6]設計了一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質的微流控合成裝置，實現了含F離子試劑的在線脫水，用于[18F]FDG分子影像試劑的合成，但該裝置的芯片材料全部采用PDMS，對高壓和溶劑的耐受性較差，使用受限。Steel C J等人[7]采用玻璃材料制成二級結構的蛇形微流控裝置，解決了芯片與溶劑不兼容的問題，但存在氣液分離不徹底、脫水不理想等缺點。Zhang J Y等人[8]制作了由不銹鋼氣流通道層、PDMS液流通道層、聚四氟乙烯多孔濾膜、硅橡膠襯墊和鋁外殼組成的微流控芯片，實現了細菌的快速濃縮，但該裝置結構復雜，制作難度大。

本文報道了一種玻璃—PDMS…PDMS—PC復合結構的微流控脫水芯片，玻璃液路基片、聚碳酸酯(PC)氣路基片分別與彈性PDMS膜不可逆封合形成液路半芯片和氣路半芯片，夾入聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜之后可逆封合為全芯片，具有加工簡單，封合可靠，液路和氣路通道易于對準，而且，液路半芯片和氣路半芯片可以獨立更換、自由組裝，用此芯片可實現有機合成過程試劑的脫水處理。

1 實 驗

1.1 芯片制作

復合式微流控脫水芯片的制作全過程如圖1所示。

圖1 脫水芯片加工流程示意圖

1.1.1 玻璃液路基片的制作

玻璃液路基片采用標準光刻技術和濕法刻蝕制得，具體步驟如下:

1)掩模制作：按液路通道繪制掩模圖形，并制得光刻掩模膠片。

2)光刻曝光：將掩模對準玻璃勻膠鉻板，并使兩者緊密貼合，于光刻機下曝光，曝光時間一般為45 s。

3)顯影和定影：曝光后分離掩模與鉻板，鉻板光膠面朝上放入0.5 %NaOH顯影液中顯影40 s，去除已曝光部分光膠，并用去離子水沖洗1 min，再用吹風機吹干后置入烘箱于110 ℃下烘15 min，以固化剩余光膠。

4)除鉻：鉻板冷卻至室溫后，光膠面朝上放入去鉻液中，輕輕晃動40 s，除去裸露的鉻層，用自來水沖洗、吹干。

5)濕法刻蝕：在基片背面和邊緣貼膠帶紙保護，放入刻蝕液中，在40 ℃恒溫水浴振蕩器下，緩慢搖動刻蝕，通常刻蝕速度約為1 μm/min，控制刻蝕時間可控制通道深度。

6)除鉻與切割芯片：刻蝕后的基片除去膠帶，用蘸有無水乙醇的脫脂棉去除膠帶殘余物，丙酮去除剩余光膠層，去鉻液除鉻。依芯片大小用玻璃刀切割，用細砂紙打磨切割面的邊緣以去除玻璃尖刺和碎屑，用水沖洗干凈即得玻璃液路基片。

1.1.2 PDMS彈性膜的制作

PDMS預聚體與固化劑按10︰1的質量比例混合，攪拌均勻后真空脫氣15～30 min；將洗干凈的玻璃平板四周用膠帶圍繞，澆注經脫氣處理的PDMS混合物，輕輕晃動使PDMS厚薄分布均一，烤膠機75 ℃下加熱1.5 h使PDMS固化。固化后的PDMS膜依氣液基片尺寸切割，依據液槽位置在PDMS對應處用打孔器打出與液槽及氣槽匹配的孔槽，制得PDMS彈性膜。與液路基片封合的PDMS彈性膜需在對應液槽進出口位置打孔，作為進液與出液端。

1.1.3 PC氣路基片的制作

用ArtCAM Pro軟件繪制氣路通道圖形，形成刀具路徑文件，控制雕刻機在PC板上刻出通道，并在需要連接氣路的進出口處打孔，即得到PC氣路基片。

1.1.4 芯片封合

1)不可逆封合制備液路半芯片和氣路半芯片

玻璃基片與PDMS彈性膜分別用洗潔精、丙酮和去離子水清洗，氮氣吹干，用等離子體處理1 min后立即以滾貼方式封合制得液路半芯片。

PC基片用去離子水超聲清洗，氮氣吹干，用254 nm紫外燈輻照處理1 h使其表面活化，再放入5 %(V/V)的3—氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)水溶液中處理(80 ℃下水浴加熱20 min)使其表面硅烷化[9]。硅烷化的PC基片和PDMS彈性膜再用等離子體處理后，也以滾貼方式封合制得氣路半芯片。

液路半芯片的進、出液端以及氣路半芯片的進、出氣端分別粘接合適直徑的聚四氟乙烯管或玻璃管，作為與外部設備的接口。

2)可逆封合制備PC—PDMS…PDMS—玻璃復合脫水芯片

將氣路半芯片與液路半芯片的PDMS面相對(預先用保鮮膜保護，封合前揭去)，中間放入PTFE微孔膜，對準后壓緊，使兩個半芯片通過PDMS之間的自然粘合力形成可逆封接，整個芯片用夾具固定，即得到PC—PDMS…PDMS—玻璃復合結構的微流控脫水芯片，其結構見圖2。

圖2 復合脫水芯片結構示意圖

1.2 在線脫水裝置

用具有減壓裝置的氮氣鋼瓶、脫水芯片、芯片加熱裝置、微量注射泵構成正壓式脫水裝置(圖3(a))；用微型真空泵、脫水芯片、芯片加熱裝置、微量注射泵構成負壓式脫水裝置(圖3(b))，用這兩種類型的裝置，實現芯片內的有機試劑在線脫水處理。

圖3 微流控芯片脫水裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 復合式脫水芯片的研制

這種玻璃—PDMS…PDMS—PC復合結構的微流控脫水芯片，其底部基片采用玻璃材質，既保證了芯片剛性，又使芯片具有更好的耐熱和耐溶劑性能；頂部采用PC材質，并利用上下材料的疏水差異，加之在氣液芯片中間夾入 PTFE微孔膜，進一步提高了氣—液相的分離效果。

用PDMS做上下兩層結構之間的密封材料，簡單方便，又不影響芯片的耐溫及耐溶劑性能，采用等離子體處理和硅烷化處理相結合的方式，使玻璃—PDMS、PC—PDMS均形成具較高強度的不可逆封接。

此芯片的氣路和液路半芯片之間不僅可重復對準、貼合，且氣泡也不易殘留在兩層PDMS之間，上下半芯片和PTFE微孔膜均可單獨更換，自由組裝。

2.2 芯片脫水性能測試

2.2.1 脫水條件探究

1)分別用單獨加熱自然蒸發、加熱結合正壓(通干燥氮氣)吹出、加熱結合負壓(抽真空)攜出三種方式，研究了純水在芯片內完全蒸發脫水的時間與加熱溫度之間的關系，結果如圖4。

圖4 脫水時間與芯片加熱溫度關系

結果表明:三種不同的蒸發方式均可實現芯片內的在線脫水。正壓式脫水和負壓式脫水兩種方式均可加速水的蒸發，且這兩種方式在芯片加熱溫度達120 ℃后，其脫水時間達到預期目標，因此，對于純水在120 ℃下采用正壓或負壓方式進行脫水均較為理想，且正壓方式更為簡便。

2)進一步研究了正壓方式下氮氣壓力和負壓方式下真空度對純水脫水時間的影響，其結果分別見圖5和圖6。

圖5 脫水時間與氮氣壓力關系(120 ℃)

圖6 脫水時間與真空度關系(120 ℃)

正壓方式下，脫水時間隨氣壓增大而減少，達到0.4 MPa以上蒸發時間不再縮短，這是因氣路管道直徑限制，氣體流量在0.4 MPa左右達到最大值；負壓方式下，脫水時間隨真空度增大而減少。

3)以乙腈—水混合溶液進行了單獨加熱自然蒸發和正壓吹出蒸發脫水的研究，結果分別見圖7和圖8。

圖7 乙腈—水混合溶液的脫水時間與加熱溫度關系

圖8 乙腈—水混合溶液的脫水時間與氮氣壓力關系(110 ℃)

可見，正壓方式同樣可加快乙腈—水混合溶液的蒸發，且當加熱溫度達110 ℃時能得到良好脫水結果。脫水時間隨氮氣流量增大而縮短，在110 ℃時，氮氣壓力大于0.4 MPa，脫水時間便可小于3 min，達到預期目標。此外還發現，負壓方式下混合溶液會被吸入氣路芯片，不適用于這類混合溶液的脫水。

2.2.2 實際樣品脫水測試

以KF(0.145 g/L)—乙腈水溶液(用于合成[18F]FDG)脫水為目的，用正壓方式，在氮氣壓力0.4 MPa，溫度110 ℃條件下對該混合溶液進行脫水，并用無水乙腈洗脫蒸發后的剩余物，用卡爾費休法測定了洗脫液的含水量，考察脫水時間與洗脫液含水量的關系，其結果見圖9。

圖9 氟試劑含水量與加熱時間的關系

結果表明:當脫水時間在3 min時，洗脫液中的含水量小于1 %，達到脫水目標。

3 結 論

本文研制了玻璃—PDMS…PDMS—PC四層結構的微流控脫水芯片。玻璃液路基片、PC氣路基片分別與彈性PDMS不可逆封合形成液路半芯片和氣路半芯片，加入PTFE微孔膜后，兩片半芯片再借助自然粘合與外力封合為全芯片。封接過程簡單可靠，液路和氣路通道易于對準，且液路半芯片和氣路半芯片可獨立更換、自由組裝。

利用此芯片構成的脫水裝置，對純水、乙腈∶水(V/V)=2︰1混合溶液脫水進行了條件實驗，脫水的合適溫度為110～120 ℃，采用干燥氮氣正壓輔助吹出的方式更為理想，且對本系統裝置合適的氮氣壓力為0.4 MPa。

用本脫水裝置對KF—乙腈水溶液進行了實際脫水效果考察，可在3 min內完成脫水，洗脫液中含水率小于1 %，結果令人滿意，該芯片可以用于合成[18F]FDG等有機試劑的脫水。

參考文獻:

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