一种新颖的微纳流体器件制造方法与痕量富集应用

徐征　李永奎　王俊尧　刘冲　刘军山 陈莉　王立鼎

摘要 建立了一种利用光致聚合反应制备微纳流体器件的新方法，并开展了相应的痕量富集实验研究：建立描述光致聚合反应中引发剂分解、自由基消耗、聚合反应等的理论模型，利用COMSOL软件计算分析了微尺度凝胶光致聚合反应过程，获得凝胶纳米筛宽度随曝光时间和光强的变化规律； 以倒置荧光显微镜为平台，通过聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定区域实现孔密度可调的凝胶纳米筛集成，形成微纳流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型为基础，对纳流体电动富集过程进行计算，确定纳孔密度与富集倍率的关系；利用制备的芯片开展纳流体电动富集实验，发现前驱液中单体丙烯酰胺与交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺质量比为9∶1时，对痕量异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率达到600倍。

关键词 微纳流控芯片； 纳流体电动富集； 光致聚合反应； 纳孔密度

1引言

微流控技术是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微阀、微混合器和微反应器等单元，形成微流控芯片，将原在大型仪器上进行的检验测试项转移到芯片平台上[1～4]。与传统技术相比，微流控在便携性、效率、成本等方面体现出显著优势。随着时代发展，人们对微量有毒、有害成分快速检定的需求日益迫切，亟待发展便携式检测仪器，微流控技术必将在其中发挥重要作用。然而，目前可集成在微流控平台的微小型检测器灵敏度水平还有限，从原始样本中直接测定痕量物质困难，亟待研究适用于微流控平台的痕量样品高倍富集方法，实现大幅度降低对检测器灵敏度的要求。

近来研究发现：通过对纳流体进行电动控制，能够将流体中的痕量物质定向迁移并聚集在特定区域，在短时间内实现百万量级的高倍富集。这种技术有可能在微流控领域得到规模化应用。目前，在学术界对纳流体电动富集的机理有多种解释，一般认为双电层在纳空间限域内的重叠是主要原因：当流道截面尺寸缩小至百纳米级时，纳流道各壁面附近的双电层将会在流道内相互重叠，与双电层电性相同的离子受双电层阻碍而难以通过，在纳流道入口处富集，而反离子将快速通过。利用这种电动纳流体输运的选择性效应，在具有微和纳两种尺度流道的微纳流控芯片内，就可以在微纳交界处实现样品富集。

纳流体电动富集的相关研究可大致分为微纳流体器件集成制造和微纳流体富集机理两方面。

在微纳流体器件集成制造方面，Han等提出了一种基于微流体的图形化技术，能在玻璃基片上制备薄带状Nafion膜，然后与具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）盖片键合，制备微纳流控芯片，将微纳流控芯片用于低丰度酶分析和靶蛋白分析等，显著提高了反应速率和灵敏度[5，6]；Zhou等将PET（Polyethylene terephthalate）纳米多孔膜集成在两个具有微流道的PDMS平板间，制得“三明治”结构的芯片，在纳孔和微流道结合处观察到了样品富集[7]；文献[8，9]分别利用二次刻蚀技术和无光胶光刻技术制作了玻璃和聚合物材质的微纳流控芯片，并用于人血清蛋白富集和异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一种基于电击穿的纳孔制备技术，通过在两条微流道上施加高电压，在其交界处形成纳米孔隙结构，从而得到微纳流控芯片，并将芯片应用于蛋白质的富集纯化和酶促反应动力学研究等[10，11]。此外，集成在富集微纳流体器件中的纳结构还包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物纳孔膜[13，14]等。

在纳流体电动富集机理方面，Pu等通过建立纳流道中双电层重叠机理模型，分析了离子的富集耗散效应[15]；SilberLi等对耗尽区和富集区分别进行了观测，揭示了外加电压、纳孔孔径、溶液pH值对富集稳定性的影响规律[16，17]；本课题组也研究了电泳和电渗流通量对富集的作用，发现调整表面电荷密度等能增加电泳与电渗流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究发现离子初始浓度[19]、纳流道数量[20]及其几何尺寸[21]等对纳流体电动富集也有一定影响。

在此类微纳流体器件中，纳结构的密度对富集效果影响显著，如何在微流道内集成高密度的纳结构就成为提升器件性能的关键，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技术很难在有限空间集成高密度纳结构。本研究针对这一微纳集成关键问题，以倒置荧光显微镜为平台，控制微尺度空间的光致聚合反应，研究了凝胶纳米筛的形成机理和孔隙调控技术，建立了在微流道内集成孔密度可控的纳米筛的简易方法，实现微纳流控芯片制造，最后利用芯片开展痕量富集实验，探讨了纳孔密度对富集倍率的影响。

2实验部分

2.1凝胶光致聚合反应的数值模拟

聚丙烯酰胺凝胶是由单体丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黄素催化作用下聚合而成的三维网状结构的凝胶。核黄素作为光引发剂，提供原始自由基，通过自由基传递反应，使丙烯酰胺成为自由基，引发聚合，最终形成凝胶纳米筛结构。本研究利用COMSOL软件对聚丙烯酰胺凝胶的光致聚合反应进行了数值模拟，分析了凝胶纳米筛的宽度与光强和反应时间的关系。

反应中各种物质的浓度随时间的变化可以通过以下微分方程组来描述，包括光引发剂分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反应（式3和4）、终止反应（式5）和氧抑制作用

摘要 建立了一种利用光致聚合反应制备微纳流体器件的新方法，并开展了相应的痕量富集实验研究：建立描述光致聚合反应中引发剂分解、自由基消耗、聚合反应等的理论模型，利用COMSOL软件计算分析了微尺度凝胶光致聚合反应过程，获得凝胶纳米筛宽度随曝光时间和光强的变化规律； 以倒置荧光显微镜为平台，通过聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定区域实现孔密度可调的凝胶纳米筛集成，形成微纳流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型为基础，对纳流体电动富集过程进行计算，确定纳孔密度与富集倍率的关系；利用制备的芯片开展纳流体电动富集实验，发现前驱液中单体丙烯酰胺与交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺质量比为9∶1时，对痕量异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率达到600倍。

关键词 微纳流控芯片； 纳流体电动富集； 光致聚合反应； 纳孔密度

1引言

微流控技术是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微阀、微混合器和微反应器等单元，形成微流控芯片，将原在大型仪器上进行的检验测试项转移到芯片平台上[1～4]。与传统技术相比，微流控在便携性、效率、成本等方面体现出显著优势。随着时代发展，人们对微量有毒、有害成分快速检定的需求日益迫切，亟待发展便携式检测仪器，微流控技术必将在其中发挥重要作用。然而，目前可集成在微流控平台的微小型检测器灵敏度水平还有限，从原始样本中直接测定痕量物质困难，亟待研究适用于微流控平台的痕量样品高倍富集方法，实现大幅度降低对检测器灵敏度的要求。

近来研究发现：通过对纳流体进行电动控制，能够将流体中的痕量物质定向迁移并聚集在特定区域，在短时间内实现百万量级的高倍富集。这种技术有可能在微流控领域得到规模化应用。目前，在学术界对纳流体电动富集的机理有多种解释，一般认为双电层在纳空间限域内的重叠是主要原因：当流道截面尺寸缩小至百纳米级时，纳流道各壁面附近的双电层将会在流道内相互重叠，与双电层电性相同的离子受双电层阻碍而难以通过，在纳流道入口处富集，而反离子将快速通过。利用这种电动纳流体输运的选择性效应，在具有微和纳两种尺度流道的微纳流控芯片内，就可以在微纳交界处实现样品富集。

纳流体电动富集的相关研究可大致分为微纳流体器件集成制造和微纳流体富集机理两方面。

在微纳流体器件集成制造方面，Han等提出了一种基于微流体的图形化技术，能在玻璃基片上制备薄带状Nafion膜，然后与具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）盖片键合，制备微纳流控芯片，将微纳流控芯片用于低丰度酶分析和靶蛋白分析等，显著提高了反应速率和灵敏度[5，6]；Zhou等将PET（Polyethylene terephthalate）纳米多孔膜集成在两个具有微流道的PDMS平板间，制得“三明治”结构的芯片，在纳孔和微流道结合处观察到了样品富集[7]；文献[8，9]分别利用二次刻蚀技术和无光胶光刻技术制作了玻璃和聚合物材质的微纳流控芯片，并用于人血清蛋白富集和异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一种基于电击穿的纳孔制备技术，通过在两条微流道上施加高电压，在其交界处形成纳米孔隙结构，从而得到微纳流控芯片，并将芯片应用于蛋白质的富集纯化和酶促反应动力学研究等[10，11]。此外，集成在富集微纳流体器件中的纳结构还包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物纳孔膜[13，14]等。

在纳流体电动富集机理方面，Pu等通过建立纳流道中双电层重叠机理模型，分析了离子的富集耗散效应[15]；SilberLi等对耗尽区和富集区分别进行了观测，揭示了外加电压、纳孔孔径、溶液pH值对富集稳定性的影响规律[16，17]；本课题组也研究了电泳和电渗流通量对富集的作用，发现调整表面电荷密度等能增加电泳与电渗流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究发现离子初始浓度[19]、纳流道数量[20]及其几何尺寸[21]等对纳流体电动富集也有一定影响。

在此类微纳流体器件中，纳结构的密度对富集效果影响显著，如何在微流道内集成高密度的纳结构就成为提升器件性能的关键，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技术很难在有限空间集成高密度纳结构。本研究针对这一微纳集成关键问题，以倒置荧光显微镜为平台，控制微尺度空间的光致聚合反应，研究了凝胶纳米筛的形成机理和孔隙调控技术，建立了在微流道内集成孔密度可控的纳米筛的简易方法，实现微纳流控芯片制造，最后利用芯片开展痕量富集实验，探讨了纳孔密度对富集倍率的影响。

2实验部分

2.1凝胶光致聚合反应的数值模拟

聚丙烯酰胺凝胶是由单体丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黄素催化作用下聚合而成的三维网状结构的凝胶。核黄素作为光引发剂，提供原始自由基，通过自由基传递反应，使丙烯酰胺成为自由基，引发聚合，最终形成凝胶纳米筛结构。本研究利用COMSOL软件对聚丙烯酰胺凝胶的光致聚合反应进行了数值模拟，分析了凝胶纳米筛的宽度与光强和反应时间的关系。

反应中各种物质的浓度随时间的变化可以通过以下微分方程组来描述，包括光引发剂分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反应（式3和4）、终止反应（式5）和氧抑制作用

摘要 建立了一种利用光致聚合反应制备微纳流体器件的新方法，并开展了相应的痕量富集实验研究：建立描述光致聚合反应中引发剂分解、自由基消耗、聚合反应等的理论模型，利用COMSOL软件计算分析了微尺度凝胶光致聚合反应过程，获得凝胶纳米筛宽度随曝光时间和光强的变化规律； 以倒置荧光显微镜为平台，通过聚焦和分光等控制手段，在微流道的特定区域实现孔密度可调的凝胶纳米筛集成，形成微纳流控芯片；以PoissonNernstPlanck模型为基础，对纳流体电动富集过程进行计算，确定纳孔密度与富集倍率的关系；利用制备的芯片开展纳流体电动富集实验，发现前驱液中单体丙烯酰胺与交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺质量比为9∶1时，对痕量异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）小分子的富集倍率达到600倍。

关键词 微纳流控芯片； 纳流体电动富集； 光致聚合反应； 纳孔密度

1引言

微流控技术是指在平方厘米大小的基片上集成微泵、微阀、微混合器和微反应器等单元，形成微流控芯片，将原在大型仪器上进行的检验测试项转移到芯片平台上[1～4]。与传统技术相比，微流控在便携性、效率、成本等方面体现出显著优势。随着时代发展，人们对微量有毒、有害成分快速检定的需求日益迫切，亟待发展便携式检测仪器，微流控技术必将在其中发挥重要作用。然而，目前可集成在微流控平台的微小型检测器灵敏度水平还有限，从原始样本中直接测定痕量物质困难，亟待研究适用于微流控平台的痕量样品高倍富集方法，实现大幅度降低对检测器灵敏度的要求。

近来研究发现：通过对纳流体进行电动控制，能够将流体中的痕量物质定向迁移并聚集在特定区域，在短时间内实现百万量级的高倍富集。这种技术有可能在微流控领域得到规模化应用。目前，在学术界对纳流体电动富集的机理有多种解释，一般认为双电层在纳空间限域内的重叠是主要原因：当流道截面尺寸缩小至百纳米级时，纳流道各壁面附近的双电层将会在流道内相互重叠，与双电层电性相同的离子受双电层阻碍而难以通过，在纳流道入口处富集，而反离子将快速通过。利用这种电动纳流体输运的选择性效应，在具有微和纳两种尺度流道的微纳流控芯片内，就可以在微纳交界处实现样品富集。

纳流体电动富集的相关研究可大致分为微纳流体器件集成制造和微纳流体富集机理两方面。

在微纳流体器件集成制造方面，Han等提出了一种基于微流体的图形化技术，能在玻璃基片上制备薄带状Nafion膜，然后与具有微流道的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）盖片键合，制备微纳流控芯片，将微纳流控芯片用于低丰度酶分析和靶蛋白分析等，显著提高了反应速率和灵敏度[5，6]；Zhou等将PET（Polyethylene terephthalate）纳米多孔膜集成在两个具有微流道的PDMS平板间，制得“三明治”结构的芯片，在纳孔和微流道结合处观察到了样品富集[7]；文献[8，9]分别利用二次刻蚀技术和无光胶光刻技术制作了玻璃和聚合物材质的微纳流控芯片，并用于人血清蛋白富集和异硫氰酸荧光素（Fluorescein isothiocyanate，FITC）富集； Xia等建立了一种基于电击穿的纳孔制备技术，通过在两条微流道上施加高电压，在其交界处形成纳米孔隙结构，从而得到微纳流控芯片，并将芯片应用于蛋白质的富集纯化和酶促反应动力学研究等[10，11]。此外，集成在富集微纳流体器件中的纳结构还包括多孔二氧化硅膜[12]、聚合物纳孔膜[13，14]等。

在纳流体电动富集机理方面，Pu等通过建立纳流道中双电层重叠机理模型，分析了离子的富集耗散效应[15]；SilberLi等对耗尽区和富集区分别进行了观测，揭示了外加电压、纳孔孔径、溶液pH值对富集稳定性的影响规律[16，17]；本课题组也研究了电泳和电渗流通量对富集的作用，发现调整表面电荷密度等能增加电泳与电渗流通量差，有助于提高富集倍率[18]。此外，研究发现离子初始浓度[19]、纳流道数量[20]及其几何尺寸[21]等对纳流体电动富集也有一定影响。

在此类微纳流体器件中，纳结构的密度对富集效果影响显著，如何在微流道内集成高密度的纳结构就成为提升器件性能的关键，而限于瑞利衍射，采用光刻微加工技术很难在有限空间集成高密度纳结构。本研究针对这一微纳集成关键问题，以倒置荧光显微镜为平台，控制微尺度空间的光致聚合反应，研究了凝胶纳米筛的形成机理和孔隙调控技术，建立了在微流道内集成孔密度可控的纳米筛的简易方法，实现微纳流控芯片制造，最后利用芯片开展痕量富集实验，探讨了纳孔密度对富集倍率的影响。

2实验部分

2.1凝胶光致聚合反应的数值模拟

聚丙烯酰胺凝胶是由单体丙烯酰胺（Acrylamide，AAM）和交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺（N，N′methylenebisacrylamide，BIS）在核黄素催化作用下聚合而成的三维网状结构的凝胶。核黄素作为光引发剂，提供原始自由基，通过自由基传递反应，使丙烯酰胺成为自由基，引发聚合，最终形成凝胶纳米筛结构。本研究利用COMSOL软件对聚丙烯酰胺凝胶的光致聚合反应进行了数值模拟，分析了凝胶纳米筛的宽度与光强和反应时间的关系。

反应中各种物质的浓度随时间的变化可以通过以下微分方程组来描述，包括光引发剂分解（式1）、自由基消耗（式2）、聚合反应（式3和4）、终止反应（式5）和氧抑制作用