专利名称：本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制备方法
技术领域：
本发明属生物检测技术领域，具体涉及一种本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片制备方法。
背景技术：
自从1990年A.Manz等[1]首次提出微型全分析系统(μ-TAS)以来，作为一个跨学科的新领域，其目标是借助微机电加工(MEMS)技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片则以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点，并以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、临床诊断、药物分析、法医和军事等领域显示了良好的应用前景，各种新的微流控芯片制备和检测技术层出不穷。
微流控芯片主要使用玻璃和聚合物芯片[2]，玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是聚合物芯片得到了发展，其中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)是两种常用的聚合物[3]。聚合物芯片的制作主要采用注塑、印模和浇铸等技术，但制作出来的塑料芯片上的毛细管槽有变形现象，与设计值有一定差异，且同种芯片间的重现性不佳。单体注模直接生产聚合物芯片技术，将有芯片微流结构的硅片或金属阳膜制成模具，再将聚合物单体如甲基丙烯酸甲酯等注入其中引发聚合，脱模后即可制作成芯片，具有方法简便、原料成本低廉，重现性好等优点，适合大批量生产。聚合物芯片寿命和稳定性较玻璃差，但可以通过表面和本体修饰来改变其表面物理和化学性质，以达到改善分离、样品富集和衍生等目的。目前聚合物芯片的化学修饰尚处于起步阶段，有关研究较少[3]，但可以预见，这将是一个重要的研究方向。
参考文献[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244-248. Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712. Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，56，267-287.
发明内容
本发明的目的在于提出一种本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制备方法，调控聚甲基丙烯酸甲酯表面的荷电性，从芯片材料的分子水平控制电渗流并提高芯片性能。
本发明提出的本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片制备方法，是将甲基丙烯酸甲酯与修饰剂(如甲基丙烯酸或对乙烯基吡啶等)混合，然后将热引发剂偶氮二异丁腈和光引发剂安息香溶解在该混合溶液中，于80-90℃水浴中加热15-20分钟，使单体溶液预聚(成甘油状清亮溶液)；将上述预聚溶液注入由含微流控芯片凸出微结构硅片阳模与两片薄玻璃板构成的芯片模具中，用紫外光通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟，引发本体聚合，制作得微流控芯片基片。
本发明利用本体聚合制作的优势，将功能性修饰剂(如甲基丙烯酸或对乙烯基吡啶等)引入聚甲基丙烯酸甲酯的主链，对聚甲基丙烯酸甲酯表面的荷电性进行调控，从芯片材料的分子水平控制电渗流，从而改善分离、提高芯片性能和拓宽芯片的用途。
本发明中，采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片结构，典型的设计如图1所示.由单十字交叉微流通道和溶液连接孔构成，采用高分辨率(如3600dpi)激光照排系统在透明薄膜上制作掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为40-100μm，溶液连接孔直径1-3mm，其中分离微流通道2和进样通道7和溶液孔1、4、5和6(图1)为透明，剩余部分为黑色。设计图的正像见图1。在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层负性光刻胶(如SU-8光刻胶)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，经紫外线曝光和烘烤处理后，用配套显影剂浸泡处理，分别在丙酮和异丙醇中洗去未被曝光部分(毛细管和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于烘箱中烘烤，使毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，于稀HF-NH4F溶液蚀去硅片表面未被曝光部分的SiO2层，然后于50-70℃用40％KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时，即制成硅片阳模12，10为芯片尺寸空腔，11为开口槽，13为硅阳模表面凸出的微流通道。将有微流通道的硅片一面与两块平板玻璃8和8’夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板9(约2mm厚)，构成芯片模具14(图2)。
上述制备方法中，修饰剂的用量一般为甲基丙烯酸甲酯单体重量的1-3％，热引发剂和光引发剂的用量分别为单体重量的0.1-0.2％，注意在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。预聚后期聚合速度加快，聚合应控制在20分钟内，否则预聚的聚合溶液粘度过大，不易灌入模具并易已引入气泡。
制备时，将上述预聚溶液通过模具开口槽11注入模具14，开口槽11朝上，用20W紫外灯(365nm，距离4-5厘米)通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为80-120μm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜17。待预聚的聚合溶液硬化后，将模具于30-50℃水浴中超声10分钟脱模。将脱模的微流控芯片基片15通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液。为防止微流通道在封装过程中堵塞，覆膜前，在基片的微通道内通过刮涂法填充低熔点的水溶性聚合物聚乙二醇(PEG)1500，熔点为41～46℃，因熔点低容易熔化，可在液态下填充于微通道内，冷却固化后，用湿的滤纸擦拭微流控芯片基片表面以除去通道外的PEG。再用氯仿将盖膜17粘合在微流芯片基片15上，然后在70-80℃水浴中将微流通道内聚合物熔化，通过注射器中的热水将其推出微流通道外并加以清洗，即可制成本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品18，见图4。该低熔点水溶性聚合物辅助溶剂粘合封装聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片方法属首创，长期以来广为使用的是热压封装，由于温度难以控制，通道容易在热压封装时易堵，而本方法大幅可降低微流控芯片制备的废品率。
本发明制作的本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片操作简便、重现性好、灵敏度高、线性范围宽、样品用量少，其中甲基丙烯酸本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片可用于酚类环境污染物的分离分析，分析效率高。具体可见下述的测试实验结果使用图1所示的甲基丙烯酸本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片，获得的50μM 2，6-二甲基苯酚、苯酚和对氯苯酚的电泳图的电泳图谱见图5。测试条件为分离电压为+2000V，进样电压为+2000V，进样时间为3s，缓冲溶液为50mM硼酸盐缓冲液(pH9.2)，检测电极为直径200μm的碳圆盘电极，检测电位为0.95V(相对于Ag/AgCl电极)。线性范围为0.1μmol/L-750μmol/L，检测下限为0.08-0.1μmol/L。10次测定50μM 2，6-二甲基苯酚、苯酚和对氯苯酚峰信号的相对标准偏差分别为3.6％、2.9％和4.1％，表明该本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片线性范围宽且重现性良好，高效快速，在100秒内就可完全分离并同时检测三种酚类污染物，可用于实际样品的测定。
图1为本发明涉及的典型微流控芯片设计图。
图2为本发明中微流控芯片模具的结构图(分解图)。
图3为原位本体聚合制作本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片示意图。
图4为微流控芯片的封装。
图5为本发明甲基丙烯酸本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片分离检测三种环境污染物2，6-二甲基苯酚(a)、苯酚(b)和对氯苯酚(c)的电泳图谱。
图中标号1为样品溶液孔，2为分离微流通道，3为含微流通道2和7以及溶液孔1，4，5和6的微流控芯片，4、5和6均为缓冲溶液孔，7为进样毛细管，8和8’均为玻璃板，9为中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板，10为芯片尺寸空腔，11为开口槽，12为硅阳模，13为硅阳模表面凸出的微流通道，14为微流控芯片模具，15为表面有微流通道的微流控芯片基片，16为微流控芯片基片表面凹进去的微流通道，17为盖膜，18为微流控芯片。
具体实施例方式
下面通过实施例和附图进一步描述本发明1、甲基丙烯酸本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制作(A)电泳芯片的设计采用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的毛细管通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3600dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜上打印成掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为50μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离毛细管2和进样毛细管7)和溶液孔1、4、5和6(图1)为透明，剩余部分为黑色。微流控芯片的正像见图1。分离微流通道2长6.0cm，进样微流通道5长0.5cm，其中毛细管4和5交叉点到最近的三个溶液连接孔的距离均为0.5cm。
(B)硅负片及芯片模具的制作在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术(转速3000rpm，40秒)涂覆一层负性光刻胶(SU-8光刻胶)，于65℃烘箱中烘40分钟(前烘)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，用石英玻璃板(1.5-2mm)压紧，于紫外线下曝光30min(365nm，45W)，于65℃烘箱中烘25分钟(曝光后烘)，用SU-8配套显影剂浸泡处理90秒后，分别在丙酮和异丙醇中漂洗20秒以洗去未部曝光部分(毛细管和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于150℃烘箱中烘10分钟(后烘)使硅片上毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，将硅片浸于0.5M HF-0.5M NH4F溶液3.5分钟将硅片表面的SiO2层蚀去，然后于60℃用40％KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时(刻蚀速度为0.35μm/分钟)，形成阳膜的突出毛细管通道和溶液孔结构部分，硅片未刻蚀部分表面的光刻胶在刻蚀过程中会自动脱落，光刻胶下的二氧化硅层不会被40％KOH水溶液刻蚀而保护二氧化硅层下的硅结构，即得制成硅片阳模。将有毛细管凸槽的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板(约2mm厚)，即成芯片模具。
(C)注模和聚合将甲基丙烯酸甲酯单体与一定量修饰剂甲基丙烯酸(单体量的1-3％)一玻璃容器内混合，然后加入少量热引发剂偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.15％)和少量光引发剂安息香(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.15％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状清亮溶液。注意在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高，否则会因引发暴聚，造成物料的浪费。预聚后期聚合速度加快，在85℃时聚合应控制在20分钟内，否则预聚的聚合溶液粘度过大，不易灌入模具并易已引入气泡。将上述预聚溶液通过模具开口槽11注入模具14，开口槽11朝上，用20W紫外灯(365nm)通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为100mm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜17。
(D)脱模和覆膜待预聚的聚合溶液硬化后，将模具于40℃水浴中超声10分钟脱模。将脱模的微流控芯片基片15通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液，为防止微流通道在封装过程中堵塞，覆膜前，在基片的微通道内填充低熔点的水溶性聚合物聚乙二醇(PEG)1500，熔点为43-49℃，因熔点低容易熔化可在液态下填充于微通道内，冷却固化后冷却固化后，用湿的滤纸擦拭微流控芯片基片表面以除去通道外的PEG。再用氯仿将盖膜17粘合在微流芯片基片15上，然后在高于填充聚合物熔点的水浴中将微流通道内聚合物熔化，通过注射器中的热水将其推出微流通道外并加以清洗，即可制成本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品。本方法可降低微流控芯片制备的废品率。有盖膜的一面为芯片上表面。毛细管电泳芯片1的长度为6.5mm，宽度为2.0mm，厚度为2.2mm。
本方法制备的芯片已成功用于检测三种酚类污染物(见图5)2、对乙烯基吡啶本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制作电泳芯片的设计和硅阳模及芯片模具的制作同实施例1。将甲基丙烯酸甲酯单体与一定量修饰剂对乙烯基吡啶(单体量的1-3％)一玻璃容器内混合，然后加入少量热引发剂偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.15％)和少量光引发剂安息香(甲基丙烯酸甲酯单体量的0.15％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热15-20分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状清亮溶液。注意在预聚过程中要防止水进入，同时避免温度过高。预聚后期聚合速度加快，在85℃时聚合应控制在20分钟内，否则预聚的聚合溶液粘度过大，不易灌入模具并易已引入气泡。将上述预聚溶液通过模具开口槽11注入模具14，开口槽11朝上，用20W紫外灯(365nm)通过模具玻璃面照射预聚溶液30-60分钟引发本体聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为100mm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜17。待预聚的聚合溶液硬化后，将模具于40℃水浴中超声10分钟脱模。将脱模的微流控芯片基片15通道末端钻孔(溶液连接孔1、4、5和6见图1，孔径2mm)用于连接溶液，微流控芯片的封装见实施例1。
实验显示在pH为5的醋酸盐缓冲溶液中，对乙烯基吡啶本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片电渗流方向从负极到正极，与实施例1中的芯片电渗流方向相反，表明对乙烯基吡啶本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面荷正电，这是因为在聚甲基丙烯酸甲酯的链中引入了荷正电的对乙烯基吡啶残基。基于通道内正电基团对负离子的作用，实用表明该芯片可改善对乙酸、酒石酸和草酸等有机酸的电泳分离。
权利要求
1.一种本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制备方法，通过功能性修饰剂与甲基丙烯酸甲酯原位共聚合，将修饰剂引入聚甲基丙烯酸甲酯的主链，对聚甲基丙烯酸甲酯表面的荷电性进行调控，其特征在于具体步骤如下将热引发剂偶氮二异丁腈和光引发剂安息香溶解在单体甲基丙烯酸甲酯和修饰剂甲基丙烯酸或乙烯基吡啶的混合溶液中，构成聚合光引发系统，于80-90℃水浴中加热15-20分钟，使单体溶液预聚；将预聚溶液注入由含微流控芯片凸出微结构硅片阳模与两片薄玻璃板构成的芯片模具中，通过模具玻璃面用紫外光照射预聚溶液30-60分钟，引发本体聚合，制得微流控芯片基片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于修饰剂用量为单体重量的1-3％，热引发剂和光引发剂的用量分别为单体重量的0.1-0.2％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于采用水溶性低熔点聚合物辅助溶剂粘合封装技术，在芯片基片覆膜前，通过刮涂法在微通道内填充蜡状聚乙二醇1500，于45-55℃烘箱中使其熔化；冷却后用湿的滤纸擦拭微流控芯片基片表面以除去通道外的聚乙二醇；用氯仿将盖膜粘合在微流芯片基片上，室温放置12-15小时后，于70-80℃水浴中使微流通道内的聚乙二醇熔化，通过注射器中的热水将其推出微流通道外并加以清洗，即可制成微流控芯片成品。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述微流控芯片模具制作如下采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片，通过光刻和化学腐蚀技术制成含微流通道凸出结构的硅片阳模，将有微流通道凸出结构的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板，构成芯片模具。
全文摘要
本发明属生物检测技术领域，具体为一种本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制备方法。将甲基丙烯酸甲酯与修饰剂混合，将少量热引发剂和光引发剂溶解在该混合溶液中，于水浴中加热使单体溶液预聚，将预聚溶液注入芯片模具中，用紫外光照射，引发本体聚合，制作得微流控芯片基片，然后用盖膜封装得微流控芯片。本发明将功能性修饰剂如甲基丙烯酸或对乙烯基吡啶等引入聚甲基丙烯酸甲酯的主链，对单体表面的荷电性进行调控，从芯片材料的分子水平控制电渗流，从而改善分离、提高芯片性能和拓宽芯片的用途。该芯片制作技术简便、成本低，可进行大规模生产，在环境监测、临床诊断、生命科学研究、食品分析和工业在线分析等领域中有良好的应用前景。
文档编号G01N27/00GK1632547SQ20041009348
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者陈刚, 张鲁雁, 杨芃原, 吴性良 申请人:复旦大学