Design and fabrication of microflow total chemical analysis system by organic polymer

Xu Yi, Tang Shouyuan, Zhang Qiaoyun^#, Zhang Yunhuai, Xiong Kaisheng
(Chemistry and Chemical Engineering College, Chongqing University, Chongqing 400044; ^#Institute of Piezzoelectric & Acoustooptic Technology, Chongqing, 400060)
Abstract  The material of microchip, channel shape and channel layout which are required for chemical reaction have been described based on the polymer. The selection of microfabrication technique has been expanded according to chemical reaction. The machining techniques for organic polymers have been discussed from the point of view of chemistry.
Keywords Microflow total chemical analysis system, organic polymer, fabrication.

徐 溢 唐守渊 张巧云^# 张云怀 熊开生
(重庆大学 化学化工学院，重庆，400044；^#信息产业部电子第二十六所，重庆，400060 )

2001年12月12日收稿; 国家自然科学基金(20007005)和国家教委留学回国人员基金(1999-363)资助项目.

    微型全化学分析系统（Micro-total chemical analysis system, μ-TAS）是九十年代初提出的分析化学新兴研究领域^[1]。μ-TAS的核心在于将取样、预处理、分离、反应及测定这几个必经的分析步骤集成在一微芯片上，从而高效、快速地完成试样的取样、分离、分析及检测^[2]。在液流式μ-TAS研究中，有关材料的选择、刻蚀方法、微管道的设计的制片技术是核心问题之一。用于制作芯片的材料有硅片、玻璃、石英、塑料和弹性体高分子材料、陶瓷及金属等。玻璃和硅在以往μ-TAS芯片研究中作出了重大贡献，但是在μ-TAS的不断进展中暴露出其局限性：玻璃芯片的制造过程极缓慢，且需要相应的清洁房间及设施，密封管道的过程复杂、耗时，芯片易碎且昂贵，硅不透光，是半导体，耐酸碱性能较差，在一些条件下（如高电场驱动）不适用于分离和检测。相较而言，有机聚合物基材比玻璃和硅材料具有易成型制造、易更换、不易碎、耐酸碱性强、成本低等特性，正逐步成为μ-TAS芯片的主选材质。

1 微液流聚合物芯片管道的设计    
    微管道中流体驱动力一般采用压力驱动和电场驱动，目前也有采用激光控制驱动少数分子的研究。这里主要讨论前两种情况下微芯片设计需考虑的因素。管道形状、布局对流体流动状态及分离效率的影响是极大的，由于微芯片的自身特性，在其上的微管道不可能一律用直管。为了利用有限的空间，对微管道形状、布局的设计是必要的。从而实现：（1）试剂更易于与样品混合；（2）降低样品带的轴向分散；（3）降低样品带的形变。
1.1压力驱动流下芯片的设计
    当微管道中的液流为扩散控制体系时，体系中的时间变量正比于管径(d)的平方，降低管道内径到1/10，压力将会增加100倍，相关的时间变量（分析、响应、检测）将会降低到1/100。在分析时间、转移时间和响应时间等时间变量保持一致的时间常数体系中，管路中的线性流速将以d因子而下降，体积流速以d³因子下降，而雷诺系数则以d²因子下降^[1]；与此相反，用于保持一定流速的压力降保持恒定。此类时间常数体系对简单转移和流动注射分析系统十分重要。简单转移或FIA系统微型化的主要优点在于减少载体和试剂溶液耗损，如果体积缩小10倍，将会减少1000倍的载体或试剂耗量。微管道中扩散传质过程的加快是μ-TAS分析效率提高的最重要的原因，但是因管道缩微而引起的μ-TAS微结构中液流状态及流体参数的变化，对化学反应微结构的设计、衡量及评判微芯片化学效能极其重要。当在微芯片上存在弯曲管道时，径向混合速度增强，同时无疑流动阻力会增加，这将会增大样品及试剂注入的难度，使液流突然转向所产生的局部扰动是破坏轴向层流的最好方法。在内径均匀的直管中，管道中流体层流抛物面保持不变，因为在分析时间内的径向扩散不足以打乱样品注入时最初形成的轴向分散，流体层峰形是非对称的。而在弯曲管道中，流体在管道折叠处产生二级流而促进径向混合，得出的峰形更加对称且高而窄，管道变向角度越大，这种效应越明显。同时，管道越长，折叠处越多，峰越对称。在压力驱动的微液流管道中，把高压的困难除外，管道的折叠是有利的。
1.2电渗流驱动流下芯片的设计    
    电泳分离时，要获得高分辨率，一般要求管道的长度要达到20cm，这在常规μ-TAS芯片上，没有折叠管道将很困难。但大多数蜿蜒曲折的管道分离效率都不能达到预期的效果，样品区带在一个或两个弯曲处之后可能会变形，即是熟知的几何分散，这将会急剧的降低理论塔板数；电泳区带的变形，通常可归属于分子运动的距离（通常称为跑道效应）以及电场强度的差异。缩微化的分离装置在管道宽度上各点并不相等，因此上述两个因数对区带的变形都会产生贡献，形成所谓的“跑道效应”。Ramsey，Christopher，Jacobson等^[3]已经对此类问题进行过研究，他们赞成两种解决办法：增加曲率或降低管道的宽度。也有研究者开发了复杂的几何转角布局来解决这个问题^[4]。理论上，降低流速和增加扩散系数也是解决的办法。但是降低流速，由于轴向分散的增加，将会降低分离效率。降低粘度将会增加扩散系数，同时改变流速。这两个效应趋向相互抵消，因此还是应增加曲率和降低管道的宽度。过窄的管道又会带来一系列问题，如流体通过管道的阻力增大，检测灵敏度降低。
    以电渗流驱动时，最重要的是管道壁是否会产生电渗流及电渗流的大小^[5]。在玻璃材质管道中，管壁Si-OH基团的去质子化产生电渗流，其大于待测物的电泳运动，使管道中的溶液整体朝阴极运动。如在pH>9时，玻璃管道电渗流的大小大约为9.5×10^-4cm²/Vs。但是大多数有机物并不包含离子化的官能团，这使聚合物微芯片的管道中的电渗流极小。例如，采用X-光刻和注模法制作PMMA的微管道，其电渗流仅为1.2×10^-4cm²/Vs。另外，PMMA的电渗流与pH（3～11）无关^[5]。其它一些聚合物如聚苯乙烯等也被发现具有一定的电渗流，这表明在激光烧蚀后，在管壁上留下了一些负离子。虽然PDMS本身的电渗流较小，但是用等离子放电氧化后，将会改变其表面性质，把OSi(CH₃)₂O基团氧化为O_nSi(OH)_4-n，在中性或碱性条件下，电渗流显著增大。

2 微液流聚合物化学芯片制作技术
2.1制片材料的选择依据   
    有机聚合物材料以其独特的性质成为制作芯片材料的热点^[6]。通常，选择有机聚合物材质时应注意以下几点：可加工性、光学特性、惰性、热和电性质、可退火键合及表面易修饰性。微体系和微结构的管道表面和管壁应能进行化学修饰以满足不同条件下的应用，对玻璃微芯片材料，已有很好的衍生化化学试剂，但对有机聚合物材料的衍生化试剂目前却很少；有机聚合物一般具有绝缘性质，在以电渗流驱动的体系中能应用高电场，但是聚合物的热导性质稍微次于玻璃，而微管道系统可防止焦耳热的大量产生；大部分聚合物有机材料对紫外光都有吸收，在用激光诱导激发时可能会产生背景荧光信号；最后还应考虑测试体系中使用的有机溶剂。
2.2有机聚合物材料的微制造技术      
    许多微制造技术都可以对有机聚合物基材的微芯片进行批量、低价的生产^[6]。
    LIGA技术是X射线光刻、电铸成模、塑料铸模三个手段顺序组合进行操作的一种技术。其过程为：曝光、显影、电铸、注模制造、注塑制造、脱铸。曝光过程中采用同步辐射X光进行光刻，通常采用的光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。由于完成同步辐射X光的代价大，制作X光掩膜也不容易，故在批量生产中常采用子母模的办法，光刻工序只制作母模。该技术制出的管道壁较光洁，管道具有极高的深宽比，降低了液流中样品的区带分散。
    等离子蚀刻（Plasma etching）及活性离子蚀刻（Reactive ion etching, RIE）技术广泛使用在半导体制作工艺中制作色谱及电泳应用的石英微芯片。一般情况下，RIE技术局限于玻璃、石英及硅片的制作。该过程为：首先把微芯片的图案设计于光掩膜上，在芯片材质上涂覆一层光刻胶，然后和光掩膜对准，在紫外光下进行曝光，显影，最后用活性CHF₃气体刻蚀。RIE技术刻制的管道的深宽比较高，但其管道壁极为粗糙。近来，RIE技术已被应用于有机聚合物的微芯片制作^[5]。
    激光烧蚀（Laser ablation）^[7]制造微结构是将激光从光掩膜上照射基材，基材吸收脉冲激光，产生电子跃迁以打断有机聚合物的化学键，瞬间将材质的特定部位烧蚀形成所需的管道形状。在该过程中，由于使用了紫外光，有机聚合物产生电子迁移，因此有机分子必须拥有一个发色团。虽然存在如此的约束条件，还是有许多可实用的有机材料，如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚苯乙烯、硝化纤维、聚乙烯基对苯二酸盐等都可以用激光烧蚀制作微芯片。
    印刻（Imprinting）和压印（Embossing）也可在有机聚合物材料上制作微结构管道^[5]，这两种技术主要利用了有机材料的玻璃转化温度（T_g）。印刻的方法简单，快速。但是制出的管道的重复性较差，而且管道易产生变形。压印由于应用的压力控制较均匀，故制出的管道复制性错误较少，而且可制出深宽比极高的管道，其主要的问题在分离主板和底材时在转角处会出现较大的复制错误。在有机聚合物材料中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、PMMA是较常应用于这两种方法的材料。

表1 有机聚合物微芯片制作方法一览
Table1. The table of machining methods of mTAS with organic polymers

    注射成模法（Injection molding）^[8]也较常用在聚合物微芯片的制作过程，制作过程为先用硅芯片的制作技术制作一块负板，再依此负板制作母板，最后用此母板制作子板模子。其与印刻和压印方法不同的是把材质加热到玻璃转化温度以上，然后把成为液体的材质注入子板模型中成模，冷却成型后即可取出。

图1 PDMS制作微芯片的过程

    有机聚合物管道的密封采用相同或不同材料的盖板在材质的稍微低于玻璃转化温度的条件下进行密封。PDMS是一种极具潜力的制作微液流芯片的有机聚合物，图1为用PDMS制作微芯片的工艺流程。PDMS材质可以简单地通过PDMS的薄板密封微管道，这种微体系很容易清洗，但不能耐高压。在等离子放电下氧化PDMS，将使材质的表面更加憎水，室温下密封会更加牢固。聚合物有机材质能在低温下退火密封，这使得在密封管道之前可以预沉积所需的化学试剂。为了制作小型多变的适于μTAS系统的微结构芯片，使用直接激光印刻系统（Direct write laser lithegraphy system）是目前较为通用的方法，该系统可以在玻璃和硅上蚀刻大至10×10cm具有微细管道（小至几个微米）的复杂结构，同时此系统也可用于制作聚合物微结构的模型。
   我们曾在英国帝国理工学院分析中心Philip实验室按上述方法制得了可用于CE分析的PDMS微芯片（3×4cm），管路深宽尺寸分别为200×60μm。
   同时以内径200μm的金属丝采用压印的方法制作了PMMA的微芯片（2×3cm），并对Luminol-H₂O₂-Co²⁺化学发光体系进行了测试，检出限可达到10^-10mol/L，对0.1μg/mL的Co²⁺标样连续测定6次，测定时间为80s，图2所示为0.01μg/mL和1μg/mL的Co²⁺测试结果及所用芯片示意图。 

（a）	(b)

图2 (a) 0.01mg/mL和1mg/mL的Co²⁺测试结果； (b)芯片示意图，载流驱动系统（日本日立K-1000流动注射分析仪上的柱塞泵）；进样系统（K-1000流动注射分析仪配备的蠕动泵），检测器（北京滨松公司CR105光电倍增管）。

3 微液流μ-TAS有机聚合物芯片的应用及前景       
    迄今为止，用有机聚合物成功制作微液流芯片的材料主要有：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚己酸丙酯（Polycaprolactone）、聚苯乙烯（Polystyrene）等。PDMS是一种较常用的材料，Duffy等^[9] 使用快速成模的方法在不到24h就制出了PDMS的微液流芯片，以此对氨基酸、蛋白质、DNA片段进行了分析，得到了和常规毛细管电泳方法可比的结果。Yan Liu等^[10]在PDMS的微芯片管道中通过动态涂覆PB（Polybrene）和DS（Dextran sulfate），在一定pH值下得到了稳定的电渗流，考察了电渗流和pH的关系以及涂覆前后电渗流的变化。Chan等^[11]采用压印的方法制作了PDMS的微芯片，并且和质谱联用进行了老鼠血清白蛋白的分析。和玻璃微芯片相比具有相当的检出限。Anderson等^[12]通过快速模型的方法PDMS上制作了复杂的三维微液流管道。McDonald、Folch等^[13]使用压印的方法制作了PDMS微芯片。Effenhauser等^[14]通过压印（molding）的方法制作了集成毛细管电泳微芯片，在DNA片段上插入染料（YOYO-1）和荧光标记物，得到了zmol(zepomoles)级的检出限。Martin等^[15]在PDMS上制作分离及注射管道，然后用玻璃作盖板，形成了可逆密封，避免了高温键合。Henry等^[16]在PMMA的微芯片管道表面以氨基官能团物质进行修饰，以反射吸收红外光谱（RA-IR）、X-射线光电子能谱（XPS）等方法研究了管道表面状况。Martynova等^[17]以金属丝印刻和硅模板压印的方法制作了PMMA材质的芯片，通过分析山羊抗体免疫球蛋白G评价了微系统。Masanori等^[18]以LIGA技术制作了PMMA的微芯片，以激光诱导荧光（LIF）检测了荧光燃料标记的DNA分子。Chen等^[19]在PMMA基材上采用金属丝印刻的方法制作了微芯片电泳装置，并且进行了DNA分子的分离检测。Soper等^[20]以PMMA材质制作了微芯片电泳装置，高速地进行了寡聚核苷酸的分离分析。其它有机聚合物材质微液流芯片的应用相对较少。
    从以上论述可知，微液流芯片发展到今天，在生物、化学、诊断等领域取得了巨大的成功。在其出现的十年当中，人们不断地从各个方面对其改进。如芯片材料选择、管道刻蚀方法及设计、管道壁的化学修饰等。从目前的研究成果来看，有机聚合物材料无疑将在芯片材料的选择中扮演重要角色。因此，在选择合适的刻蚀方法及优化管道设计的条件下，寻找具有优良性质而价格便宜的有机材料、研究新材料的修饰试剂等将会为微液流全化学分析系统的实用化打下坚实的基础。

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