雍蓓蓓， 徐光明， 張 宏

(1.浙江大學(xué) 微分析系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué) 醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院，浙江 杭州 310009)

0 引 言

以微機(jī)電加工技術(shù)為基礎(chǔ)的“微型全分析系統(tǒng)”(miniaturized total analysis systems,or micro total analysis systems,μTAS)[1]是通過化學(xué)分析設(shè)備和化學(xué)合成裝置的微型化與集成化，最大限度地把化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜設(shè)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(lǐng)域和發(fā)展前沿，集中體現(xiàn)了將化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到芯片上的思想，其目標(biāo)是把整個(gè)化驗(yàn)室的采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)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(yīng)用前景。自1997年,Salimimoosavi H等人[2]首次報(bào)道了微流控芯片在有機(jī)合成中的應(yīng)用之后，相關(guān)研究已經(jīng)成為微流控芯片和合成化學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)之一，并迅速成為當(dāng)今有機(jī)合成化學(xué)的一項(xiàng)新技術(shù)[3～5]。因?yàn)樗橇己玫挠H核試劑，在許多親核反應(yīng)中少量水的存在會(huì)嚴(yán)重干擾合成反應(yīng)，因此，在微流控系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行此類有機(jī)合成，就必須實(shí)現(xiàn)反應(yīng)試劑的在線脫水。

目前在微流控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)試劑在線脫水的方法主要是加熱蒸發(fā)分離，Lee C C等人[6]設(shè)計(jì)了一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質(zhì)的微流控合成裝置，實(shí)現(xiàn)了含F(xiàn)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(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)了細(xì)菌的快速濃縮，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。

本文報(bào)道了一種玻璃—PDMS…PDMS—PC復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單，封合可靠，液路和氣路通道易于對(duì)準(zhǔn)，而且，液路半芯片和氣路半芯片可以獨(dú)立更換、自由組裝，用此芯片可實(shí)現(xiàn)有機(jī)合成過程試劑的脫水處理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 芯片制作

復(fù)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(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)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(duì)準(zhǔn)玻璃勻膠鉻板，并使兩者緊密貼合，于光刻機(jī)下曝光，曝光時(shí)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(fēng)機(jī)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(dòng)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(hù)，放入刻蝕液中，在40 ℃恒溫水浴振蕩器下，緩慢搖動(dòng)刻蝕，通?？涛g速度約為1 μm/min，控制刻蝕時(shí)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(xì)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(yù)聚體與固化劑按10︰1的質(zhì)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(jīng)脫氣處理的PDMS混合物，輕輕晃動(dòng)使PDMS厚薄分布均一，烤膠機(jī)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(jù)液槽位置在PDMS對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)液槽進(jìn)出口位置打孔，作為進(jìn)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(jī)在PC板上刻出通道，并在需要連接氣路的進(jìn)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?dú)獯蹈?，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?dú)獯蹈?，?54 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(jìn)、出液端以及氣路半芯片的進(jìn)、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(shè)備的接口。

2)可逆封合制備PC—PDMS…PDMS—玻璃復(fù)合脫水芯片

將氣路半芯片與液路半芯片的PDMS面相對(duì)(預(yù)先用保鮮膜保護(hù)，封合前揭去)，中間放入PTFE微孔膜，對(duì)準(zhǔn)后壓緊，使兩個(gè)半芯片通過PDMS之間的自然粘合力形成可逆封接，整個(gè)芯片用夾具固定，即得到PC—PDMS…PDMS—玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)的微流控脫水芯片，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 復(fù)合脫水芯片結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 在線脫水裝置

用具有減壓裝置的氮?dú)怃撈?、脫水芯片、芯片加熱裝置、微量注射泵構(gòu)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(gòu)成負(fù)壓式脫水裝置(圖3(b))，用這兩種類型的裝置，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)的有機(jī)試劑在線脫水處理。

圖3 微流控芯片脫水裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合式脫水芯片的研制

這種玻璃—PDMS…PDMS—PC復(fù)合結(jié)構(gòu)的微流控脫水芯片，其底部基片采用玻璃材質(zhì)，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(zhì)，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(jìn)一步提高了氣—液相的分離效果。

用PDMS做上下兩層結(jié)構(gòu)之間的密封材料，簡(jiǎn)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(jié)合的方式，使玻璃—PDMS、PC—PDMS均形成具較高強(qiáng)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(fù)對(duì)準(zhǔn)、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(dú)更換，自由組裝。

2.2 芯片脫水性能測(cè)試

2.2.1 脫水條件探究

1)分別用單獨(dú)加熱自然蒸發(fā)、加熱結(jié)合正壓(通干燥氮?dú)?吹出、加熱結(jié)合負(fù)壓(抽真空)攜出三種方式，研究了純水在芯片內(nèi)完全蒸發(fā)脫水的時(shí)間與加熱溫度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4。

圖4 脫水時(shí)間與芯片加熱溫度關(guān)系

結(jié)果表明:三種不同的蒸發(fā)方式均可實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)的在線脫水。正壓式脫水和負(fù)壓式脫水兩種方式均可加速水的蒸發(fā)，且這兩種方式在芯片加熱溫度達(dá)120 ℃后，其脫水時(shí)間達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此，對(duì)于純水在120 ℃下采用正壓或負(fù)壓方式進(jìn)行脫水均較為理想，且正壓方式更為簡(jiǎn)便。

2)進(jìn)一步研究了正壓方式下氮?dú)鈮毫拓?fù)壓方式下真空度對(duì)純水脫水時(shí)間的影響，其結(jié)果分別見圖5和圖6。

圖5 脫水時(shí)間與氮?dú)鈮毫﹃P(guān)系(120 ℃)

圖6 脫水時(shí)間與真空度關(guān)系(120 ℃)

正壓方式下，脫水時(shí)間隨氣壓增大而減少，達(dá)到0.4 MPa以上蒸發(fā)時(shí)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(dá)到最大值；負(fù)壓方式下，脫水時(shí)間隨真空度增大而減少。

3)以乙腈—水混合溶液進(jìn)行了單獨(dú)加熱自然蒸發(fā)和正壓吹出蒸發(fā)脫水的研究，結(jié)果分別見圖7和圖8。

圖7 乙腈—水混合溶液的脫水時(shí)間與加熱溫度關(guān)系

圖8 乙腈—水混合溶液的脫水時(shí)間與氮?dú)鈮毫﹃P(guān)系(110 ℃)

可見，正壓方式同樣可加快乙腈—水混合溶液的蒸發(fā)，且當(dāng)加熱溫度達(dá)110 ℃時(shí)能得到良好脫水結(jié)果。脫水時(shí)間隨氮?dú)饬髁吭龃蠖s短，在110 ℃時(shí)，氮?dú)鈮毫Υ笥?.4 MPa，脫水時(shí)間便可小于3 min，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。此外還發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓方式下混合溶液會(huì)被吸入氣路芯片，不適用于這類混合溶液的脫水。

2.2.2 實(shí)際樣品脫水測(cè)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?dú)鈮毫?.4 MPa，溫度110 ℃條件下對(duì)該混合溶液進(jìn)行脫水，并用無水乙腈洗脫蒸發(fā)后的剩余物，用卡爾費(fèi)休法測(cè)定了洗脫液的含水量，考察脫水時(shí)間與洗脫液含水量的關(guān)系，其結(jié)果見圖9。

圖9 氟試劑含水量與加熱時(shí)間的關(guān)系

結(jié)果表明:當(dāng)脫水時(shí)間在3 min時(shí)，洗脫液中的含水量小于1 %，達(dá)到脫水目標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文研制了玻璃—PDMS…PDMS—PC四層結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單可靠，液路和氣路通道易于對(duì)準(zhǔn)，且液路半芯片和氣路半芯片可獨(dú)立更換、自由組裝。

利用此芯片構(gòu)成的脫水裝置，對(duì)純水、乙腈∶水(V/V)=2︰1混合溶液脫水進(jìn)行了條件實(shí)驗(yàn)，脫水的合適溫度為110～120 ℃，采用干燥氮?dú)庹龎狠o助吹出的方式更為理想，且對(duì)本系統(tǒng)裝置合適的氮?dú)鈮毫?.4 MPa。

用本脫水裝置對(duì)KF—乙腈水溶液進(jìn)行了實(shí)際脫水效果考察，可在3 min內(nèi)完成脫水，洗脫液中含水率小于1 %，結(jié)果令人滿意，該芯片可以用于合成[18F]FDG等有機(jī)試劑的脫水。

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