CN101358912B

CN101358912B - 含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片

Info

Publication number: CN101358912B
Application number: CN2008100703069A
Authority: CN
Inventors: 徐溢; 张文品; 曹强; 徐平洲; 曾萍
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: CN101358912A

Abstract

本发明属于微全分析技术领域，涉及一种含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片，在微流控芯片上的微通道内采用紫外光照原位聚合法制备聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱，微流控芯片的基片可采用玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS等为基材，刻蚀有流体混合和反应的微通道网络；盖片采用整体浇铸PDMS法制作集固相萃取预处理单元的微通道，在与基片各微通道口对应位置开有供微流体出入的导液孔，并与基片直接键合，实现样品预处理整体柱与微流控芯片微管道网络一体化集成。本芯片具有制作简便、成本低廉、进样量少、分离分析快速的优点，适合复杂生化样品样品的预处理和分析测试。

Description

含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片

技术领域：

本发明属于微全分析技术领域，涉及一种用于分离、富集样品的含固相萃取整体柱介质的三维微流控芯片及其制备方法。

背景技术：

微全分析系统(μ-TAS，又称芯片实验室，Lab-on-a-chip)由于其具备可实现分析过程连续化、集成化、自动化和微缩化的特点，从而能够极大地减少试剂的消耗量、缩短分析时间、提高分析检测效率，因此，在疾病诊断、生化分析、临床检测等领域获得广泛的应用。由于实测样品中基底和成分复杂，基体效应与各干扰组分的共存，致使样品预处理过程多是在微流控芯片外通过离心、过滤、分离等方式实现，不利于微全分析系统的集成化，尤其是样品的纯化富集等预处理技术更是制约微全分析系统发展的瓶颈之一。

针对现阶段微流控芯片系统中对生物样品的预处理，目前常用的预处理技术有基于堰、栅栏、柱、筛等微器件构成的过滤式预处理芯片，基于吸脱附原理的开口管、填充柱和整体柱式固相萃取型预处理芯片，以及基于电场、磁场或声场作用原理的预处理芯片等。与微流控芯片上的诸多预处理方式相比，整体柱是一种新型的在管内以原位(in situ)聚合的方式形成的用于分离分析或作为反应器的多孔固相萃取介质，具有双连续结构和双孔分布两大特点，与传统的多孔微球型柱材料相比，穿透孔的存在使得整体柱材料具有较好的渗透性和较小的传质阻力。整体柱式固相萃取型预处理芯片可以通过选取不同性质的吸附剂使分析选择性大为提高，但存在洗脱过程致使预处理效率降低及集成难等问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高效、简便、成本低廉、能用于样品前处理的微流控固相萃取预处理三维芯片及其制备方法。

本发明提出的微流控芯片由基片和盖片直接封接而成，有效地实现样品前处理整体柱与微流控芯片微管道网络一体化集成。盖片上设有样品入口、试剂入口和废液出口及固相萃取预处理微通道，采用PDMS整体浇铸成型法制备而成，固相萃取预处理微通道内采用紫外光照原位聚合法制备有聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱，样品入口设置在固相萃取预处理微通道的入口端；所述基片以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS为基材，刻蚀有流体混合和反应的微通道网络，微通道网络由样品进入通道、试剂进入通道共同连接混合反应通道构成；盖片与基片粘接封装后，盖片上的固相萃取预处理微通道末端与基片上的样品进入通道连通，盖片上的试剂入口连通基片上的试剂进入通道，盖片上的废液出口位于基片上的混合反应通道末端。

本芯片在盖片上的微通道内采用紫外光照原位聚合法制备聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱；聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱是采用适宜比例的甲基丙烯酸丁酯(BMA)为功能单体，二甲基乙二醇酯(EDMA)为交联剂，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，1，4丁二醇、异丙醇、甲醇、乙醇、水等作为致孔剂，在365nm的紫外光照的条件下原位聚合聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱；采用掩膜可有效控制整体柱的在微管道中的位置和长度；通过微通道表面γ-MAPS双官能团试剂改性处理，能有效地解决整体柱材料与管壁的键合问题。所述微流控预处理芯片，预处理材料可以用于复杂生化样品中待测目标组分纯化富集。

本芯片的制备方法如下：

(1)盖片采用PDMS整体浇铸成型法制作，首先第一次浇铸PDMS，于90℃烘箱内固化半小时左右得到厚度为0.3～0.5mm厚的PDMS膜层，再将直径为75～200μm细金属Pt丝固定于上述芯片上，第二次浇铸PDMS，在60℃烘箱内固化4小时得到含预处理微通道的PDMS盖片，并在与基片各微通道口对应位置开有供微流体出入的导液孔。

(2)以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS为芯片底片材料，采用湿法或干法刻蚀有流体混合和反应微通道。

(3)采用γ-MAPS双官能团试剂处理盖片微通道。处理过程如下：先用0.1MNaOH溶液冲洗微管道；再用重蒸水冲洗至中性，并用50倍柱体积的丙酮冲洗干净；然后将30％VN双官能团试剂γ-MAPS丙酮溶液注入微通道中，密封，放置过夜；最后用去离子水冲洗，干燥备用；

在(3)中的芯片微通道中，采用紫外光照原位聚合法制备聚甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱，以隔离紫外光的掩膜控制整体柱的长度和位置，按75％制孔剂和25％预聚物比例将反应物泵入已经活化处理的微通道内，所述预聚物采用甲基丙烯酸丁酯BMA为功能单体，二甲基乙二醇酯EDMA为交联剂、偶氮二异丁腈AIBN引发剂，三者按m_BMA∶m_EDMA∶m_AIBN为59.5％：39.5％：1％的质量比例混合，致孔剂采用甲醇和乙醇，两者按V_甲醇∶V_乙醇为1∶1的体积比例混合，在365nm处以18w功率的紫外光在2～10cm照射距离下照射2～6小时，得到聚甲基丙烯酸丁酯整体柱；

(4)将(4)制备的盖片与基片直接粘接封装，得到微流控固相萃取预处理芯片。

本发明提出的微流控固相萃取芯片可用于血样中药物(如：吩噻嗪类药物等)的净化和富集。

本发明提出的微流控固相萃取预处理三维芯片具有具有制作简便、成本低廉、高负载量、低进样量、快速分析、体积小巧的优点，适合复杂生化样品样品的预处理。其中采用整体浇铸法制备微通道具有制备简单、成本低廉、操作方便等特点，且能克服芯片封装中封接难、漏液等问题。采用掩膜有效控制整体微柱位置和尺寸，将整体柱分离介质合理地键合到微流控芯片管道中。芯片盖片中的预处理管道采用了双官能团试剂γ-MAPS对芯片微通道进行改性修饰，以改善芯片表面性质，使固相萃取介质材料与芯片微通道内壁得到有效键合。

本发明采用的甲基丙烯酸丁酯有机聚合物整体柱属于疏水作用分离介质材料，主要依据物质的极性来分离纯化待测样品，而通过改变洗脱溶剂的浓度及运行条件可以有效地获得良好的洗脱效率。与其他预处理整体柱相比，原位制备的甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱克服了比表面积小、负载容量低、热诱导聚合过程繁琐、通透性不好，预处理效率不高等不足，具有具有通透性好、柱压低、机械强度高、分析速度快、直接进行实际样品分离、富集的特点。

本发明提出的整体浇铸法制备含固相萃取预处理单元的PDMS-玻璃微流控芯片，能明显改善预处理单元在微流控芯片上集成难的问题，且便于芯片上实现光度法、化学发光和荧光定量检测，是一种制备简单、低成本、含样品预处理单元的微流控固相萃取三维芯片，其为微全分析系统集成化的发展提供更多的可能性。

附图说明

图1含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的微流控芯片结构示意图；

图2含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的微流控芯片结构盖片示意图；

图3含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的微流控芯片结构基片示意图；

图中：1.样品入口；2.试剂入口；3.废液出口；4.样品进入通道；5试剂进入通道；6混合反应通道7盖片；8基片；A-B.整体柱。

具体实施方式

本发明提出的微流控固相萃取预处理芯片，其结构如图1所示，整个芯片由基片8和盖片7直接封接而成，结构尺寸为：长(30mm)×宽(20mm)×高(3mm)。图2中盖片厚度为1～2mm，盖片中固相萃取预处理微通道(A-B整体柱)长为(5～10mm)，管道直径75～200μm；图3中基片厚度为1mm，基片中混合和反应微通道尺寸为长(10～30mm)×宽(50～200μm)×深(50～200μm)。

盖片的结构参见图2，盖片上设有样品入口1、试剂入口2和废液出口3及固相萃取预处理微通道，采用PDMS整体浇铸成型法制备而成，固相萃取预处理微通道内采用紫外光照原位聚合法制备有聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱A-B，样品入口1设置在固相萃取预处理微通道的入口端。

基片的结构参见图3，基片以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS为基材，刻蚀有流体混合和反应的微通道网络，微通道网络由样品进入通道4、试剂进入通道5共同连接混合反应通道6构成。

盖片与基片粘接封装后参见图1，盖片上的固相萃取预处理微通道末端与基片上的样品进入通道4连通，盖片上的试剂入口2连通基片上的试剂进入通道5，盖片上的废液出口3位于基片上的混合反应通道6末端。

按照图1所设计的结构制作目标芯片。用95％的乙醇清洗玻璃片，以其作为基片，按照PDMS:固化剂质量比为10∶1配制PDMS浇铸液，搅匀，静置，除去气泡，将其流涎到玻璃片上，放置到90℃烘箱中固化半小时，得到PDMS片，再将制做的模具固定在上述PDMS片上，二次浇铸成型得到样品预处理芯片的盖片。在对应的出口和入口出制作样品进出口通孔，得到目标盖片。采用玻璃片制作芯片底片，按照图1中芯片结构示意图制备刻蚀掩膜，按照标准玻璃湿法刻蚀工艺刻蚀所需深度的通道结构；用乙醇清洗载玻片，采用湿法刻蚀得到含混合和反应微管道的基片。用0.1MNaOH溶液冲洗毛细管以活化管道内壁；用重蒸水冲洗至中性，并用50倍柱体积的丙酮冲洗干净；然后将双官能团试剂γ-MAPS丙酮(30％V/V)溶液注入微通道中，密封，放置过夜；最后用去离子水冲洗，干燥备用。微管道分别采用NaOH、重蒸水、丙酮和双官能团试剂γ-MAPS丙醇(30％VN)活化处理，干燥备用；按75％制孔剂(m_BMA∶m_EDMA∶m_AIBN为59.5％：39.5％：1％)和25％预聚物(V_甲醇∶V_乙醇为1∶1)比例将聚合液泵入已经活化处理的微通道内，在365nm处以18w(功率)紫外光照下聚合4小时得到有机聚合物整体柱，用乙醇洗涤，于60℃温度下干燥，待用。制得聚合整体柱的孔容可达到0.31cm²·g^-1，BET比表面积达到365.72m²·g^-1，SEM测试图谱显示聚合物由3～5μm的微球和一定尺寸的微孔组成。

本芯片的使用实例：

本微流控固相萃取三维芯片可通过光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)和光纤等方式采集数据，与多种检测方法集成。以血液中的盐酸丙米嗪药物为实测样品，利用强酸性的高锰酸钾-乙二醛-丙米嗪化学发光体系进行测定。样品用注射微泵从预处理整体柱通道的入口端进样，以2.0mL/min的流速经预处理整体柱，被测物质被固相萃取材料吸附，用一定体积的洗脱液冲洗整体柱，最后用样品洗脱液将被测物质从固相载体上洗脱下来；同时，在反应试剂入口端以同样的速度泵入反应试剂(发光试剂)，在反应通道的末端检测信号。实验结果显示：聚甲基丙烯酸丁酯类整体柱对血液中盐酸丙米嗪有明显的分离富集效果，其富集倍数达到10倍以上，本设计芯片分析系统的检出限可达到5×10^-8g/mL。

Claims

1.一种含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片，所述芯片由基片和盖片封接而成，其特征在于：所述盖片设有样品入口、试剂入口和废液出口及固相萃取预处理微通道，采用PDMS整体浇铸成型法制备而成，固相萃取预处理微通道内采用紫外光照原位聚合法制备有聚甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱，样品入口设置在固相萃取预处理微通道的入口端；所述基片以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS为基材，刻蚀有流体混合和反应的微通道网络，微通道网络由样品进入通道、试剂进入通道共同连接混合反应通道构成；盖片与基片粘接封装后，盖片上的固相萃取预处理微通道末端与基片上的样品进入通道连通，盖片上的试剂入口连通基片上的试剂进入通道，盖片上的废液出口位于基片上的混合反应通道末端。

2.根据权利要求1所述的三维微流控芯片，其特征在于：所述盖片中固相萃取预处理微通道长为5～10mm，微通道直径75～200μm，基片中混合和反应微通道尺寸为长10～30mm×宽50～200μm×深50～200μm。

3.权利要求1所述的三维微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)盖片采用PDMS整体浇铸成型法制作，首先第一次浇铸PDMS，于90℃烘箱内固化半小时左右得到厚度为0.3～0.5mm厚的PDMS膜层，再将直径为75～200μm细金属Pt丝固定于上述PDMS膜层上，第二次浇铸PDMS，在60℃烘箱内固化4小时得到含固相萃取预处理微通道的PDMS盖片，并在与下述基片各微通道口对应位置开有供微流体出入的样品入口、试剂入口和废液出口；

(2)以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS为芯片基片材料，采用湿法或干法刻蚀有流体混合和反应的微通道网络，微通道网络中混合和反应微通道的尺寸为长10～30mm×宽50～200μm×深50～200μm；

(3)采用γ-MAPS双官能团试剂处理盖片中固相萃取预处理微通道，处理过程如下：先用0.1MNaOH溶液冲洗固相萃取预处理微通道；再用重蒸水冲洗至中性，并用50倍柱体积的丙酮冲洗干净；然后将30％V/V双官能团试剂γ-MAPS丙酮溶液注入固相萃取预处理微通道中，密封，放置过夜；最后用去离子水冲洗，干燥备用；

(4)在盖片的固相萃取预处理微通道中，采用紫外光照原位聚合法制备聚甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱，以隔离紫外光的掩膜控制整体柱的长度和位置，按75％致孔剂和25％预聚物比例将反应物泵入已经活化处理的固相萃取预处理微通道内，所述预聚物采用甲基丙烯酸丁酯BMA为功能单体，二甲基乙二醇酯EDMA为交联剂、偶氮二异丁腈AIBN为引发剂，三者按m_BMA∶m_EDMA∶m_AIBN为59.5％∶39.5％∶1％的质量比例混合，致孔剂采用甲醇和乙醇，两者按V_甲醇∶V_乙醇为1∶1的体积比例混合，在365nm处以18w功率的紫外光在2～10cm照射距离下照射2～6小时，得到聚甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱；

(5)将步骤(4)制备的盖片与步骤(2)制备的基片直接粘接封装，使盖片上的固相萃取预处理微通道末端与基片上的样品进入通道连通，盖片上的试剂入口连通基片上的试剂进入通道，盖片上的废液出口位于基片上的混合反应通道末端，即得到含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片。