CN103508411B

CN103508411B - 一种微流控整体柱芯片的制备及其拉曼检测方面应用

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Publication number: CN103508411B
Application number: CN201310411036.4A
Authority: CN
Inventors: 崔大祥; 陈守慧; 王智华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103508411A

Abstract

本发明提供了一种微流控整体柱芯片的制备及其拉曼检测方面应用，首先制备，聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片，然后配制多孔整体柱溶液：将单体、交联剂、成孔剂、光引发剂，超声混合，通氮气除氧，最后将整体柱溶液放于冰浴中保存。将该溶液注射到微流控芯片管道内，密封，进行紫外曝光，采用甲醇洗涤除去致孔剂和未反应的单体，再用去离子水充分洗涤，然后将银微球溶液注射到微流控芯片，利用银微球的富集和表面拉曼增强效应实现待测样品的超灵敏拉曼实时检测，其检测限可达10^-12M。本发明方便灵活、成本低、能耗低，便于推广，广泛应用在血清标志物检测，气体标志物检测，环境监测，食品安全等领域。

Description

一种微流控整体柱芯片的制备及其拉曼检测方面应用

技术领域

本发明涉及一种微流控整体柱芯片的制备方法，并将该微流控整体柱芯片应用于有机小分子、生物医学、食品安全、环境监控等领域拉曼检测应用，属于材料制备和应用领域。

背景技术

微流控系统是对微小体积液体（10^-9–10^-18L)在几十到几百微米管道内操控的过程,与传统的实验台式技术相比，微流控器件具备下列优点，体积小，试剂消耗少，分析快，多通道检测等优点，然而，目前微流控器件发展趋势朝向越来越复杂化发展，将多个操作单元如分离、混合、富集、检测等整合到一个芯片上完成。为了实现微流控芯片的多功能集于一身，我们在聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片内原位合成制备一种多孔聚合物整体柱，并应用于拉曼在线检测分析。

多孔聚合物整体柱被作为一种常规装填的色谱柱替代品，具有更好的多孔性和渗透性特点。近年来，由于整体柱能够原位聚合和易表面修饰等优点，已经在色谱分析（J.Chromatogr.A2009，1216,6824）、固相萃取（Anal.Chem.2005,77,6664）、电渗泵（Sens.ActuatorsB2006，113,500）、混合器（Electrophoresis.2001,22,3959）、生物反应器（Anal.Chem.2002,74,4081）等广泛应用。目前微流控整体柱芯片大部分是在玻璃器件上实现的（Anal.Chem.2001，73,5088），而在PDMS芯片上鲜有报道，国内尚无这方面的研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种简单，快速，低成本，微流控整体柱芯片的制备方法，并将该器件应用于拉曼在线检测。

根据本发明的一个方面，提供一种微流控整体柱芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，制备PDMS微流控芯片

采用标准的软光刻微加工技术制备PDMS微流控芯片，芯片的微通道的直径为25-400μm；微流控芯片曝光处管道设计两个连续的具有一定弧度的管道。

第二步，配制多孔整体柱溶液：

将单体甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA），交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA），成孔剂邻苯二甲酸二正辛酯（DOP）按其重量比2：1：7至1：2：2混合，然后再加入上述占混合液总重的1～5%的光引发剂二羟甲基丙酸（DMPA），超声混合，再往整体柱溶液通氮气除氧，最后将整体柱溶液放置于冰浴中保存。

所述超声混合，是指将混合液超声10～20min。

所述通氮气除氧，是指往整体柱溶液通氮气5～30min，除去溶液中的氧气。

第三步，微流控芯片整体柱制备

通过注射器将整体柱溶液注射到微流控芯片管道内，然后将微流控芯片进出口用封口膜密封。将光掩膜板固定到PDMS微流控芯片，并控制好需要曝光的管道区域，将整个器件置于紫外灯下曝光，在光引发剂的作用下，原位合成整体柱，然后除去进出口的密封膜，采用注射泵向微流控芯片通道内注入甲醇洗涤，除去致孔剂和未反应的整体柱溶液，最后注射去离子水进行充分洗涤。

所述将整个器件置于紫外灯下曝光，曝光时间为30～90s。

所述采用注射泵向微流控芯片通道内注入甲醇洗涤，是指采用注射泵向微流控芯片通道内以2～10μL/min的速度注入甲醇洗涤30～90min。

所述注射去离子水进行充分洗涤，是以5～20μL/min的流速注射去离子水，进行充分洗涤。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述得到的微流控整体柱芯片的应用，即将该微流控整体柱芯片应用于有机小分子2-巯基吡啶的拉曼检测。

优选地，所述的微流控整体柱芯片应用于拉曼小分子的检测，具体包括如下步骤：

第一步，采用微量加样器将50～100μL的尺寸大小为1～2μm银微球，注入微流控整体柱芯片管道内。

第二步，采用注射泵以2～50μL/min注射去离子水到固定银微球的微流控整体柱芯片管道，确保芯片入口处及管道内壁残留的银微球可以全部的冲洗到芯片整体柱一端。

第三步，通过注射泵以2～20μL/min的流速，注射50～1000μL，浓度为10^-6～10^-12M的2-巯基吡啶溶液。

第四步，采用便携式拉曼光谱仪，借助拉曼光谱显微镜将激光光斑聚焦到微流控整体柱芯片银微球表面上，进行不同时间段采集样品的表面增强拉曼光谱信号，每次采集时间2～20s，功率为10～60mW,平行采集八次信号。

上述检测方法：

第一步中，微流控整体柱芯片，其整体柱是多孔结构，尺寸小于1μm，溶液能轻易流通过，但固体颗粒尺寸介于1～2μm的银微球则有效被阻挡住，从而停留到整体柱一侧。

第二步中，通过注射泵以流速为2-50μL/min注射去离子水，目的是清洗微流控管道，将残留在芯片进口处及管道内壁的银微球全部冲到整体柱前，同时亦能充分洗涤银微表面杂质，利于银微区在后续步骤中的实现对样品的富集和拉曼检测信号的采集。

第三步中，采用注射泵注射拉曼有机小分子2-巯基吡啶，该有机小分子易于银微球形成Ag–S化学键，从而被银微球强烈的捕获富集，同时银微球是一种优良的表面增强拉曼基底，可以实现对所测样品的在线超灵敏拉曼检测。

本发明上述芯片可以应用于医学诊断，环境监控，食品安全，有机小分子等的检测领域，比如胃癌呼出气体小分子，水环境中重金属汞离子，奶粉中的三聚氰胺等。

本发明提供了一种简单，快速，低成本，通用性的微流控整体柱芯片的制备方法。本发明通过紫外曝光技术，在PDMS微流控芯片上原位合成制备多孔的整体柱，然后将银微球注入到芯片内，利用整体柱阻拦银微球，并控制其在特定位置，本实验以检测有机小分子2-巯基吡啶为例，将样品注射到微流控管道内，利用银微球对待测小分子富集和表面增强拉曼效果，通过拉曼光谱仪进行检测。结果表明检测灵敏度达10^-12M，具有超高灵敏度检测，同时该检测器件易操作，能够将样品的富集，检测等功能整合到一起。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1，重量轻，成本低，可便携；2，易实现对样品的富集，特别是痕量样品；3，可以实时的采集表面增强拉曼信号；4，检测重复性强，超高灵敏度和精确度；5，易操作，无需专业人员和复杂的仪器设备；6，与便携式拉曼光谱仪结合可在野外和家庭诊断；7，该器件易制备，可实现标准化，大规模生产。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明采用Freehand绘图软件设计微流控芯片管道示意图；

图2为本发明微流控整体柱芯片拉曼检测示意图；

其中：1，2为微流控液体进口管道；3为微流控液体进口管道；4为原位聚合在微流控芯片的多孔整体柱；5为被阻挡在多孔整体柱前的银微球；6为待测的样品分子（2-巯基吡啶)；7为拉曼入射激光；8为表面增强拉曼散射光。

图3为本发明实施例1制备的多孔整体柱扫描电子显微镜图；

图4为本发明实施例2制备的多孔整体柱扫描电子显微镜图；

图5为本发明实施例2制备的微流控多孔整体柱阻拦银微球扫描电子显微镜图；

图6为本发明实施例2制备的微流控整体柱检测2-巯基吡啶的表面增强拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

(a)采用AutoCAD计算机绘图软件设计微流控管道绘制掩模板，微流控芯片曝光处管道设计两个连续的垂直管道放置的椭圆，长轴为150-400μm,短轴为50–200μm，该技术不同于其他微流控芯片通常采用长方形管道设计，该管道设计如图1所示。

(b)利用软光刻标准微加工技术制备PDMS微流控芯片。

(c)整体柱溶液配制，将单体（GMA），交联剂（EGDMA），成孔剂（DOP）按其按重量比2：1：7混合，然后再加入上述占混合液总重2%的光引发剂（DMPA），配制多孔整体柱溶液，将混合液超声5～20min，再往整体柱溶液通氮气5～30min，除去溶液中的氧气，最后将整体柱溶液放置于冰浴中保存。比如超声时间可以为5min,10min,20min,通氮气时间可为5min,10min,30min。

(d)通过注射器将100μL整体柱溶液注射到微流控芯片管道内，然后将微流控芯片进出口用封口膜密封。

(e)将光掩膜板固定到PDMS微流控芯片，并控制好需要曝光的管道区域，将整个器件置于紫外灯下曝光30～90s，在光引发剂的作用下，原位合成整体柱。

(f)除去进出口的密封膜，采用注射泵向微流控芯片通道内以2～10μL/min的速度注入甲醇洗涤30～90min，目的是除去致孔剂和未反应的整体柱溶液，其中注入速度可以为2，5，10μL/min等，洗涤时间可以为30min,60min,90min等。

(g)利用注射泵以5～20μL/min的流速注射去离子水，进行充分洗涤30～90min,其中流速可以为5，10，20μL/min等，洗涤时间可以为30min,60min,90min等。所得多孔整体柱的扫描电镜图（如图3），其多孔整体柱的孔径大小大部分小于200nm。虽然可以阻挡住银微球的通过，但多孔整体柱的通透性比较差，不利于液体的通过。

(h)采用微量加样器，将50～100μL的尺寸大小为1～2μm银微球，注入微流控整体柱芯片管道内。

(i)采用注射泵以2～50μL/min注射去离子水到固定银微球的微流控整体柱芯片管道，确保芯片入口处及管道内壁残留的银微球可以全部的冲洗到芯片整体柱一端；其中去离子水注入速度可以为2，20，50μL/min等。

(j)通过注射泵以2～20μL/min的流速，注射50～1000μL2-巯基吡啶溶液，其浓度为10^-9M。其中流速可以为2，10，20μL/min等

(k)采用便携式拉曼光谱仪，借助拉曼光谱显微镜将激光光斑聚焦到微流控整体柱芯片银微球表面上，采集时间2～60s，功率为10～60mW,采集样品的表面增强拉曼光谱信号，将光斑聚集不同银微球位置，平行采集八次信号。采集时间可为：2s,10s,20s,60s,所用功率可为10mW,20mW,60mW。

实施例2：

(a)采用AutoCAD计算机绘图软件设计微流控管道绘制掩模板，该管道设计如图1所示，微流控芯片曝光处管道设计两个连续的垂直管道放置的椭圆，长轴为150-400μm,短轴为50–200μm，该技术不同于其他微流控芯片通常采用长方形管道设计。

(b)利用软光刻标准微加工技术制备PDMS芯片。

(c)整体柱溶液配制，将单体（GMA），交联剂EGDMA），成孔剂（DOP）按其按重量比3：2：5混合，然后再加入上述占混合液总重4%的光引发剂（DMPA），配制多孔整体柱溶液，将混合液超声5～20min，再往整体柱溶液通氮气5～30min，除去溶液中的氧气，最后将整体柱溶液放置于冰浴中保存。比如超声时间可以为5min,10min,15min，通氮气时间可为5min,10min,20min。

(e)将光掩膜板固定到芯片，并控制好需要曝光的管道区域，将整个器件置于紫外灯下曝光45s，在光引发剂的作用下，原位合成整体柱。

(f)除去进出口的密封膜，采用注射泵向微流控芯片通道内以2～10μL/min的速度注入甲醇洗涤30～90min，目的是除去致孔剂和未反应的整体柱溶液。

(g)利用注射泵以5～20μL/min的流速注射去离子水，进行充分洗涤30～90min,比如速度可以为5，10，20μL/min，洗涤时间可以为30min,60min,90min。所得多孔整体柱的扫描电镜图（如图4），其多孔整体柱的孔径大小大部分介于500～1000nm。不但可以有效地阻挡住银微球的通过，而且多孔整体柱的通透性表较好，利于液体的通过。

(i)采用注射泵以2～50μL/min注射去离子水到固定银微球的微流控整体柱芯片管道，确保芯片入口处及管道内壁残留的银微球可以全部的冲洗到芯片整体柱一端。微流控多孔整体柱芯片所阻挡的银微球扫描电子显微镜，如图5，1为微流控多孔整体柱芯片阻挡住的银微球，从图中可以看出银微球可以有效的在芯片中被阻挡住。2为微流控芯片PDMS部分。

(j)通过注射泵以2μL/min的流速，连续注射浓度为10^-12M2-巯基吡啶溶液。

(k)采用便携式拉曼光谱仪，借助拉曼光谱显微镜将激光光斑聚焦到微流控整体柱芯片银微球表面上，在注射不同时间1～60min内采集样品的表面增强拉曼光谱信号，每次采集时间5s，功率为20mW，将光斑聚集不同银微球位置，平行采集八次信号。不同时间所检测的2-巯基吡啶表面增强拉曼信号，如图6，以2μL/min速度连续注射2-巯基吡啶，在不同时间段（1～60min）内，实时检测银微球对待测样品2-巯基吡啶的富集的表面增强拉曼图谱。2-巯基吡啶的拉曼最强特征峰位置在1001cm^-1处。

实施例3：

(a)采用AutoCAD计算机绘图软件设计微流控管道绘制掩模板，该管道设计如图1所示，微流控芯片曝光处管道设计两个连续的垂直管道放置的椭圆，长轴为150-400μm,短轴为50–200μm，，该技术不同于其他微流控芯片通常采用长方形管道设计。

(b)利用软光刻标准微加工技术制备PDMS芯片。

(c)整体柱溶液配制，将单体（GMA），交联剂（EGDMA），成孔剂（DOP）按其按重量比3：6：11混合，然后再加入上述占混合液总重4.5%的光引发剂（DMPA），配制多孔整体柱溶液，将混合液超声5～20min，再往整体柱溶液通氮气5～30min，除去溶液中的氧气，最后将整体柱溶液放置于冰浴中保存。比如超声时间可以为5min,10min,20min,通氮气时间可为5min,10min,30min。

(e)将光掩膜板固定到芯片，并控制好需要曝光的管道区域，将整个器件置于紫外灯下曝光30～90s，在光引发剂的作用下，原位合成整体柱。

(f)除去进出口的密封膜，采用注射泵向微流控芯片通道内以2μL/min的速度注入甲醇洗涤30～90min，目的是除去致孔剂和未反应的整体柱溶液。

(g)利用注射泵以5～20μL/min的流速注射去离子水，进行充分洗涤30～90min,比如速度可以为5，10，20μL/min，洗涤时间可以为30min,60min,90min。所得多孔整体柱的扫描电镜图。

(i)采用注射泵以2～50μL/min注射去离子水到固定银微球的微流控整体柱芯片管道，确保芯片入口处及管道内壁残留的银微球可以全部的冲洗到芯片整体柱一端。

(j)通过注射泵以2～20μL/min的流速，注射10～200μL浓度为10^-9M三聚氰胺溶液。

(k)采用便携式拉曼光谱仪，借助拉曼光谱显微镜将激光光斑聚焦到微流控整体柱芯片银微球表面上，采集不同时间段的样品的表面增强拉曼光谱信号，每次采集时间10s，功率为10mW,将光斑聚集不同银微球位置，平行采集八次拉曼信号。

本发明通过标准的软光刻微加工工艺制备PDMS微流控芯片，通过紫外曝光作用在PDMS芯片上进行原位聚合制备多孔整体柱，再将银微球注入微流控整体柱芯片内，成功的用于表面增强拉曼在线检测。其优势在于：1、易实现对样品的富集，特别是痕量样品的富集；2、可以实时对待测样品进行拉曼检测；3、发明工艺简单新颖，成本低廉，能耗低，便于推广；4，通过设计多通道微流控芯片可实现多多样品的分析检测；5、在疾病检测，气体吸附，环境监控，食品安全等领域有广泛应用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

第一步，制备PDMS微流控芯片

采用标准的软光刻微加工技术制备PDMS微流控芯片；

第二步，配制多孔整体柱溶液

以甲基丙烯酸缩水甘油酯作为单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，邻苯二甲酸二正辛酯作为成孔剂，二羟甲基丙酸作为光引发剂，将单体、交联剂、成孔剂按重量比2：1：7至1：2：2混合，然后再加入上述单体、交联剂、成孔剂制成的混合液总重的1～5％的光引发剂，超声混合，再往整体柱溶液通氮气除氧，最后将整体柱溶液放置于冰浴中保存；

第三步，微流控芯片整体柱制备

通过注射器将整体柱溶液注射到微流控芯片管道内，然后将微流控芯片进出口用封口膜密封；将光掩膜板固定到芯片，并控制好需要曝光的管道区域，将整个器件置于紫外灯下曝光，然后除去进出口的封口膜，采用注射泵向微流控芯片通道内注入甲醇洗涤，除去成孔剂和未反应的整体柱溶液，最后注射去离子水进行充分洗涤。

2.根据权利要求1所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第一步，制备的PDMS微流控芯片的微通道的直径为25-400μm，微流控芯片曝光处管道设计两个连续的具有弧度的管道。

3.根据权利要求1所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第二步中，所述超声混合，是指将混合液超声10～20min。

4.根据权利要求1所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第二步中，所述通氮气除氧，是指往整体柱溶液通氮气5～30min，除去溶液中的氧气。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第三步中，所述将整个器件置于紫外灯下曝光，曝光时间为30～90s。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第三步中，所述采用注射泵向微流控芯片通道内注入甲醇洗涤，是指采用注射泵向微流控芯片通道内以2～10μL/min的速度注入甲醇洗涤30～90min。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种微流控整体柱芯片的制备方法，其特征在于，第三步中，所述注射去离子水进行充分洗涤，是以5～20μL/min的流速注射去离子水，进行充分洗涤。

8.一种权利要求1制备的微流控整体柱芯片的应用，其特征在于将该微流控整体柱芯片应用于有机小分子2-巯基吡啶的拉曼检测；具体包括如下步骤：

第一步，采用微量加样器，将50～100μL的尺寸大小为1～2μm银微球，注入微流控整体柱芯片管道内；所述微流控整体柱芯片整体柱是多孔结构，孔尺寸小于1μm，溶液能轻易流通过，但固体颗粒尺寸介于1～2μm的银微球则有效被阻挡住，从而停留到整体柱一侧；

第二步，采用注射泵注射去离子水到固定银微球的微流控整体柱芯片管道；

第三步，通过注射泵以2～20μL/min的流速，注射50～1000μL2-巯基吡啶溶液，其浓度为10^-12～10^-6M；

第四步，采用便携式拉曼光谱仪，借助拉曼光谱显微镜将激光光斑聚焦到微流控整体柱芯片银微球表面上，采集时间2～60s，功率为10～90mW，采集样品的表面增强拉曼光谱信号，将光斑聚集不同银微球位置，平行采集八次信号。

9.根据权利要求8所述的微流控整体柱芯片的应用，其特征在于，第二步中，通过注射泵以流速为2-50μL/min注射去离子水，清洗微流控管道，将残留在芯片进口处及管道内壁的银微球全部冲到整体柱前，同时亦能充分洗涤银微球表面杂质，利于银微球区在后续步骤中的实现对样品的富集和拉曼检测信号的采集。

10.根据权利要求8或9所述的微流控整体柱芯片的应用，其特征在于，第三步中，采用注射泵注射拉曼有机小分子2-巯基吡啶，该有机小分子易与银微球形成Ag–S化学键，从而被银微球强烈的捕获富集，同时银微球是一种优良的表面增强拉曼基底，可以实现对所测样品的在线超灵敏拉曼检测。