紧凑型聚合物微流控芯片大大降低检测系统成本

发布时间：2015-08-14 16:47 原文链接：紧凑型聚合物微流控芯片大大降低检测系统成本

　　微流控芯片的智能设计使实验室规模灵敏度的光学检测仪器具备了便携性、响应时间快、样品用量少、并行处理和读出等性能。

　　微流控芯片（LOC）将实验室功能如进样、混合、在线检测等结合在一个单一的设备上。潜在的，该技术使得分析操作可以在实验室外进行，并且为生物化学和生物医学分析的实时和现场测试提供了可能性。

　　这项技术可以应用在包括护理点诊断、环境监测、法医学、食品质量控制和工业分析等领域。然而，尽管近年来取得了长足的进步，微流控芯片的应用仍然局限于实验室原型，没有广泛常规的使用于临床或高通量应用。这是因为体积庞大、价格昂贵的显微镜（微流控芯片除外）对实现光学检测是必要的。为了解决这个问题，我们提出了小型化和集成这些光学功能在芯片上以及应用先进的聚合物复制技术。这将使聚合物微流控芯片能够大量生产在部署成本在更广泛的范围内降低的情况下。微流控芯片的智能设计使实验室规模灵敏度的光学检测仪器具备了便携性、响应时间快、样品用量少、并行处理和读出等性能。

　　直到最近，微流控芯片的原型主要是石英，玻璃，或硅。然而，石英和玻璃微机械加工复杂且昂贵，而硅在人们感兴趣的光谱波段缺乏光学透明性。大多数应用要求使用一次性设备来消除样品污染的风险或耗时冲洗的负担，这样聚合物作为微流体器件的基片材料获得一个主导作用。弹性体的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）是迄今为止制作微流控芯片最流行的聚合物，这归功于他通过铸造和软光刻技术简单处理程序。然而，PDMS微流控芯片有几个缺点，如由于低刚度引起的变形，由于高透气性导致的蒸发，以及从培养基吸收疏水性分子。此外，PDMS的大批生产是不可能的。归功于高宽比的由复制技术支持的基于聚合物的微细加工技术的最新进展，我们可以使用其他聚合物克服这些缺点，为大规模生产提供现实的机会。事实上，这些聚合物提供了大量的人们感兴趣的材料和表面化学性质，如良好的光学透明性、生物相容性、生物降解性和机械稳定性，这是任何其他类的材料无法实现的微观设计功能。在我们的工作中，我们利用超精密金刚石工具（UDT）制作含有自由曲面光学性能的微型光学、微机械和微流控2.5D和3D组件或混合组合物。除了成型聚合物，UDT还可以使金属模具作为在随后的复制过程中的垫片制造出来，如微注射成型或热压。我们使用后者，因为它是高精度和高质量复制2.5D微型元件的首选技术。热压印的最重要的优点是，由于一个低的物质流，它避免了内部应力。虽然热压通常比注射成型周期长，但是我们的设备兼容300mm晶圆规模复制（见图1），实现了低成本生产。对于无泄漏密封的微流体通道，我们使用一个明确的激光焊接技术。

图1. 洁净室中热压印300mm聚合物晶片在坐标测量机上准备查验。这种晶圆制造方法，可以使微流控芯片实现低成本生产。

　　光学技术是化学检测建立的领跑者，因为他们在分析方面有很好的历史记录。他们通常表现出高灵敏度，并最大可能的提供被分析物种的化学或形态上的信息。微流控芯片通常使用的是光学吸收检测，因为这种方法是最简单的，但是微流体通道固有的短光学路径长度导致与激发光的高传输相比光的吸收很弱。因此，它难以实现低检测限。基于荧光的光学检测可以解决这个问题。当某些分子在特定的激发波长吸收光时，在一个被称为荧光寿命（通常在纳秒量级）短暂的时间间隔之后它们会在较长的波长下发射光。虽然用荧光标记的荧光检测会有额外要求，但是这一技术非常的灵敏，并得到了广泛的认可，它是目前最常用的。我们最近展示了一个微型的基于聚合物的微光学检测单元用于紫外可见激光诱导荧光（LIF）和吸光度（ABS）分析，作用长度是3mm。我们的微流控芯片的设计特点是一个结合了全内反射镜和折射光学的紧凑的光学系统（见图2）。实验测量的检测限LIF和ABS 分别为50pM和500nM。

图2. 用于荧光和吸光度检测的基于全内反射的微流控芯片

　　与此同时用于无标记检测和物种鉴定的拉曼光谱已经获得了长足的进展。这种方法依赖于非弹性（拉曼）散射的单色光，他与系统中的分子振动、声子、或其他激发作用在系统中相互作用，导致激光光子的能量下移（斯托克斯）或上升（反斯托克斯）。散射信号非常微弱，为了解决这个问题我们利用具有芯片共焦拉曼光谱的微流控芯片，他利用了一个集成的自由曲面光学反射器（见图3）。我们使用UDT在聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）中利用化学气相沉积包裹200nm厚的金层来复制反射器。多模光纤作为一个针孔，它使片上共聚焦拉曼光谱抑制背景拉曼信号（源自PMMA）的一个因素7：见图4（a）和4（b）。图4（c）显示不同浓度的尿素溶液的测量结果，使用内部标准（硝酸钾）进行校准。我们得到了一种尿素检测20mM噪声等效浓度，采集时间为15s，功率为190mW。