緊湊型聚合物微流控芯片大大降低檢測系統成本

發布時間：2015-08-14 16:47 原文鏈接：緊湊型聚合物微流控芯片大大降低檢測系統成本

　　微流控芯片的智能設計使實驗室規模靈敏度的光學檢測儀器具備了便攜性、響應時間快、樣品用量少、并行處理和讀出等性能。

　　微流控芯片（LOC）將實驗室功能如進樣、混合、在線檢測等結合在一個單一的設備上。潛在的，該技術使得分析操作可以在實驗室外進行，并且為生物化學和生物醫學分析的實時和現場測試提供了可能性。

　　這項技術可以應用在包括護理點診斷、環境監測、法醫學、食品質量控制和工業分析等領域。然而，盡管近年來取得了長足的進步，微流控芯片的應用仍然局限于實驗室原型，沒有廣泛常規的使用于臨床或高通量應用。這是因為體積龐大、價格昂貴的顯微鏡（微流控芯片除外）對實現光學檢測是必要的。為了解決這個問題，我們提出了小型化和集成這些光學功能在芯片上以及應用先進的聚合物復制技術。這將使聚合物微流控芯片能夠大量生產在部署成本在更廣泛的范圍內降低的情況下。微流控芯片的智能設計使實驗室規模靈敏度的光學檢測儀器具備了便攜性、響應時間快、樣品用量少、并行處理和讀出等性能。

　　直到最近，微流控芯片的原型主要是石英，玻璃，或硅。然而，石英和玻璃微機械加工復雜且昂貴，而硅在人們感興趣的光譜波段缺乏光學透明性。大多數應用要求使用一次性設備來消除樣品污染的風險或耗時沖洗的負擔，這樣聚合物作為微流體器件的基片材料獲得一個主導作用。彈性體的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）是迄今為止制作微流控芯片最流行的聚合物，這歸功于他通過鑄造和軟光刻技術簡單處理程序。然而，PDMS微流控芯片有幾個缺點，如由于低剛度引起的變形，由于高透氣性導致的蒸發，以及從培養基吸收疏水性分子。此外，PDMS的大批生產是不可能的。歸功于高寬比的由復制技術支持的基于聚合物的微細加工技術的最新進展，我們可以使用其他聚合物克服這些缺點，為大規模生產提供現實的機會。事實上，這些聚合物提供了大量的人們感興趣的材料和表面化學性質，如良好的光學透明性、生物相容性、生物降解性和機械穩定性，這是任何其他類的材料無法實現的微觀設計功能。在我們的工作中，我們利用超精密金剛石工具（UDT）制作含有自由曲面光學性能的微型光學、微機械和微流控2.5D和3D組件或混合組合物。除了成型聚合物，UDT還可以使金屬模具作為在隨后的復制過程中的墊片制造出來，如微注射成型或熱壓。我們使用后者，因為它是高精度和高質量復制2.5D微型元件的首選技術。熱壓印的最重要的優點是，由于一個低的物質流，它避免了內部應力。雖然熱壓通常比注射成型周期長，但是我們的設備兼容300mm晶圓規模復制（見圖1），實現了低成本生產。對于無泄漏密封的微流體通道，我們使用一個明確的激光焊接技術。

圖1. 潔凈室中熱壓印300mm聚合物晶片在坐標測量機上準備查驗。這種晶圓制造方法，可以使微流控芯片實現低成本生產。

　　光學技術是化學檢測建立的領跑者，因為他們在分析方面有很好的歷史記錄。他們通常表現出高靈敏度，并最大可能的提供被分析物種的化學或形態上的信息。微流控芯片通常使用的是光學吸收檢測，因為這種方法是最簡單的，但是微流體通道固有的短光學路徑長度導致與激發光的高傳輸相比光的吸收很弱。因此，它難以實現低檢測限。基于熒光的光學檢測可以解決這個問題。當某些分子在特定的激發波長吸收光時，在一個被稱為熒光壽命（通常在納秒量級）短暫的時間間隔之后它們會在較長的波長下發射光。雖然用熒光標記的熒光檢測會有額外要求，但是這一技術非常的靈敏，并得到了廣泛的認可，它是目前最常用的。我們最近展示了一個微型的基于聚合物的微光學檢測單元用于紫外可見激光誘導熒光（LIF）和吸光度（ABS）分析，作用長度是3mm。我們的微流控芯片的設計特點是一個結合了全內反射鏡和折射光學的緊湊的光學系統（見圖2）。實驗測量的檢測限LIF和ABS 分別為50pM和500nM。

圖2. 用于熒光和吸光度檢測的基于全內反射的微流控芯片

　　與此同時用于無標記檢測和物種鑒定的拉曼光譜已經獲得了長足的進展。這種方法依賴于非彈性（拉曼）散射的單色光，他與系統中的分子振動、聲子、或其他激發作用在系統中相互作用，導致激光光子的能量下移（斯托克斯）或上升（反斯托克斯）。散射信號非常微弱，為了解決這個問題我們利用具有芯片共焦拉曼光譜的微流控芯片，他利用了一個集成的自由曲面光學反射器（見圖3）。我們使用UDT在聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）中利用化學氣相沉積包裹200nm厚的金層來復制反射器。多模光纖作為一個針孔，它使片上共聚焦拉曼光譜抑制背景拉曼信號（源自PMMA）的一個因素7：見圖4（a）和4（b）。圖4（c）顯示不同濃度的尿素溶液的測量結果，使用內部標準（硝酸鉀）進行校準。我們得到了一種尿素檢測20mM噪聲等效濃度，采集時間為15s，功率為190mW。