微流控材料的耐化學(xué)性簡(jiǎn)介

在討論不同微流控材料的耐化學(xué)性之前，我們應(yīng)該從定義微流控開始。微流體學(xué)是90年代初出現(xiàn)的一個(gè)廣泛的領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多科學(xué)領(lǐng)域。目前，制作微流控器件的材料有很多，根據(jù)應(yīng)用和用途(如研究目的或商業(yè)化)，必須做出深思熟慮的選擇。材料的選擇應(yīng)基于材料特性、制造工藝(鑄造、熱壓、注塑)和環(huán)境環(huán)境(預(yù)算、設(shè)備、…)。。本綜述僅側(cè)重于微流控芯片材料的選擇，這取決于您想要使用的化學(xué)品。您可以在圖1中找到通常用于微流體應(yīng)用的不同材料：硅/玻璃、彈性體、熱固性材料、熱塑性塑料、水凝膠和紙張。

圖1：微流控器件制造材料概述

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，有哪幾種材料是有效的，選擇可能取決于除耐化學(xué)性之外的其他標(biāo)準(zhǔn)，如價(jià)格、生產(chǎn)時(shí)間、回收選項(xiàng)。

一個(gè)例外：玻璃是一種通用的耐化學(xué)物質(zhì)

第一代微流控系統(tǒng)是由硅和玻璃制成的。硅是20世紀(jì)90年代初用于微流體系統(tǒng)的第一種材料。盡管硅器件具有優(yōu)異的耐溶劑性，但它們很快被玻璃所取代，因?yàn)楣柚械奈⒘骺匦酒趫?zhí)行光學(xué)檢測(cè)方面有一些缺點(diǎn)。硅表現(xiàn)出光學(xué)不透明度，而且其硬度不容易處理。因此，從第一代無機(jī)硅和玻璃微流控器件開始，玻璃就被選為構(gòu)建微流控芯片最流行的材料。玻璃基芯片在化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。這種無機(jī)材料具有很高的耐化學(xué)性和溶劑相容性，這使它在化學(xué)家和生物學(xué)家中很受歡迎。玻璃微流控器件是芯片實(shí)驗(yàn)室制造、生化分析的合適選擇，特別適用于進(jìn)行需要極端條件的化學(xué)反應(yīng)，如腐蝕性溶劑、酸、堿或其他化學(xué)劑。一般來說，如果您正在尋找具有多功能特性和優(yōu)異耐化學(xué)性能的微流控器件，基于玻璃的芯片是最佳選擇，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有機(jī)溶劑對(duì)它們沒有有害影響。圖2顯示了作為微反應(yīng)器(用于合成ritc摻雜二氧化硅芯、磁赤鐵礦g-Fe2O3和金納米顆粒)和微混合器(用于高通量和高混合效率混合三種染料)的玻璃基微流控器件的示例。

圖2。玻璃基微流體系統(tǒng)被用作(a)微反應(yīng)器和(b)微混合器

然而，它也有一些缺點(diǎn)。玻璃的微加工是昂貴的，玻璃芯片的某些刻蝕步驟具有危險(xiǎn)性，這牽涉到相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和財(cái)務(wù)成本問題，因此大多數(shù)制造實(shí)驗(yàn)室避免使用玻璃微芯片。值得一提的是，玻璃制造必須有一個(gè)潔凈室。因此，許多研究小組正在研究替代材料。由于這些缺點(diǎn)和引入的替代品，基于玻璃的芯片失去了普及，不再是微流體中使用的主要材料。塑料或聚合物微流控平臺(tái)是一種廉價(jià)且易于生產(chǎn)的替代品。然而，這些玻璃的替代材料并不總是適用于使用刺激性化學(xué)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。

耐水溶液微流控器件

如果您只是在尋找生物兼容微流控設(shè)備，而您的主要實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)涉及水溶液，那么基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的芯片非常適合于透明、生物兼容設(shè)備的快速成型。PDMS芯片對(duì)生物相關(guān)研究很有價(jià)值，例如細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞篩選、診斷和生化分析。圖3顯示了使用PDMS制造的電化學(xué)護(hù)理點(diǎn)(PoC)設(shè)備的示例。該微流控設(shè)備包括：(i)帶有傳感器電極的PDMS層；(ii)具有四個(gè)通道和一個(gè)出口開口的PDMS微?uic設(shè)備；以及(iii)皮膚上的粘附層。

圖3。(A)可穿戴微流體的照片。(B)由以下部件組成的微流控裝置的圖示:(i)帶有探測(cè)電極的頂部PDMS層;(ii) PDMS微流控裝置;和(iii)皮膚上的粘合層。(C)皮膚汗液收集和電極操作示意圖

耐酒精微流控裝置

微流控器件通常由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚苯乙烯(PS)等熱塑性塑料制成，這些熱塑性塑料通常與酒精相容。然而，使用其他有機(jī)溶劑，如酮和碳?xì)浠衔飳⑹怯袉栴}的。圖4顯示了幾個(gè)用于有效混合的PMMA微流控裝置的例子。

圖4.(A)用于有效混合的PMMA微流控混合器級(jí)聯(lián)(B)600微米周期性結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型混合器結(jié)構(gòu)。(C)繞直通道的三維PMMA微通道

微流控材料對(duì)酸堿和有機(jī)極性溶劑的耐化學(xué)性

如果您只使用極性溶劑，環(huán)烯烴共聚物/聚合物(COC/COP)可能是一個(gè)很好的選擇。COC是一種熱塑性塑料，它對(duì)酸(如氯化氫、硫酸和硝酸)、堿(如氫氧化鈉和氨)以及大多數(shù)有機(jī)極性溶劑(如丙酮、甲醇和異丙醇)具有良好的耐化學(xué)性，盡管它可以溶于包括甲苯和萘在內(nèi)的非極性有機(jī)溶劑[9]。此外，這種材料還具有紫外線透明和生物相容性的優(yōu)點(diǎn)。圖5展示了用于分析目的的COP微流控芯片的一個(gè)例子。

圖5.高效液相芯片示意圖(A)微芯片設(shè)計(jì)和(B)在線樣品清理和濃縮的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后用集成的5 mm長(zhǎng)的固相萃取柱和15 cm長(zhǎng)的分離柱進(jìn)行高效液相色譜分離

耐氯仿微流控器件
當(dāng)涉及到藥物應(yīng)用或納米顆粒的合成時(shí)，某些特定的有機(jī)溶劑將更加可取。氯仿和二氯甲烷等氯化溶劑是這些應(yīng)用中使用的兩種重要溶劑。在用于制造微型?器件的不同種類的聚合物中，硫醇-烯聚合物(TES)由于其獨(dú)特的性能，如生物兼容性、高光學(xué)透明性、雙重潤(rùn)濕性能、吸氧和固有的高耐溶劑性，是一種很有前途的玻璃替代品。此外，通過改變聚合的單體比例、熱處理和固化步驟，所有這些重要方面都可以很容易地調(diào)節(jié)和適應(yīng)需求的應(yīng)用。與其他聚合物相比，這種選擇也更好，因?yàn)榱虼?烯聚合物具有明顯高于PDMS、PMMA和COCS的耐化學(xué)性。表1顯示了TES、PDMS和COCs在MOZT常用溶劑中的溶脹比較。SA、SB和SC分別代表：浸泡24小時(shí)后2 mm聚合物方塊中的膨脹率，溶劑浸泡24小時(shí)后500微米寬通道中的膨脹率，以及8周內(nèi)重量增加的百分比。還值得一提的是，膨脹百分比是使用以下公式計(jì)算的：

結(jié)果表明，與其他聚合物材料相比，TES的耐溶劑性有了顯著的提高，這保證了其在各種應(yīng)用中的適用性。

表1.TE膨脹與PDMS和COCS的比較

J?rg Kutter研究小組還開發(fā)了一種新的改性硫醇-烯聚合物，該聚合物與非常苛刻的化學(xué)品(溶劑)兼容，這些化學(xué)品(溶劑)是生產(chǎn)藥物載體和納米顆粒、提取、純化和分離方法所需的。圖6顯示了硫醇-烯微流控芯片在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用之一，以生產(chǎn)直徑為1-3微米的磁性微球，這是有效藥物輸送的理想選擇。

圖6：用于磁性微球生產(chǎn)的硫醇-烯流動(dòng)聚焦芯片的例子；芯片尺寸：50微米深，100微米寬，200微米深

一般來說，硫醇-烯以其獨(dú)特的性質(zhì)，可以被認(rèn)為是一種有吸引力的替代材料，用于需要多種化學(xué)成分和有機(jī)溶劑的微型?器件，如合成和分析應(yīng)用。例如，圖7表示在硫醇-烯微通道中生成的甲苯液滴，它顯示了這種聚合物對(duì)苛刻溶劑的耐化學(xué)性。

圖7.a)用快速成型技術(shù)制備的具有三維幾何形狀的硫醇-烯器件的制造工藝示意圖。B)生成具有均勻尺寸分布的甲苯液滴

耐溶劑型聚四氟乙烯微流控芯片

在各種材料中，通常被稱為特氟龍的氟聚合物是玻璃或硅的非凡替代品，由于其優(yōu)異的耐溶劑性，完全適合用于有機(jī)化學(xué)。含氟聚合物具有如此高的溶劑相容性，為在微流控反應(yīng)器中進(jìn)行有機(jī)合成打開了一扇新的大門，受到了化學(xué)家的歡迎。聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基烷烴(Teflon PFA)和含氟乙烯丙烯(Teflon FEP)由于其化學(xué)惰性和與有機(jī)溶劑的兼容性可用于微流控裝置。

圖8.(A)PFU-2微流控芯片示意圖(b-d)來自不同模板的PFU-2上微觀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像

作為另一個(gè)例子，在可控合成納米顆粒的微反應(yīng)器應(yīng)用方面，DeMello研究小組開發(fā)了一種基于毛細(xì)管的液滴反應(yīng)器，該反應(yīng)器由聚四氟乙烯制成，用于合成金屬(Ag)、金屬氧化物(Tio)和半導(dǎo)體(CdSe)納米顆粒。圖9

圖9.(A)用于控制合成納米顆粒的聚四氟乙烯毛細(xì)管液滴微反應(yīng)器示意圖(B)特氟龍液滴反應(yīng)器中二氧化鈦合成的照片

總體而言，如果您的目標(biāo)是在微流體中執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)，并且需要與化學(xué)品和溶劑高度兼容的設(shè)備，那么氟化聚合物是您的最佳選擇，您不需要因?yàn)槭褂没诓ＡУ男酒ㄙM(fèi)額外的成本。然而，你應(yīng)該考慮到這樣一個(gè)事實(shí)，即這些類型的聚合物需要高溫?zé)釅海宜鼈兣c玻璃的粘合力往往較弱。

混合微流控芯片：制造高耐化學(xué)性的新途徑

尋找一種具有所有所需性質(zhì)和規(guī)格的?陽(yáng)離子的單一材料是一個(gè)重要的問題。這就是混合微流控系統(tǒng)被引入的原因。混合設(shè)備由多種不同類型的材料組成。因此，所得到的設(shè)備可以具有所有混合材料的優(yōu)點(diǎn)的附加特征，同時(shí)避免它們的限制。在李秀軍研究小組最新發(fā)表的綜述中，詳細(xì)討論了使用這些專注于紙/聚合物混合系統(tǒng)的混合微流控設(shè)備的廣泛生物和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。最近，Palleau等人。開發(fā)了一種將兩種?c環(huán)氧材料結(jié)合起來的新方法。最終制造的芯片表現(xiàn)出了透明性和生物兼容性。在該裝置中測(cè)試的溶劑非常適合乙醇、丙酮、甲苯、己烷、氫氧化鈉和硝酸，但不適合使用高濃度(15M)硝酸、DMF和四氫呋喃。所展示的芯片也可以粘接在各種類型的表面上(圖10)

圖10.(A)建議的環(huán)氧基微型?芯片圖(B)微結(jié)構(gòu)環(huán)氧基微型?芯片在各種表面材料上的粘接

對(duì)于耐溶劑型微型?器件的快速成型，還可以對(duì)PDMS進(jìn)行表面改性，提高其對(duì)各種溶劑的耐受性，同時(shí)保留PDMS固有的本體特性。Kim等人報(bào)道了一種使用有機(jī)/無機(jī)雜化材料(HR4)實(shí)現(xiàn)PDMS表面穩(wěn)定的Modi?陽(yáng)離子的簡(jiǎn)單方法(圖11)。

圖11.PDMS通道的表面Modi?陽(yáng)離子和微流控器件制造工藝示意圖

另一方面，Kreutzer研究小組用一層薄的全氟聚醚(PFPE)修改了PDMS微模塑工藝，并開發(fā)了耐溶劑的全氟聚醚-PDMS器件(圖12)

圖12：(A) PFPE微流控裝置的設(shè)備生產(chǎn)，封裝在PDMS中。典型的脫模結(jié)果如(B)所示。最終裝置的示例如(C)所示。

PFPE具有長(zhǎng)期的化學(xué)穩(wěn)定性，并與侵蝕性酸和堿兼容，但它對(duì)非常強(qiáng)的堿的抵抗力較小。本文以三氟乙酸三甲酯在氯仿中對(duì)苯丙氨酸甲酯的脫保護(hù)反應(yīng)為例，論證了?-PDMS平臺(tái)在有機(jī)合成中的優(yōu)勢(shì)。它證明了PFPE-PDMS對(duì)有機(jī)合成中常用的相關(guān)有機(jī)溶劑和侵蝕性試劑具有很高的耐化學(xué)性(表2)。

表2.全氟聚乙烯在有機(jī)合成常用溶劑中的溶脹和重量變化

關(guān)于微流控器件材料耐化學(xué)性的結(jié)論

綜上所述，我們從材料及其耐化學(xué)性和溶劑兼容性方面對(duì)微流控器件進(jìn)行了一次總結(jié)，以顯示其在處理各種化學(xué)反應(yīng)以及跨越生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和工程科學(xué)等多個(gè)?領(lǐng)域和學(xué)科方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。雖然基于玻璃的微流控器件在溶劑種類方面的表現(xiàn)要好得多，但高昂的制造成本令人望而卻步。聚合物材料比玻璃更加適用，更容易加工，因此受到了更多的歡迎，特別是在低成本和大批量生產(chǎn)領(lǐng)域，這對(duì)商業(yè)應(yīng)用具有吸引力。剩下的唯一挑戰(zhàn)是解決溶劑的兼容性，以適應(yīng)特定的應(yīng)用。最近的研究已經(jīng)克服了這些缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)推出了不同種類的高耐化學(xué)性聚合物。如果您使用水溶液，我們建議使用PDMS等彈性體或PMMA、PS或COC等任何廣泛使用的熱塑性塑料。雖然PDMS與許多溶劑不相容，但同時(shí)表面改性有可能提高其耐溶劑性。你在你的項(xiàng)目中使用了不同類型的酒精嗎？PMMA、PS和基于PC的設(shè)備很好用，因?yàn)樗鼈兪悄途凭牟牧稀OC/COP與所有極性溶劑、酸和堿兼容。如果您正在尋找一種完全耐溶劑、甚至與氯化溶劑兼容的設(shè)備，使用硫醇-烯聚合物和特氟龍制造的微流體設(shè)備是最佳選擇。最后，如果你找不到你需要的單一材料，仍然有一種方法；你甚至可以使用混合設(shè)備，將不同的材料結(jié)合在一起，根據(jù)你的應(yīng)用選擇適合的材料。