微流控材料的耐化學性簡介

在討論不同微流控材料的耐化學性之前，我們應(yīng)該從定義微流控開始。微流體學是90年代初出現(xiàn)的一個廣泛的領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多科學領(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性之外的其他標準，如價格、生產(chǎn)時間、回收選項。

一個例外：玻璃是一種通用的耐化學物質(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，因為硅中的微流控芯片在執(zhí)行光學檢測方面有一些缺點。硅表現(xiàn)出光學不透明度，而且其硬度不容易處理。因此，從第一代無機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。玻璃基芯片在化學和生物學領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。這種無機材料具有很高的耐化學性和溶劑相容性，這使它在化學家和生物學家中很受歡迎。玻璃微流控器件是芯片實驗室制造、生化分析的合適選擇，特別適用于進行需要極端條件的化學反應(yīng)，如腐蝕性溶劑、酸、堿或其他化學劑。一般來說，如果您正在尋找具有多功能特性和優(yōu)異耐化學性能的微流控器件，基于玻璃的芯片是最佳選擇，因為大多數(shù)有機溶劑對它們沒有有害影響。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。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性，這牽涉到相當?shù)臅r間和財務(wù)成本問題，因此大多數(shù)制造實驗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是一種廉價且易于生產(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物質(zhì)的實驗。

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，而您的主要實驗室實驗涉及水溶液，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芯片對生物相關(guān)研究很有價值，例如細胞培養(yǎng)、細胞篩選、診斷和生化分析。圖3顯示了使用PDMS制造的電化學護理點(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)具有四個通道和一個出口開口的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，使用其他有機溶劑，如酮和碳氫化合物將是有問題的。圖4顯示了幾個用于有效混合的PMMA微流控裝置的例子。

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

微流控材料對酸堿和有機極性溶劑的耐化學性

如果您只使用極性溶劑，環(huán)烯烴共聚物/聚合物(COC/COP)可能是一個很好的選擇。COC是一種熱塑性塑料，它對酸(如氯化氫、硫酸和硝酸)、堿(如氫氧化鈉和氨)以及大多數(shù)有機極性溶劑(如丙酮、甲醇和異丙醇)具有良好的耐化學性，盡管它可以溶于包括甲苯和萘在內(nèi)的非極性有機溶劑[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。圖5展示了用于分析目的的COP微流控芯片的一個例子。

圖5.高效液相芯片示意圖(A)微芯片設(shè)計和(B)在線樣品清理和濃縮的實驗系統(tǒng)，然后用集成的5 mm長的固相萃取柱和15 cm長的分離柱進行高效液相色譜分離

耐氯仿微流控器件
當涉及到藥物應(yīng)用或納米顆粒的合成時，某些特定的有機溶劑將更加可取。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)由于其獨特的性能，如生物兼容性、高光學透明性、雙重潤濕性能、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，因為硫醇-烯聚合物具有明顯高于PDMS、PMMA和COCS的耐化學性。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小時后2 mm聚合物方塊中的膨脹率，溶劑浸泡24小時后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品(溶劑)兼容，這些化學品(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-烯以其獨特的性質(zhì)，可以被認為是一種有吸引力的替代材料，用于需要多種化學成分和有機溶劑的微型?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苛刻溶劑的耐化學性。

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，完全適合用于有機化學。含氟聚合物具有如此高的溶劑相容性，為在微流控反應(yīng)器中進行有機合成打開了一扇新的大門，受到了化學家的歡迎。聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基烷烴(Teflon PFA)和含氟乙烯丙烯(Teflon FEP)由于其化學惰性和與有機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，如果您的目標是在微流體中執(zhí)行化學反應(yīng)，并且需要與化學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，您不需要因為使用基于玻璃的芯片而花費額外的成本。然而，你應(yīng)該考慮到這樣一個事實，即這些類型的聚合物需要高溫熱壓，而且它們與玻璃的粘合力往往較弱。

混合微流控芯片：制造高耐化學性的新途徑

尋找一種具有所有所需性質(zhì)和規(guī)格的?陽離子的單一材料是一個重要的問題。這就是混合微流控系統(tǒng)被引入的原因?；旌显O(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)點的附加特征，同時避免它們的限制。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

對于耐溶劑型微型?器件的快速成型，還可以對PDMS進行表面改性，提高其對各種溶劑的耐受性，同時保留PDMS固有的本體特性。Kim等人報道了一種使用有機/無機雜化材料(HR4)實現(xiàn)PDMS表面穩(wěn)定的Modi?陽離子的簡單方法(圖11)。

圖11.PDMS通道的表面Modi?陽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具有長期的化學穩(wěn)定性，并與侵蝕性酸和堿兼容，但它對非常強的堿的抵抗力較小。本文以三氟乙酸三甲酯在氯仿中對苯丙氨酸甲酯的脫保護反應(yīng)為例，論證了?-PDMS平臺在有機合成中的優(yōu)勢。它證明了PFPE-PDMS對有機合成中常用的相關(guān)有機溶劑和侵蝕性試劑具有很高的耐化學性(表2)。

表2.全氟聚乙烯在有機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性的結(jié)論

綜上所述，我們從材料及其耐化學性和溶劑兼容性方面對微流控器件進行了一次總結(jié)，以顯示其在處理各種化學反應(yīng)以及跨越生物、醫(yī)學、化學和工程科學等多個?領(lǐng)域和學科方面的獨特優(yōu)勢。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，現(xiàn)在已經(jīng)推出了不同種類的高耐化學性聚合物。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，但同時表面改性有可能提高其耐溶劑性。你在你的項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，因為它們是耐酒精的材料。COC/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。