清华大学郭永研究员团队研发出“一步法”超快速微液滴芯片键合和表面疏水改性方法

2018年11月19日，清华大学医学院生物医学工程系郭永研究员团队在Sensors and Actuators B： chemical（传感器和执行器B：化学）杂志在线发表题为“One-step Bonding and Hydrophobic Surface Modification Method for Rapid Fabrication of Polycarbonate-based Droplet Microfluidic Chips”（一种同步实现芯片键合与表面疏水改性的工艺方法用于快速制备聚碳酸酯材质的液滴微流控芯片）的研究成果，首次提出一种“一步法”对液滴微流控芯片实现快速键合和微管道表面疏水化改性的方法。该方法工艺流程简单高效，仅耗时不到10秒。相比于现有的普遍耗时在数十分钟到数小时的方法，一步法极大地提高了液滴微流控芯片的制备效率，不仅能广泛应用于液滴微流控相关的研究领域，在工业化应用中也具有很大的潜力。
近年来，液滴微流控技术（也称微液滴技术）引起了人们极大的研究兴趣，并在生物医学研究领域取得了许多重要进展，如数字PCR和高通量单细胞测序。微液滴芯片的大规模应用需要低成本、高通量、简易和快速的芯片制备方法。芯片键合与表面疏水改性是微液滴芯片制备过程两个重要的环节，目前已经报道的方法往往都存在工艺复杂、耗时长的问题。微液滴芯片为一次性使用耗材，其使用量较大，芯片制备的复杂过程影响了微液滴技术产业化的进展。

                                                                        图1：一步法工作流程图及其分子机理

为了解决上述问题，郭永研究员团队提出了一种新的基于聚碳酸酯（polycarbonate, PC）材料的微液滴芯片制备方法，能够在实现快速芯片键合的同时完成微管道的表面疏水改性，工作流程图及其分子机理如图1所示。PC作为微液滴芯片的基底材料具有突出优秀特性，注塑性能好、透光性好、成本低。在两片PC基底的键合面上涂抹上包含有丙酮、正戊烷和全氟辛基三氯硅烷（FOTS）的一步法溶液。在丙酮的作用下，PC表面的长链分子释放到溶液中。然后，将两片PC基底对齐并送入热压滚轮当中。由于丙酮与正戊烷的沸点较低，受热后迅速气化，游离的PC分子与键合面上的PC分子形成缠结，实现芯片键合。最后，在丙酮和正戊烷气化后，FOTS析出粘附在芯片管道表面，并在空气中水分子的作用下，自发交联成网络形成稳定的疏水层，实现表面疏水改性。一步法整个操作流程仅需10秒即可完成，这有助于实现微液滴芯片的大规模加工制备。与现有研究工作相比，一步法制备的微液滴芯片不仅具有较高的键合强度、良好的疏水性能，而且极大
地缩短了芯片的制备时间，如表1所示。

                                                                            表1：与已有研究工作的比较
 

一步法制备的微液滴芯片能稳定生成尺寸均一的微液滴，完全满足微液滴技术对芯片提出的要求。数字PCR是微液滴技术十分重要的应用，具有单分子检测灵敏度和绝对定量的特点，在分子诊断领域拥有重要的应用价值。数字PCR对微液滴芯片的生物相容性有较高的要求。该方法加工的微液滴芯片生成的液滴经过数字PCR后，液滴形态和荧光信号稳定。与商业化仪器相比，在目标分子的定量上也获得了相当的结果。这说明一步法制备的芯片具有良好的生物相容性。本研究表明“一步法”具有低成本、低耗时、操作简单和性能优异的特点，在液滴微流控研究、尤其是产业化领域有广泛的应用潜力。

 

清华大学生物医学工程系博士生苏世圣及清华大学精仪系荆高山博士为本文共同第一作者，博士后刘宝霞在“一步法”分子机理研究部分有重要贡献，郭永研究员对该研究进行了指导。这项研究得到了清华大学程京院士实验室和北京新羿生物科技有限公司的大力支持。本课题得到国家自然科学基金委、中央公益性科研机构基金、企业横向合作课题等的经费资助。