CN100509164C

CN100509164C - 一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片及其表面修饰方法

Info

Publication number: CN100509164C
Application number: CNB2004100207520A
Authority: CN
Inventors: 林炳承; 吴大朋
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: CN1712967A

Abstract

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片，其特征在于：硅橡胶微流控芯片的底片是硅橡胶；硅橡胶微流控芯片表面涂覆聚乙烯醇涂层。本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：将聚乙烯醇涂覆在芯片表面；聚乙烯醇是部分水解或者完全水解的聚醋酸乙烯醇酯，或者它们二者的混合物；聚乙烯醇水溶液的浓度范围是0.001%～20%。本发明使芯片表面涂覆聚乙烯醇，工艺简便易于实现，大大降低微流控系统的成本；且聚乙烯醇可以长期保留，表面的性质稳定持久。表面修饰以后增加了表面的亲水性，方便溶液灌入微流通道，减少气泡的产生，降低电渗流，减少芯片表面对疏水性物质的吸附。

Description

一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片及其表面修饰方法

技术领域：

本发明涉及微全分析技术，特别提供了一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶(PDMS)微流控芯片及其表面修饰方法。

背景技术：

微流控芯片是将样品的取样、前处理、进样、分离、检测集成在几平方厘米大小芯片上的技术。其研究重点是分析物质在微流通道中定向的迁移和反应过程，因此必须严格地控制微流通道表面的性质，以减少分析物在迁移过程中的吸附损失，提供分析物反应的条件。

硅片、玻璃、石英是早期常用的芯片材料，但是由于它们的材料价格高，制造工艺繁琐，因此限制了微流控芯片的普及和应用。由于硅橡胶(PDMS)价格低廉、制造简单、工艺成熟，采用模塑的方法可以利用任何模板制造任意形状的微流控芯片，而且可以利用模板大量复制，因而受到人们越来越多的重视。同时，硅橡胶芯片可以和自身以及玻璃、硅片等形成可逆或不可逆的封接，因此采用硅橡胶芯片的多层叠加方法可以制得三维立体芯片，增加芯片的灵活性；很多微流控的控制器件(比如：阀、泵等)很容易在硅橡胶芯片上集成，很多功能单元(比如：膜、激光束、检测器等)也可以镶嵌在硅橡胶芯片的内部；同时硅橡胶芯片还可以很方便的和毛细管、质谱偶连，这些特点使得硅橡胶芯片的应用领域大大扩展。

另外，因为硅橡胶的表面能很低，表面的疏水性很强，可以吸附绝大部分的疏水性物质和生物大分子，这一点严重地制约着它的使用。与针对硅片、石英、玻璃等的成熟的表面化学修饰相比，硅橡胶的表面化学修饰尚处于起步阶段。

硅橡胶表面修饰的研究一直是表面化学(特别是在医用材料方面)研究的热点。其中，紫外诱导接枝是一种比较重要的方法，它通常是将待处理的材料用有机溶剂萃取，彻底干燥，然后浸在一定量高分子单体和光敏剂的混合溶液中，在紫外光的照射下反应几个小时。这种方法在实际应用中比较繁琐，表面的粗糙度不可控制。同时由于微流控芯片的透光率比较低，微流通道尺寸小，这种方法在微流通道内应用有一些困难。

最近有人将光敏剂预先涂覆在芯片的微流通道表面，然后在光照下引发聚合溶液中的大分子单体，这种方法可以将聚合反应限制在芯片的表面，但是大量的光敏剂吸附在芯片的表面也会增加芯片的紫外吸收，影响检测，而且这种方法制备的涂层厚达微米，也不利于分析物的电泳分离。

等离子体处理也是一种比较常用的方法。等离子处理快速、简单，但是这种方法处理后的表面性质容易散失，而且通过这种方法可以获得的表面性质比较有限。

化学气相沉积也有一些应用。但是这种方法需要比较昂贵的仪器设备，而且需要长期的实验条件摸索，这种方法也难以应用在微流通道内。

发明的技术内容：

本发明的目的在于提供一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片及其表面修饰方法，通过该方法可以使芯片的表面涂覆聚乙烯醇，并且聚乙烯醇在芯片的表面可以长期保留，表面的性质稳定持久。表面修饰以后可以增加表面的亲水性，方便溶液灌入微流通道，减少气泡的产生，降低电渗流，减少芯片表面对疏水性物质的吸附。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片，其特征在于：

硅橡胶微流控芯片的底片是硅橡胶；

硅橡胶微流控芯片表面涂覆聚乙烯醇涂层。

本发明通过将聚乙烯醇涂覆在硅橡胶微流控芯片的表面，从而将羟基引到芯片的表面，覆盖芯片原有的疏水作用的位点，增加芯片的亲水性，降低电渗，减少对分析物的吸附。

本发明硅橡胶微流控芯片中，芯片的微流通道可以是直线、折线；可以是单根微流通道、也可以是阵列通道。通道的宽度在1微米和1毫米之间，深度在5微米和500微米之间。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

将聚乙烯醇涂覆在芯片表面；聚乙烯醇是部分水解或者完全水解的聚醋酸乙烯醇酯，或者它们二者的混合物；聚乙烯醇水溶液的浓度范围是0.001％～20％。

所述聚乙烯醇是70％～95％水解的聚醋酸乙烯醇酯。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的水溶液含有无机盐、无机酸、有机酸中的一种或多种：

无机盐是氯化钠、氯化钾、硫酸钠，含量是0.001～10摩尔每升，用以增加聚乙烯醇和芯片表面的疏水相互作用，并增加聚乙烯醇在芯片表面的吸附量；

无机酸是盐酸、硫酸、磷酸、硝酸，含量是0.001～5摩尔每升，用以增加聚乙烯醇和芯片表面的氢键相互作用，并增加聚乙烯醇在芯片表面的吸附量；

有机酸是酒石酸、柠檬酸、马来酸，含量是0.001～5摩尔每升，以增加聚乙烯醇和芯片表面的氢键相互作用，并增加聚乙烯醇在芯片表面的吸附量。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的水溶液中添加亲水性高分子、疏水性高分子中的任一种或两种：

亲水性高分子是聚丙烯酰胺、聚二烷基丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素及其衍生物、甲基纤维素及其衍生物、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸，含量是0.001％～10％，这些亲水性高分子可以调节芯片表面的亲水性；

疏水性高分子是聚醋酸乙烯醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯，含量是0.001～10％，这些疏水性高分子可以增加聚乙烯醇和硅橡胶之间的连接，增加聚乙烯醇涂层的强度，从而延长涂层的寿命。

所述硅橡胶微流控芯片在表面涂覆聚乙烯醇之前选用如下的任意一种或几种进行表面活化：

火焰、等离子体、臭氧、紫外线、火花放电、强酸(盐酸、硫酸等)、强碱(氢氧化钠、氢氧化钾等)；

根据情况，也可以不对芯片预先进行活化处理。

所述用于硅橡胶微流控芯片表面活化的等离子体的气源是氧、氮、氢、空气以及它们的混合气，活化时间是1秒到30分钟。

所述用于硅橡胶微流控芯片表面活化的强酸浓度是0.01～10摩尔每升，活化时间是1分钟到10小时。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述硅橡胶微流控芯片在表面涂覆聚乙烯醇之前预先使用下列任意一种或多种方法进行底涂层处理，底涂层可以增加聚乙烯醇和硅橡胶之间的连接：

选择疏水性高分子溶液，疏水性高分子是聚醋酸乙烯醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯；

选择多氨基化合物，多氨基化合物是聚乙烯亚氨、多聚赖氨酸。

根据情况，也可以不对芯片预先使用底涂层处理。

本发明一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述硅橡胶微流控芯片表面的聚乙稀醇涂层选用如下所述的任意一种或两种方式进行后续处理：

在180℃以下的烘箱中固化；

用干燥的气体吹干。

根据情况，也可以不对表面涂覆聚乙烯醇的芯片专门进行特别的后续处理，只是自然晾干即可。

本发明硅橡胶微流控芯片的制备过程中，微流芯片的模板可以出自以下任意一种材料：硅片、石英、玻璃、光敏化合物(SU-8)、硅橡胶(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等其他高分子化合物。硅橡胶芯片的底片可以是以下任意一种材料：硅橡胶、玻璃、石英、硅片、PMMA、PC以及其他聚合物。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法的基本过程是：图案经计算机辅助设计后打印，制成挡板，然后在玻璃或石英上直接腐蚀成型，封接制成芯片；也可以用硅片、玻璃、石英、金属等制成模板，在塑料等材料上复制出子板，然后封接成芯片。

聚乙烯醇涂覆的硅橡胶芯片可以降低硅橡胶表面的疏水性，降低电渗流，减少生物大分子在芯片表面的吸附，提高分离效率，从而扩展硅橡胶芯片的应用范围，降低微流控芯片的成本。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法具有以下优点：

(1)芯片的表面可以自组装聚乙烯醇；

(2)基于(1)，聚乙烯醇自组装在水溶液中进行，简单、方便，不必借助有机相中的反应。不必借助紫外光或其他外界能量的输入；

(3)基于(1)，聚乙烯醇自组装可以重复进行，从而增加涂层的厚度；

另外，经本发明表面修饰方法修饰的硅橡胶芯片，至少具有以下方面的优点：

(1)表面亲水化，减少气泡的产生。

一般的水溶液不能浸润疏水性的芯片表面，芯片的表面总是残留有一层气泡，这些气泡对芯片上的操作极为不利，如果这些气泡在电泳时进入溶液，则会降低分离效率、甚至阻断电流。而在本发明的表面自组装聚乙烯醇硅橡胶芯片中，芯片表面的亲水性增强，芯片的表面可以和溶液充分的浸润，减少了以上情况的发生；

(2)减少生物大分子尤其是蛋白质在芯片的表面的吸附。

蛋白质在芯片的微流控通道内的转运和分离是生化分析中经常面对的问题，蛋白质在疏水性的表面吸附非常严重，这样会降低蛋白质转移的效率，残留在芯片表面的蛋白质甚至会造成对其他生物样品的污染。表面的吸附会严重的降低分离的效率，聚乙烯醇涂层，可以大大的降低吸附，提高分离的效率；

(3)表面修饰的硅橡胶芯片可以降低微流控系统的成本。

现在大量使用的微流控芯片主要是玻璃和石英材料的，由于PDMS的表面极大的疏水性和对生物分子的吸附，实际应用极少。表面自组装聚乙烯醇硅橡胶芯片可以增加亲水性，减少分析物的吸附，所以可以在实际中应用。相对于玻璃和石英芯片，PDMS芯片的造价极低，而且可以大量复制，因此可以大大的降低微流控分析的成本。

自组装聚乙烯醇修饰的硅橡胶PDMS芯片表面可以利用二醛分子偶联氨基化修饰的核酸分子，如果将含有特定的核酸片段的溶液流入，就可以在微流通道内实现核酸分子的杂交识别，从而对核酸分子进行定性和定量。如果在芯片的表面偶联酶分子，就可以在微流通道内对蛋白质酶解。如果与分析相结合，就可以实现蛋白质的肽谱分析。

附图说明：

图1蛋白电泳和核酸分析用硅橡胶PDMS微流控芯片结构示意图；

图2聚乙烯醇涂层的表面红外反射吸收光谱图；

图3电渗流随pH变化关系对应曲线图；

图4碱性蛋白的电泳分离；

图5连续运行碱性蛋白的分离效率变化；

图6酸性蛋白的电泳分离；

图7核酸筛分电泳图。

具体实施方式：

实施例1单层自组装聚乙烯醇涂覆硅橡胶芯片

图1相关说明：1废液池；2样品池；3缓冲液池；4样品废液池。E表示各个通道中的场强。

芯片相关说明：未处理芯片为方形，涂覆芯片为圆形；分离通道长3.5厘米，其他通道长0.5厘米，通道上宽50微米，通道深25微米。

(1)制作芯片。

制作如图1所示的芯片，CAD绘制掩模，高精度打印机打印在PMMA薄膜上，然后对涂有正胶的硅片感光，显影，刻蚀后成模板，道康宁公司Sylgard 184胶按10：1混合，80℃条件下在硅模板上聚合两小时即可。按同样的步骤，把平板硅片制成PDMS平板。

(2)等离子处理。

PDMS芯片和PDMS的底板在等离子体中处理10分钟，实现不可逆封接，制成封闭的PDMS微通道。

(3)通入0.2％，100％或88％水解的聚乙烯醇的水溶液，室温反应30分钟，用真空泵抽出残留的溶液。涂覆的芯片在120℃下干燥30分钟

(5)电渗流的测定。

利用电流监测法测定了PH9时不同处理通道的电渗流的大小。等离子处理PDMS芯片的电渗流从2.4×10^-4cm²/(V·S)上升到3.2cm²/(V·S)，自组装聚乙烯醇硅橡胶芯片的电渗流一直稳定在0.25×10^-4cm²/(V·S)。这表明聚乙烯醇覆盖了绝大多数的芯片的表面。

(6)芯片的亲水性。处理前的芯片不能被水浸润，溶液不能自动充满微流控通道。处理后的芯片的亲水性明显增强，溶液可以自动充满微流通道。

(7)处理后的表面的稳定性。与等离子体处理的芯片表面相比，表面的稳定性大大增加。等离子体处理的效果大约可以维持1小时左右，而聚乙烯醇自组装的表面在一个月内没有变化。

实施例2 多层涂覆的聚乙烯醇修饰硅橡胶芯片

图2相关说明：未处理芯片(a)、一层修饰(b)、两层修饰(c)、三层修饰(d)、四层修饰(e)。横轴表示波长，单位cm^-1；纵轴表示红外反射比率；PVA(88)表示88％水解的聚乙烯醇；

图3相关说明：横轴表示pH变化；纵轴表示电渗流的变化。方点线表示未经处理的PDMS芯片的电渗流变化趋势，圆点线表示聚乙烯醇修饰的PDMS芯片的电渗流变化趋势；

图4相关说明：未处理芯片(a)，等离子处理芯片(b)，100％水解的聚乙烯醇修饰的芯片(c)，88％水解聚乙烯醇修饰芯片(d)；横轴表示色谱流出的时间，纵轴表示荧光信号的大小。分离条件：30mM pH3的磷酸盐缓冲液，样品为50微克每微升，1表示溶菌酶，2表示核糖核酸酶；

图5相关说明：横轴表示运行的次数，纵轴表示分离塔板数。

(1)芯片的制作、等离子处理与实施例1相似。

(2)单层聚乙烯醇涂覆的过程与实施例1相同。

(3)重复聚乙烯醇涂覆的过程到需要的层数。

(4)考察表面反射吸收红外光谱的变化，如图2所示，一层到三层的羟基的红外吸收增加，而四层涂覆没有增加红外吸收。所以在应用中主要采用三层聚乙烯醇涂覆的芯片。

(5)电渗流与pH关系的测定。如图3所示，利用电流监测法测定了3～11的pH变化的过程中的电渗流的大小。未经修饰的PDMS芯片的电渗流随pH的上升从0.7×10^-4cm²/(V·S)上升到3.2cm²/(V·S)，而修饰过的硅橡胶芯片的电渗流一直稳定在0.25×10^-4cm²/(V·S)。这表明聚乙烯醇覆盖了绝大多数的芯片的表面。

(6)修饰的芯片用于碱性蛋白的电泳分离。如图4所示，没有修饰的PDMS(a)或等离子处理的芯片(b)不能成功分离溶菌酶和核糖核酸酶，100％水解聚乙烯醇修饰的芯片分离效果也很差(c)，只有在88％水解的聚乙烯醇修饰的芯片上取得了很好的分离结果(d)。

(7)芯片稳定性实验。70次连续运行，分离溶菌酶和核糖核酸酶都取得了成功，运行的效率见图5。

实施例3 多层涂覆的聚乙烯醇修饰硅橡胶芯片用于酸性蛋白的分离

图6相关说明：牛血清白蛋白(a)和乳清蛋白(b)以及混合电泳(c)。横轴表示色谱流出的时间，纵轴表示荧光信号的大小。分离条件：30mM pH8的磷酸盐缓冲液，样品为50微克每微升。

(1)芯片的制作、等离子处理、多层涂覆聚乙烯醇修饰的方法与实施例2相同；

(2)酸性蛋白：牛血清白蛋白和乳清蛋白在pH8的条件下也取得了良好的分离效果和重复性。分离效果见图6。

实施例4 多层涂覆的聚乙烯醇修饰硅橡胶芯片用于核酸的分离

图7相关说明：核酸电泳图。横轴表示时间，纵轴表示荧光值。(a)TTE(100mM tris(hydroxymethyl)methylamine (Tris)，100mM3-[[tris(hydroxymethyl)methyl]amino]-propanesulfonic acid(TAPS)，2mM EDTA)缓冲。(b)TBE(100mM Tris，100mM boric acid，2mM EDTA)缓冲。

(1)芯片的制作、等离子处理、多层涂覆聚乙烯醇修饰的方法与实施例2相同。

(2)采用2％羟丙基甲基纤维素(50厘泊2％水溶液)溶在100mMTris，100mM Taps，2mM EDTA中作为筛分介质，ΦX174 RF HaeIII核酸片段取得了很好的分离效果(图7，a)，但是如果采用Tris-Boric acid-EDTA作为缓冲液分离效果很差(图7，b)，这也说明芯片微流通道的表面有大量的醇羟基的存在，这些羟基与硼酸可以形成氢键。

实施例5 不同添加剂对聚乙烯醇修饰硅橡胶芯片的影响比较。

(1)芯片的制作与实施例2相同。

(2)在2％聚乙烯醇的水溶液中分别添加以下溶液：

(a)浓盐酸至1摩尔/升

(b)浓硫酸至1摩尔/升

(c)氯化钾至2摩尔/升

(d)氯化钾至2摩尔/升

(e)马来酸至0.1摩尔/升

(f)聚乙烯吡咯烷酮至2％

(g)聚醋酸乙烯醇酯至0.2％

(3)分别用a，b，c，d，e，f，g溶液制备多层涂覆聚乙烯醇修饰的方法与实施例2相同。

(4)测定每一种芯片的电渗流，方法与实施例2相同。我们发现每一种溶液制备的芯片的电渗流都低于0.25×10^-4cm²/(V·S)。这表明这些添加剂没有影响涂层的性质。

实施例6 底涂层对聚乙烯醇芯片涂层的影响。

(1)芯片的制作与实施例2相同。

(2)等离子处理后用0.1％聚乙烯亚胺水溶液浸泡30分钟。

(3)再用2％聚乙烯醇制备多层涂层方法与实施例2相同。

(4)电渗流测定表明涂层性质良好，电渗流很小。

(5)碱性蛋白分离与实施例2相似，分离结果良好。表明底涂层没有影响最终的聚乙烯醇的表面性质。

Claims

1、一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片，其特征在于：

硅橡胶微流控芯片的底片是硅橡胶；

硅橡胶微流控芯片表面涂覆聚乙烯醇涂层，聚乙烯醇水溶液的浓度范围是0.001％～20％。

2、一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

将聚乙烯醇涂覆在芯片表面；聚乙烯醇是部分水解或者完全水解的聚醋酸乙烯醇酯，或者它们二者的混合物。

3、按照权利要求2所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

所述聚乙烯醇是70％～95％水解的聚醋酸乙烯醇酯。

4、按照权利要求2所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的水溶液含有无机盐、无机酸、有机酸中的一种或多种：

无机盐是氯化钠、氯化钾、硫酸钠，含量是0.001～10摩尔每升；

无机酸是盐酸、硫酸、磷酸、硝酸，含量是0.001～5摩尔每升；

有机酸是酒石酸、柠檬酸、马来酸，含量是0.001～5摩尔每升。

5、按照权利要求2或4所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述聚乙烯醇的水溶液中添加亲水性高分子、疏水性高分子中的任一种或两种：

亲水性高分子是聚丙烯酰胺、聚二烷基丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素及其衍生物、甲基纤维素及其衍生物、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸，含量是0.001％～10％；

疏水性高分子是聚醋酸乙烯醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯，含量是0.001～10％。

6、按照权利要求2所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

火焰、等离子体、臭氧、紫外线、火花放电、强酸、强碱。

7、按照权利要求6所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

8、按照权利要求6所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：

9、按照权利要求2所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述硅橡胶微流控芯片在表面涂覆聚乙烯醇之前使用下列任意一种或多种方法进行底涂层处理：

10、按照权利要求2、4、6或9所述一种表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述硅橡胶微流控芯片表面的聚乙稀醇涂层选用如下所述的任意一种或两种方式进行后续处理：

在180℃以下的烘箱中固化；

用干燥的气体吹干。