CN102060988A - 一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物及其在微流控芯片中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端羟基超支化聚合物及其在微流控芯片中的应用。端羟基超支化聚胺-酯聚合物，由以下步骤制备而成：等摩尔的二乙醇胺和丙烯酸甲酯，反应得到N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯；将三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯反应，当两者摩尔比为1∶9、1∶21或1∶45时，分别得到G2代、G3代或G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。用于制备亲水性微流控芯片：在氧气氛中将聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片氧化；将硅烷偶联剂接到基片内部，将聚合物接到硅烷偶联剂上。严格控制反应条件及反应物的摩尔比制得相对规整的聚合物。用聚合物改性PDMS，能永久保持亲水性，未使用昂贵的仪器，方便快速。

Description

一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物及其在微流控芯片中的应用

技术领域

本发明涉及聚合物领域，特别涉及一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，还涉及所述聚合物在微流控芯片中的应用。

背景技术

从20世纪90年代Manz等提出微流控分析系统以来，微流控芯片技术得到了飞速的发展，在很多方面都得到了应用。微流控芯片技术具有分离速度快，样品消耗量小，检测速度快等优点。聚二甲基硅氧烷以其价格便宜，化学性能稳定，耐久，光透过性好，生物兼容性优良等诸多优点，成为制作微流控芯片主要材料之一，但是PDMS其本身的一些缺陷，如表面的高度疏水，这会导致在分离过程中分离通道内产生气泡，致使流路断开，导致试验失败。因此，对PDMS微流控芯片的表面亲水性的改善引起了科学家的广泛兴趣。现在科学家们主要通过氧等离子处理，UV/O₃氧化，表面涂覆亲水聚合物，紫外接枝等方法来改善PDMS的表面亲水性，减少其对分离物的吸附。但是这些方法还存在一定的不足，如氧化法处理PDMS虽然可以改善其亲水性，但是几个小时后PDMS就会慢慢转变为疏水，不利于芯片的长时间重复使用；在PDMS表面涂覆亲水性聚合物如聚乙二醇虽然能改善PDMS表面的亲水性，使PDMS的亲水性保持的长久，但是传统的线性聚合物的粘度比较大容易导致微流控芯片微通道的堵塞，妨碍芯片的使用。因此需要用一种亲水性好、低粘度的聚合物对PDMS进行涂覆改性以解决上述的问题。

超支化聚合物具有其独特的支化分子结构，分子之间无缠结，并且含有大量的末端官能团，因此表现出高溶解度、低粘度、高的化学反应活性等许多线型聚合物所不具有的特殊性能。中国专利号为CN02123476.0的专利公开了一种以多元酸作为核的酯端基超支化聚合物，中国专利号为CN200810017352.2的专利公开了一种端醛基超支化聚合物，并用于皮革复鞣剂的制备。但至今没有有关超支化聚合物在改善微流控芯片疏水性方面的报道。

目前在实验室中最常用的商业化检测装置就是UV检测器，但是UV检测器要求要有较长的检测光程，但是微流控芯片的通道的检测光程比较短，这就造成了UV检测器在微流控芯片检测中的应用受到了一定的限制。通过设计适合微流控芯片与毛细管连接的通道，实现微流控芯片与毛细管连接，在毛细管上制作检测窗已达到微流控芯片UV检测应用的目的已成为一种共识。但现行的微流控芯片与毛细管连接的方法很容易在连接处造成死体积，出现死体积的话，会出现滞后，样品扩散增大，峰展宽，拖尾等现象，导致检测器检测效率的降低，不利于对分离物质的检测分离。

发明内容

为了解决以上技术中存在的问题，本发明提供了一种亲水性极强的端羟基超支化聚胺-酯聚合物。本发明还提供了所述聚合物在微流控芯片中的应用。

本发明是通过以下措施实现的：

一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，为G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物或G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物或G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物，G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合

G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如下

由以下步骤制备而成：

(1)取等摩尔的二乙醇胺和丙烯酸甲酯，加入甲醇，混合均匀后加入反应器中，升温至35℃保持4h，得到N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯；

(2)将N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯、对甲苯磺酸和三羟甲基丙烷加入反应器中，通氮气，搅拌溶解，升温至85℃，搅拌24h，

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶9时，得到G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶21时，得到G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶45时，得到G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

所述的聚合物用于制备亲水性微流控芯片，亲水性微流控芯片，是通过以下步骤得到：

(a)制备聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片；

(b)在氧气氛中将微流控芯片基片氧化；

(c)将硅烷偶联剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，放入100℃-120℃的烘箱反应，然后再将端羟基超支化聚胺-酯聚合物溶液与催化剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，50℃-70℃反应，得到端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的亲水性微流控芯片。

步骤(c)中所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物为G2代、G3代或G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

所述硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，所述催化剂为三氟化硼乙基醚。

步骤(c)中将硅烷偶联剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，放入110℃的烘箱反应40min。

步骤(c)中将端羟基超支化聚胺-酯聚合物与催化剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中60℃反应4h。

步骤(b)包括以下步骤：在容器中加入NaOH水溶液和H₂O₂水溶液，将制作好的微流控芯片放入容器中，固定在液面以上氧化。NaOH水溶液为1mol/L，H₂O₂水溶液含H₂O₂30wt％。

所述微流控芯片前端内径小于末端内径，末端与毛细管套接，末端内径与毛细管外径相配合。

将端羟基超支化聚胺-酯聚合物应用于改性PDMS亲水性可以解决线性高分子改性PDMS时所遇到的问题。将PDMS芯片基片在氧气氛中预处理一段时间然后与盖片封合，将合成的超支化聚合物涂覆到芯片的微通道中，改善了芯片微通道内壁的亲水性，有效的抑制了内壁对蛋白质的吸附，实现了微流控芯片的蛋白质UV检测。

将聚合物涂覆到微流控芯片的过程中所用到的硅烷偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物。在它的分子中，同时具有能与无机材料(如玻璃、水泥、金属等)结合的反应性基团和与有机材料(如合成树脂等)结合的反应性基团。常用的理论有化学键理论、表面浸润理论、变形层理论、拘束层理论等。偶联剂作表面改性剂，用于无机填料填充塑料时，可以改善其分散性和黏合性。我们采用的KH-560硅烷偶联剂即γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷在同一个硅原子上含有两种性质不同的活性基因，一种是硅官能的反应性基团，Si-OCH₃，它能与经氧气氛处理的PDMS的表面生成的Si-OH发生化学反应，生成Si-O-Si键。另一种是碳官能的反应基团

反应，它能在催化剂三氟化硼乙基醚的作用下开环与有机聚合物末端的羟基发生反应，从而将超支化聚合物接到PDMS表面，达到改性的目的。

本发明的有益效果是：本发明通过严格控制反应条件及反应物的摩尔比制得相对规整的端羟基超支化聚胺-酯聚合物，分子末端含有丰富的羟基，既可以作为反应基团进行进一步反应，又可以作为亲水性基团改进对象的亲水性，原料易得，合成工艺简单易操作。采用端羟基超支化聚合物改性PDMS，不仅可以解决氧化法改性PDMS造成的不能永久保持亲水性的问题，而且解决了使用聚乙二醇改性PDMS而因聚乙二醇本身的缺陷带来的改性效果不够理想的问题，同时本发明改性的方法未使用比较昂贵的仪器，方法方便快速，是一种非常有效的改性PDMS亲水性的途径。本发明采用将连接通道直接设计在微流控芯片通道的末端，避免了在制作出微流控芯片后再制作连接通道时的麻烦，并且可以有效的避免死体积，提高分离效率。

附图说明

图1微流控芯片制作过程

图2微通道与毛细管连接通道结构图

图3端羟基超支化聚胺-酯分子对PDMS薄片改性过程原理图

图4G2、G3和G4代端羟基超支化聚胺-酯分子红外光谱图

图5未改性的PDMS表面SEM照片

图6改性后PDMS表面SEM照片

图7未改性的PDMS微流控芯片通道的SEM照片

图8改性后PDMS微流控芯片通道的SEM照片

图9未经改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图

图10经G2代端羟基超支化聚胺-酯改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图

图11经G3代端羟基超支化聚胺-酯改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图

图12经G4代端羟基超支化聚胺-酯改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图

具体实施方式

实施例1  制备G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

向250mL三口瓶中通氮气10min，取0.2mol二乙醇胺、0.2mol丙烯酸甲酯和10ml甲醇，于小烧杯中混合均匀后加入三口瓶中，混合物在室温下通氮气10min，搅拌30min升温至35℃保持4h，减压蒸馏除去甲醇，得到一种无色透明油状物为N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯，反应式如下所示。

向250mL四口瓶中加入0.045mol合成的单体、0.045g对甲苯磺酸和0.005mol三羟甲基丙烷，通氮气10min，搅拌待溶解后升温至85℃保持不变，搅拌反应24h，再蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。其中，三羟甲基丙烷和N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶9。G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示，反应式如下所示。

实施例2  制备G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

向250mL四口瓶中加入0.1mol实施例1合成的N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯、0.0986g对甲苯磺酸和0.004761mol三羟甲基丙烷，通氮气10min，搅拌待溶解后升温至85℃保持不变，搅拌反应24h，再蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。其中，三羟甲基丙烷和N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶21，G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示。

实施例3  制备G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物

向250mL四口瓶中加入0.2mol实施例1合成的N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯、0.194g对甲苯磺酸和0.004448mol三羟甲基丙烷，通氮气10min，搅拌待溶解后升温至85℃保持不变，搅拌反应24h，再蒸馏除去反应中的甲醇和未反应的小分子化合物，即得G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。其中，三羟甲基丙烷和N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶45，G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如前文所示。

实施例4  制备G2代聚合物改性的亲水性微流控芯片

(a)用CAD软件设计一个双“T”型微流控芯片通道，分离通道设计宽度为40nm长度4cm，末端部连接通道设计宽度为200nm，长度1cm。以匀胶铬板玻璃片作为基片，光刻出通道，在玻璃腐蚀液中腐蚀出通道，除去光刻胶和铬层。将得到的带有通道基片盖在一块宽3cm，长5cm的玻璃片上，向通道内注入紫外光固化剂，用254nm，30w紫外灯照射固化，除去基片得到微流控芯片模具，制作过程如图1所示。

将PDMS预聚体与固化剂按质量比10∶1的比例混合，真空脱气，将混合物浇铸在模具上，70℃固化1h，剥离模具得到PDMS微流控芯片基片。

(b)在容积为250mL广口瓶中加入10mL 1mol/LNaOH水溶液和40mL 30wt％H₂O₂，将制作好的微流控芯片放入瓶中，固定在液面以上，用装有三通的橡胶塞塞好瓶口，开始时要保持三通打开，过一段时间后关闭三通，将广口瓶放置在避光处3d。取出后将基片与盖片封接，再将微流控芯片与10cm长外径为200nm的毛细管封接，将毛细管插入微通道末端较粗的连接通道内，然后用环氧树脂胶封接，如图2所示。

(c)配置10wt％硅烷偶联剂γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，将此溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，放入烘箱110℃反应40min，然后再将10wt％G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物与2.5wt％催化剂三氟化硼乙基醚的甲醇溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，60℃反应4h，然后用二次水冲洗通道，得到G2代端羟基超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片，改性过程原理图如图3所示。

实施例5  制备G3代聚合物改性的亲水性微流控芯片

将实施例4中的G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物替换为G3代端羟基代超支化聚胺-酯聚合物，得到G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的亲水性微流控芯片。

实施例6  制备G3代聚合物改性的亲水性微流控芯片

将实施例4中的G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物替换为G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物，得到G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的亲水性微流控芯片。

测试例1

将上述实施例1、2和3得到的G2、G3和G4代端羟基超支化聚胺-酯进行IR表征，吸收峰图如图4所示，三代超支化聚合物在3500cm^-1左右都有明显的吸收峰，这表明合成的超支化聚胺-酯含有大量的羟基，这为下一步改性PDMS的亲水性提供有利的数据支持。

测试例2

测量上述实施例4、5、6得到的不同代数端羟基超支化聚胺-酯改性的PDMS微流控芯片的接触角，并对其进行SEM表征。

接触角测试结果如表1所示，未经改性的PDMS的表面接触角为钝角，是高度疏水的，经过超支化聚胺—酯改性的PDMS的表面接触角转为锐角，具有亲水性，并且随着超支化聚胺-酯代数的增加，接触角越来越小，亲水性越来越好，这是因为随着超支化聚胺-酯代数的增加，其分子末端羟基的数量也不断的增加，所以改性用的超支化聚胺-酯代数越大，改性后的PDMS微流控芯片亲水性越好。

对上述实施例4得到的经G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的PDMS微流控芯片进行SEM测试，图5是未改性的PDMS微流控芯片表面的SEM照片，图6是改性后PDMS微流控芯片表面的SEM照片，图7是未改性的PDMS微流控芯片通道的SEM照片，图8是该性后PDMS微流控芯片通道的SEM照片。对比改性前后的PDMS表面的SEM照片我们可以明显的发现，改性后超支化聚胺-酯均匀的分散在PDMS表面，在PDMS表面形成了一层致密的、均匀的超支化聚胺-酯聚合物层。对比图7、图8我们可以看到在改性后的PDMS微流控芯片通道的内壁上明显的附上了一层致密的超支化聚胺-酯聚合物层。

测试例3

称取一定量的磷酸于烧杯内，加入100ml二次蒸馏水，配制成0.04mol/l的溶液，用0.01mol/l的NaOH溶液调节其pH值。然后用45μm的纤维素滤膜过滤，再用超声波脱气后置于容量瓶内备用。

用二次蒸馏水将腺苷和L-色氨酸配置成0.2mg/mL的溶液，然后用45μm的纤维素滤膜过滤，并用超声波进行脱气处理，将制备好的样品置于冰箱内保存备用。

在毛细管末端5cm处用浓硫酸制作一个检查窗，在分离电压5kV，检测波长为214nm，进样时间为20s，条件下分离检测。

将上述实施例4、5、6得到的不同代数端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的PDMS微流控芯片用于对腺苷和L-色氨酸的分离测试。图9为未经改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图，图10为经G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图，图11为经G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图，图12为经G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的微流控芯片分离腺苷与L-色氨酸分离图。对比改性前后的分离效率和对分离物的分离度，数据见表1。

表1改性前后微流控芯片性能及分离结果对比表

本发明得到的改性后的PDMS微流控芯片的分离效率和对分离物的分离度相对未经改性的PDMS微流控芯片都有了很大的提高，分离理论塔板数可以达到4.01×10⁵plates/m以上，并且改性后的微流控芯片的分离度最高可以达到4.5以上。随着超支化聚胺-酯聚合物代数的增加，分离度逐渐增加。在使用G3代和G4代改性微流控芯片分离腺苷的时候，分离峰的半峰宽比较大，所以造成了理论塔板数比较小，但是理论塔板数总体上的规律是随着超支化聚合物的代数增加而增加的。

以上实施例是对本发明进行的详细的描述，其目的在于说明本发明的构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种端羟基超支化聚胺-酯聚合物，其特征是为G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物、G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物或G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物，G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如下所示

G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物的结构式如下

由以下步骤制备而成：

(1)取等摩尔的二乙醇胺和丙烯酸甲酯，加入甲醇，混合均匀后加入反应器中，升温至35℃保持4h，得到N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯；

(2)将N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯、对甲苯磺酸和三羟甲基丙烷加入反应器中，通氮气，搅拌溶解，升温至85℃，搅拌24h，

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶9时，得到G2代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶21时，得到G3代端羟基超支化聚胺-酯聚合物；

当三羟甲基丙烷与N，N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯的摩尔比为1∶45时，得到G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

2.权利要求1所述的聚合物用于制备亲水性微流控芯片。

3.根据权利要求2所述的亲水性微流控芯片，其特征是通过以下步骤得到：

(a)制备聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片；

(b)在氧气氛中将微流控芯片基片氧化；

(c)将硅烷偶联剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，放入100℃-120℃的烘箱反应，然后再将端羟基超支化聚胺-酯聚合物溶液与催化剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，50℃-70℃反应，得到端羟基超支化聚胺-酯聚合物改性的亲水性微流控芯片。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于步骤(c)中所述的端羟基超支化聚胺-酯聚合物为G2代、G3代或G4代端羟基超支化聚胺-酯聚合物。

5.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于所述硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，所述催化剂为三氟化硼乙基醚。

6.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于步骤(c)中将硅烷偶联剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中，放入110℃的烘箱反应40min。

7.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于步骤(c)中将端羟基超支化聚胺-酯聚合物与催化剂溶液用氮气压入到微流控芯片的通道中60℃反应4h。

8.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于步骤(b)包括以下步骤：在容器中加入NaOH水溶液和H₂O₂水溶液，将制作好的微流控芯片放入容器中，固定在液面以上氧化。

9.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于NaOH水溶液为1mol/L，H₂O₂水溶液含H₂O₂30wt％。

10.根据权利要求3或4所述的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片前端内径小于末端内径，末端与毛细管套接，末端内径与毛细管外径相配合。

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