CN110433881B - 一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，所述亲水改性方法为：用氨气等离子体处理聚合物材料的表面，得到亲水性微流控芯片微通道材料。本发明所述的亲水改性方法通过氨气等离子体处理聚合物材料的表面，在聚合物材料表面完成亲水基团的接枝，从而获得亲水性质稳定可控的微流控芯片微通道材料，耗时短、效率高、普适性好而且环保，处理后材料的亲水时效性长。基于本发明提供的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料用于制备微流控芯片，所述微流控芯片中的液体样本流动行为显著改善，有利于微流控芯片检测性能的提高。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法。
背景技术
微流控芯片是一种可用于生物、化学、医学分析检测的集成性芯片，其容纳流体的内部通道、反应室等结构至少在一个纬度上为微米级尺度，从而使流体在其中显示并产生了与宏观尺度不同的特殊性能，实现了分析检测灵敏度和效率的提升。微流控芯片具有液体流动可控、消耗样品和试剂极少、分析速度快等特点，可以在线实现样品的预处理及分析全过程，在检测领域备受青睐。
微流控芯片的检测性能与其基材息息相关，制作微流控芯片的材料包括石英、玻璃和聚合物等。其中，石英易碎、价格昂贵、表面化学行为复杂，玻璃微流控芯片的制作过程冗长，难以得到宽深比大的通道，且芯片封接工艺复杂；因此，石英和玻璃等传统的无机材料并不利于微流控芯片的批量生产，已逐步被聚合物材料取代。聚合物材料成本低，易于加工，并具有良好的透光性和介电性，在微流控芯片基材领域得到了广泛应用，目前使用最多的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。然而聚合物微流控芯片领域也有其短板所在，聚合物材料表面大都亲水性欠佳，导致微流控芯片中的液体样本难以在微通道中浸润、铺展和流动，而且表面易于吸附样品中的疏水性大分子，使检测准确度和灵敏度降低。因此，提供一种切实可行的用于微流控芯片的聚合物材料的亲水改性方法，具有重要的意义。
CN102153774A公开了一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法及微流控涂层芯片和应用，所述方法为：将超支化聚酰胺酯和催化剂配成涂层溶液压入经过NaOH溶液预处理的微流控芯片微通道中，保持5～30min后吹出剩余的涂层溶液，然后将所述微流控芯片加热固化，得聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。该方法通过亲水性超支化聚酰胺酯对芯片进行表面修饰，方法便捷，可使芯片通道内壁保持永久性的亲水性，有效提高了聚合物涂层的稳定性。
CN1815238公开了一种注塑型聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片内表面静态修饰的方法，具体为：以苯甲酮为光敏剂，将其预先吸附在通道内表面，然后通过紫外光聚合，在聚甲基丙烯酸甲酯芯片通道内壁键合上一层亲水的聚合物。通过以上操作所得到的聚甲基丙烯酸甲酯芯片微通道内壁亲水性增强，减少了肽和蛋白质等生物分子在内壁的吸附，通道内的电渗流也被抑制到几乎可以忽略的地步。
CN1712967公开了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，所述修饰方法为：将硅橡胶芯片用等离子体、臭氧、紫外线、火花放电、强酸或强碱的方式活化，然后在其表面涂覆上聚乙烯醇水溶液，加热固化后得到表面涂覆聚乙烯醇的硅橡胶微流控芯片。该修饰方法易于实现，且聚乙烯醇可以长期保留，表面亲水性稳定持久，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。
现有的亲水改性工艺以湿法化学处理法为主，即通过表面化学接枝或引发聚合的方法在疏水性材料表面形成一层亲水涂层，实现亲水改性。但是这种方法极易破坏材料的本体结构，而且工艺复杂，会产生大量工业三废，不利于环保，并增加了三废处理成本，因此不适宜大规模的工业化推广；而且湿法化学处理法对材料自身化学结构的依赖性高，故而不具有普适性。
因此，开发一种便捷、高效的微流控芯片聚合物材料的普适性亲水改性方法，使得到的亲水性表面具有良好的稳定性和较长的时效性，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，通过氨气等离子体对聚合物材料进行表面处理，在聚合物材料表面完成亲水基团的接枝，从而得到亲水性质稳定可控且时效长的亲水性微流控芯片微通道材料。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，所述亲水改性方法为：用氨气等离子体处理聚合物材料的表面，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
微流控芯片内部的微通道材料以易于加工成型的聚合物材料为主，但是聚合物材料大都存在亲水性较差的问题，影响微流控芯片中液体样本的浸润和流动性能。为了解决这一问题，本发明通过氨气等离子体处理聚合物材料的表面，该处理过程中低温等离子轰击聚合物材料表面的碳原子形成活性中心，同时激发气体分子形成亲水基团，两者相互作用使得该亲水基团在聚合物材料的分子链上完成接枝，从而实现材料的亲水改性。本发明提供的氨气等离子体处理方法是一种干式处理方法，处理过程耗时短，效率高，不会产生工业三废，因此是一种环境友好且能源节约的亲水改性工艺；而且所述氨气等离子体处理方法仅针对聚合物材料的表面进行亲水性基团的接枝，不影响本体材料的结构，更加不会对微流控芯片的后续加工工艺带来影响。更为重要的是，本发明所述亲水改性方法通过功率、时间、气体流量以及气压等工艺参数的调整，可以实现材料表面亲水性能的可控和定制，从而得到与微流控芯片检测项目相匹配的微通道材料，进一步提高微流控芯片的检测性能。
优选地，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯或聚丙烯中的任意一种，优选为聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
本发明提供的亲水改性方法具有普适性，可以实现多种聚合物材料的可控、稳定且长时效性的亲水性改善。
优选地，所述氨气等离子体处理的功率为100～500W，例如120W、140W、160W、180W、200W、220W、240W、260W、280W、300W、330W、350W、370W、400W、430W、450W、470W或490W，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述氨气等离子体处理的时间为10～600s，例如20s、40s、60s、80s、100s、120s、150s、180s、200s、220s、250s、280s、300s、320s、350s、380s、400s、420s、450s、480s、500s、520s、550s、570s或590s，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为30～400s。
优选地，所述氨气等离子体处理的气体流量为50～200sccm，例如60sccm、80sccm、100sccm、120sccm、140sccm、160sccm、180sccm或190sccm等，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述氨气等离子体处理的气压为10～100Pa，例如12Pa、15Pa、18Pa、20Pa、23Pa、25Pa、28Pa、30Pa、32Pa、35Pa、38Pa、40Pa、45Pa、50Pa、55Pa、60Pa、65Pa、70Pa、75Pa、80Pa、85Pa、90Pa或95Pa，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为20～40Pa。
优选地，所述聚合物材料为经过表面预处理的聚合物材料。
优选地，所述表面预处理的方法为：将聚合物材料在洗涤液中超声清洗，干燥。
优选地，所述洗涤液选自碱液、乙醇、甲醇、氧化电位水或纳米气泡水中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述亲水改性方法为：将表面预处理的聚合物材料置于低温等离子体发生器，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为100～500W，气体流量为50～200sccm，气压为10～100Pa，处理时间为10～600s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
通过本发明提供的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料可置于温度范围为10～40℃、湿度范围为10～70％的洁净环境中保存，其亲水性质稳定，亲水时效性可以保持30天以上。
另一方面，本发明提供一种如第一方面所述的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料。
另一方面，本发明提供一种微流控芯片，所述微流控芯片包括如上所述的亲水性微流控芯片微通道材料。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，通过氨气等离子体处理聚合物材料的表面，在聚合物材料表面完成亲水基团的接枝，从而获得接触角为28～72°的亲水性质稳定可控的微流控芯片微通道材料，且所述微流控芯片微通道材料的亲水时效性长，可以稳定保存30天以上。基于本发明提供的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料用于制备微流控芯片，所述微流控芯片中的液体样本流动行为显著改善，流速可以达到12mm/min以上，有利于微流控芯片检测性能的提高。本发明提供的微流控芯片微通道材料的亲水改性方法耗时短、效率高，是一种普适于多种聚合物材料的环保型亲水改性方法，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图2为实施例2得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图3为实施例3得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图4为实施例4得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图5为实施例5得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图6为实施例6得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图7为实施例7得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图8为实施例8得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图；
图9为实施例9得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)聚苯乙烯(PS)的表面预处理：将PS材料浸泡于氢氧化钠溶液(1M)中，加热至60℃后超声处理20min；去离子水超声清洗5min，重复三次；烘箱干燥，得到经过表面预处理的PS材料；
(2)将步骤(1)得到的表面预处理的PS材料置于低温等离子体发生器样品室，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为200W，气体流量为100sccm，气压为30Pa，处理时间为30s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述处理时间为60s。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述处理功率为400W，气体流量为200sccm，处理时间为120s。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述处理功率为400W，气体流量为200sccm，处理时间为180s。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述处理功率为400W，气体流量为200sccm，处理时间为300s。
实施例6
本实施例提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的表面预处理：将PMMA材料浸泡于氢氧化钠溶液(1M)中，加热至60℃后超声处理20min；去离子水超声清洗5min，重复三次；烘箱干燥，得到经过表面预处理的PMMA材料；
(2)将步骤(1)得到的表面预处理的PMMA材料置于低温等离子体发生器样品室，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为100W，气体流量为100sccm，气压为30Pa，处理时间为60s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
实施例7
本实施例与实施例6的区别在于，步骤(2)所述处理功率为200W，处理时间为90s。
实施例8
本实施例与实施例6的区别在于，步骤(2)所述处理功率为400W，气体流量为50sccm，处理时间为180s。
实施例9
本实施例与实施例6的区别在于，步骤(2)所述处理功率为400W，气体流量为200sccm，处理时间为180s。
实施例10
本实施例提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)聚碳酸酯(PC)的表面预处理：将PC材料浸泡于碱性氧化电位水中中，40℃超声处理20min；去离子水超声清洗5min，重复三次；烘箱干燥，得到经过表面预处理的PC材料；
(2)将步骤(1)得到的表面预处理的PC材料置于低温等离子体发生器样品室，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为500W，气体流量为100sccm，气压为15Pa，处理时间为10s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
实施例11
本实施例提供一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，具体包括以下步骤：
(1)聚碳酸酯(PC)的表面预处理：将PC材料浸泡于氢氧化钾溶液(0.5M)中，40℃超声处理15min；去离子水超声清洗5min，重复三次；烘箱干燥，得到经过表面预处理的PC材料；
(2)将步骤(1)得到的表面预处理的PC材料置于低温等离子体发生器样品室，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为300W，气体流量为200sccm，气压为60Pa，处理时间为500s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述等离子体为氧气等离子体。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(2)所述等离子体为甲烷等离子体。
对比例3
本对比例与实施例6的区别在于，步骤(2)所述等离子体为氧气等离子体。
对比例4
本对比例与实施例6的区别在于，步骤(2)所述等离子体为甲烷等离子体。
应用例
一种微流控芯片，其内部微通道材料为通过实施例1～11所述的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料。
性能测试：
(1)接触角测试：在材料处理完成3天后使用接触角测试仪(型号：SDC-200)测试去离子水在材料表面的静态接触角，实施例1～9得到的亲水性微流控芯片微通道材料的接触角测试图如图1～9所示；接触角具体数据如表1所示。
表1
从表1的数据可知，本发明提供的亲水改性方法可以实现PS、PMMA、PC等聚合物材料的表面亲水改性，而且随着处理时间的延长、气体流量的增加、处理功率的增大，材料的接触角更小、亲水改性效果更好，最终得到接触角为28～72°的亲水性质可控的微流控芯片微通道材料。
如果不使用本发明所述氨气等离子体，氧气等离子体处理(对比例1、对比例3)得到的材料表面接触角低于15°，无法实现材料亲水性的可控与定制，材料表面接触角过低会导致其作为微流控芯片微通道材料时不利于生物试剂的包被，从而对微流控芯片的检测性能产生不利影响。甲烷等离子体处理(对比例2、对比例4)得到的材料表面接触角大于70°，亲水性不佳，因此无法实现材料表面有效的亲水改性。
(2)接触角稳定性测试：
以实施例3和实施例7为例，分别测试实施例3和实施例7中得到的亲水性微流控芯片微通道材料在氨气等离子体处理后3天、7天、15天以及30天的静态接触角，得到的数据如表2所示。
表2
| 时间 | 实施例3(PS) | 实施例7(PMMA) |
| 3天 | 49.5° | 51.3° |
| 7天 | 50.1° | 51.7° |
| 15天 | 51.2° | 52.6° |
| 30天 | 51.6° | 51.9° |
从表2的数据可知，本发明提供的亲水改性方法可以实现PS、PMMA材料的表面亲水改性，且亲水性稳定、时效性长，可以稳定维持30天以上。
(3)液体样本流动行为测试：
以PS材料为例，未经等离子体处理的PS材料接触角为91.6°，经实施例3提供的亲水改性方法处理之后接触角为49.5°；分别使用未经处理的PS材料和实施例3所述的亲水改性方法处理后的PS材料为微通道材料制备3块微流控芯片，以黑色墨水为模拟样本加入芯片加样孔，于10min后记录模拟样本在微通道中的流动距离，并计算流动速率，统计数据如表3所示。
表3
从表3的数据可得，未经等离子体处理的芯片因亲水性欠佳、接触角较大，导致样本停滞于芯片表面，无法正常流动；通过实施例3提供的亲水改性方法等离子处理后的芯片因亲水性得到改善、接触角变小，从而有利于芯片中液体样本的流动。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (12)
1.一种微流控芯片微通道材料的亲水改性方法，其特征在于，所述亲水改性方法为：用氨气等离子体处理聚合物材料的表面，得到亲水性微流控芯片微通道材料；
所述氨气等离子体处理的气体流量为50～200sccm；
所述氨气等离子体处理的功率为100～500W；
所述氨气等离子体处理的时间为10～600s。
2.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯或聚丙烯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述氨气等离子体处理的时间为30～400s。
5.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述氨气等离子体处理的气压为10～100Pa。
6.根据权利要求5所述的亲水改性方法，其特征在于，所述氨气等离子体处理的气压为20～40Pa。
7.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述聚合物材料为经过表面预处理的聚合物材料。
8.根据权利要求7所述的亲水改性方法，其特征在于，所述表面预处理的方法为：将聚合物材料在洗涤液中超声清洗，干燥。
9.根据权利要求8所述的亲水改性方法，其特征在于，所述洗涤液选自碱液、乙醇、甲醇、氧化电位水或纳米气泡水中的任意一种或至少两种的组合。
10.根据权利要求1所述的亲水改性方法，其特征在于，所述亲水改性方法为：将表面预处理的聚合物材料置于低温等离子体发生器，用氨气等离子体进行表面处理，处理功率为100～500W，气体流量为50～200sccm，气压为10～100Pa，处理时间为10～600s，得到亲水性微流控芯片微通道材料。
11.一种如权利要求1～10任一项所述的亲水改性方法得到的亲水性微流控芯片微通道材料。
12.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括如权利要求11所述的亲水性微流控芯片微通道材料。
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