CN1627069A - 一种硅橡胶微流控芯片及其表面修饰方法 - Google Patents

Abstract

一种硅橡胶微流控芯片，是通过将硅橡胶芯片以异氰酸酯功能试剂作为偶联剂，将各种羟基类、氨基类、羧基类化合物偶联到硅橡胶的表面获得。芯片的表面可以修饰各种所需的聚合物，并且聚合物在芯片的表面可以长期保留，表面的性质稳定持久。通过选用不同的聚合物可以随意的调节芯片表面的亲水性、电荷密度、电荷的种类，以获得不同的硅橡胶微流控芯片。

Description

一种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，特别提供了表面程序化修饰的硅橡胶(PDMS)微流控芯片。

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。也就是分析物质在微流通道中定向的迁移、反应过程，因此必须严格地控制微流通道表面的性质，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、石英是早期的芯片材料，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。硅橡胶(PDMS)由于可以利用模板大量复制、价格低廉、制造简单、工艺成熟，因而收到越来越多的重视。与硅片、石英、玻璃成熟的表面化学修饰相比，硅橡胶的表面化学修饰尚处起步阶段。

硅橡胶表面修饰的研究一直是表面化学研究的热点，特别是在医用材料方面。紫外诱导接枝是一种比较重要的方法，一般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。这种方法比较繁琐，表面的粗糙度不可控制。由于微流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。

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，与紫外诱导接枝相似，这种方法也难以应用在微流通道内。

发明的技术内容：

本发明的目的在于一种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修饰各种所需的聚合物，并且聚合物在芯片的表面可以长期保留，表面的性质稳定持久。通过选用不同的聚合物可以随意的调节芯片表面的亲水性、电荷密度、电荷的种类，以获得不同的硅橡胶微流控芯片。

本发明提供了一种硅橡胶微流控芯片，其特征在于：所述芯片是通过将硅橡胶芯片以异氰酸酯功能试剂作为偶联剂，将各种羟基类、羧基类、氨基类化合物偶联到硅橡胶的表面获得。

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。

本发明还提供了上述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：以异氰酸酯功能试剂作为偶联剂，将羟基类、羧基类、或者氨基类化合物偶联到硅橡胶的表面。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，所述异氰酸酯功能试剂是二异氰酸酯或多异氰酸酯，选自2，4-甲苯二异氰酸酯、2，6-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、多亚甲基多苯多异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、萘-1，5二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯之一种或者它们的多聚体以及它们的混合物。

偶联过程在溶剂中进行，使用的溶剂特征是不含有氨基、羟基或羧基，以避免溶剂与异氰酸酯反应。偶联剂的浓度在0.01到10摩尔每升。

与羟基化合物反应中可以添加0.01％到10％的催化剂：叔胺催化剂(例如四甲基丁二胺，三亚乙基二胺)、有机金属化合物催化剂(例如辛酸亚锡，二月桂酸二丁基锡)。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，所述羟基类化合物可以是纤维素、甲基纤维素、或者它们的衍生物；葡聚糖、或者葡聚糖的衍生物；聚乙烯醇、或者聚乙烯醇与聚醋酸乙烯醇酯的水解物、聚乙二醇、聚羟乙基丙烯酸甲酯。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，所述羧基类化合物可以是聚丙烯酸或者聚丙烯酸的衍生物。还可以进一步与含氨基的化合物偶联。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，所述氨基类化合物可以是聚赖氨酸或者聚赖氨酸的衍生物、聚乙烯亚氨或者聚乙烯亚氨的衍生物。还可以进一步与含氨基或羧基的化合物偶联。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，所述硅橡胶最好是聚二甲氧基硅烷。

本发明硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法中，在偶联前，硅橡胶表面可以先用等离子体、或者酸进行活化。等离子体的气源可以是氧、氮、氢、空气、以及他们的混合气，活化的时间1秒到30分钟之间；酸的浓度在0.1到10摩尔每升，活化的时间1分钟到10小时。活化后的芯片表面有羟基、氨基或羧基产生。芯片的表面也可以不活化，二异氰酸酯可以和表面残留的水分反应。

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。

本发明硅橡胶芯片中，高分子化合物的特征是化合物上有氨基、羧基或羟基。化合物可以是中性的，也可以是带电的。中性化合物可以是：纤维素、甲基纤维素、以及它们的衍生物；葡聚糖以及葡聚糖的衍生物；聚乙烯醇及它和聚醋酸乙烯醇酯水解物；聚乙二醇；聚羟乙基丙烯酸甲酯以及其他多羟基化合物。正电性化合物可以是：聚赖氨酸、聚乙烯亚氨以及其他的多氨基化合物。负电化合物可以是：聚丙烯酸和衍生物、硫酸葡聚糖以及其他磺酸类化合物。化合物也可以是混聚物或嵌段聚合物。

表面程序化修饰的硅橡胶芯片可以偶联中性的化合物，用于蛋白质、核酸、细胞的电泳分析，减少生物大分子在硅橡胶表面的吸附。也可以偶联多氨基类化合物，从而让芯片的表面带有正电荷，实现对细胞、蛋白质、核酸的静电吸附，从而在芯片的表面固定化；这些氨基也可以和生物大分子上的氨基或羧基反应，实现对细胞、蛋白质、和核酸，尤其是酶分子共价偶联，从而用于异相免疫分析，固相酶反应，固相核酸杂交分析。

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、金属制成模板，在各种塑料上复制出子板，然后封接成芯片。

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)芯片的表面可以程序化的修饰各种所需的聚合物。

(2)基于(1)，聚合物在芯片的表面可以长期保留，表面的性质稳定持久。

(3)基于(1)，选用不同的聚合物可以随意的调节芯片表面的亲水性、电荷密度、电荷的种类。

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。而在本发明的表面程序化修饰的硅橡胶芯片中，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)以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，选择适合的中性亲水聚合物，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。表面程序化修饰的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，相对与玻璃和石英芯片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。

(4)表面程序化修饰的硅橡胶芯片可以用于微流芯片上集成核酸杂交和蛋白酶解。

氨基或羧基类聚合物修饰的PDMS芯片表面可以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为蛋白电泳分析用PDMS芯片图

图2为碱性蛋白溶菌酶在没有修饰的PDMS芯片上的电泳图

图3为碱性蛋白溶菌酶在聚乙二醇修饰的PDMS芯片上的电泳图

具体实施方式：

实施例1  正电性聚合物聚乙烯亚氨修饰

(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℃在硅模板上聚合两小时即可。按同样的步骤，在平板硅片制成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)甲苯二异氰酸酯的反应。在氮气的保护下，通入10％的甲苯二异氰酸酯的二甲基甲酰胺的溶液，(内加二月桂酸二丁基锡0.1％)，室温反应10分钟，用真空泵抽出残留的溶液，

(4)聚乙烯亚氨的偶联。通入2％聚乙烯亚氨的二甲基甲酰胺溶液，室温下反应10分钟，用真空泵抽出残留的溶液。

(5)电渗流的测定。处理的效果由电渗流反映。用pH2的磷酸缓冲液测定。处理前的芯片的电渗流为0.00005cm.cm/s，处理后的芯片的电渗流反向，电渗流为0.0005cm.cm/s，处理前后的电渗流增加了10倍。

(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天左右，而偶联了聚丙稀亚氨的表面可以维持半各月左右。

实施例2  聚丙烯酸的表面偶联

(1)芯片的制作、等离子处理实施例1相似。

(2)1，6二异氰酸酯正己烷的反应。在氮气的保护下，通入10％1，6二异氰酸酯正己烷的二甲基甲酰胺的溶液，(内加三乙胺0.1％)，室温反应10分钟，用真空泵抽出残留的溶液。

(3)聚丙烯酸的表面偶联。通入1％聚丙烯酸的二甲基甲酰胺溶液50℃下反应10分钟，用真空泵抽出残留的溶液。

(4)芯片的亲水性、处理后的表面的稳定性与实施例1相似。

实施例3  中性聚合物聚乙二醇的修饰

(1)芯片的制作、等离子处理、甲苯二异氰酸酯的反应与实施例1相似。

(2)聚乙二醇的偶联。通入20％的聚乙二醇的二甲基甲酰胺溶液，溶液中添加0.5％二月桂酸二丁基锡，室温下反应30分钟，残留溶液用真空泵抽出。

(3)芯片的亲水性。与处理前的芯片相比，处理后的芯片的亲水性明显增加，但弱与聚乙烯亚氨处理的芯片。

(4)处理后的表面的稳定性。偶联了聚乙二醇的表面可以维持半各月左右。

(5)蛋白质电泳分析。处理后的芯片用于蛋白的电泳分析。处理前的芯片蛋白吸附严重(见图2)，而蛋白在处理后的微流通道内电泳可以获得良好的效果。(见图3)。

实施例4  中性聚合物聚羟乙基丙烯酸甲酯的修饰

(1)芯片的制作、等离子处理、甲苯二异氰酸酯的反应与实施例1相似。

(2)聚羟乙基丙烯酸甲酯的偶联。通入5％的聚羟乙基丙烯酸甲酯的二甲基甲酰胺溶液，溶液中没有催化剂，50℃反应10分钟，残留溶液用真空泵抽出。

(3)芯片的亲水性、处理后的表面的稳定性、蛋白质电泳分析得到与

实施例三相近的效果。

(4)抗蛋白静态吸附。在微流通道内灌入荧光素标记的蛋白溶液，放置10分钟后，用缓冲液冲洗5分钟，修饰后的芯片通道，荧光信号明显弱于未经修饰的微流通道。

实施例5  蛋白质(亲合素)的表面偶联

(1)在芯片表面先偶联正电性聚合物聚乙烯亚氨。

(2)氨基的活化。5％戊二醛pH7硼酸溶液处理芯片1小时。

(3)亲合素的表面偶联。0.1％亲合素pH7硼酸溶液处理芯片1小时。

(4)表面的后处理。用含1％赖氨酸和1％硼氢化钠pH7硼酸溶液处理芯片1小时。

(5)亲合素的表面偶联的效果。用0.01％荧光素标记的生物素冲洗芯片，可以发现表面修饰的表面选择性保留生物素，荧光信号强烈，而未经修饰的通道表面荧光信号很弱。

Claims (10)

1、一种硅橡胶微流控芯片，其特征在于：所述芯片是通过将硅橡胶芯片以异氰酸酯功能试剂作为偶联剂，将各种羟基类、氨基类、羧基类化合物偶联到硅橡胶的表面获得。

2、一种硅橡胶微流控芯片的表明修饰方法，其特征在于：以异氰酸酯功能试剂作为偶联剂，将羟基类、羧基类、或者氨基类化合物偶联到硅橡胶的表面。

3、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述异氰酸酯功能试剂选自2，4-甲苯二异氰酸酯、2，6-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、多亚甲基多苯多异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、萘-1，5二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯之一种或者它们的多聚体以及它们的混合物。

4、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述羟基类化合物是纤维素、甲基纤维素、或者它们的衍生物；葡聚糖、或者葡聚糖的衍生物；聚乙烯醇、或者聚乙烯醇与聚醋酸乙烯醇酯的水解物；聚乙二醇；聚羟乙基丙烯酸甲酯。

5、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述羧基类化合物是聚丙烯酸或者聚丙烯酸的衍生物。

6、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述氨基类化合物是聚赖氨酸或者聚赖氨酸的衍生物、聚乙烯亚氨或者聚乙烯亚氨的衍生物。

7、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述硅橡胶是聚二甲氧基硅烷。

8、按照权利要求2或5所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述羧基进一步与含氨基的化合物偶联。

9、按照权利要求2或6所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：所述氨基进一步与含氨基或羧基的化合物偶联。

10、按照权利要求2所述硅橡胶微流控芯片的表面修饰方法，其特征在于：在偶联前，硅橡胶表面先用等离子体、或者酸进行活化。

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