WO2017031682A1 - 一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用 - Google Patents

一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用 Download PDF

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张永卫
倪鸣
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Abstract

一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用。该玻璃片的至少一个表面进行-OH修饰为结构如式I所示的基团；式I中，n为1-11的正整数，m为正整数。该玻璃片应用于制备流动池。该玻璃片的制备方法，包括如下步骤，采用气相沉积或溶液浸润的方法，将玻璃片表面与结构式如式III所示的硅烷偶联剂反应，得到该表面修饰的玻璃片；式III中，n为1-11的正整数，X为氯、甲氧基或乙氧基。该表面修饰的玻璃片应用于制备流动池，以减少玻璃片表面的气泡和保持流道液面的均匀性。

Description

一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用 技术领域
本发明涉及一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用，属于生化材料领域。
背景技术
流动池是为检测一些生物信号(光、电)所做的生化反应的载体。它包括：流式细胞仪的流动池、微流控芯片或测序仪芯片等等。其中，测序仪芯片作为生物芯片的一种，对内部液体的流动性和气泡占比都有一些特殊要求。为了保证待测物的均匀分布和试剂的均匀流入，需保持测序仪芯片的玻璃片不能过于亲水，否则液体在负压的作用下会随机选择流道一侧通过，无法保证测序信号的均匀性。同时，如果过于疏水，会导致气泡停留在进液口和密封胶上，导致大量气泡停留，占用了测序的有用区域，降低了测序通量。因此，测序仪芯片的玻璃片的表面处理需要兼顾流动性和气泡问题。同时所用的表面处理原料需要具有生物惰性，不能粘附待测物，不能与所用试剂反应、产生杂质。采用硅烷做气相沉积可以很好地解决上述生物惰性的问题，硅烷具备Si-Cl、Si-O-Et、Si-O-Me这样的活性基团(又称水解基团)作为接头，活性基团水解时即生成硅醇(Si(OH)3)，可以在末端与玻璃片表面的Si-OH基团反应，产生较稳定的Si-O-Si键，硅烷另一端不同的基团表现出不同的活性，使处理后的玻璃片具备不同的表面能。在表面修饰领域这种方法叫做自组装单分子层(self-assembled monolayers)。不同的硅烷由于具备不同的表面能，从而具备不同的接触角，并且它们的蒸汽压、毒性也会有所不同，所以不是所有的硅烷都能采用气相沉积法对玻璃表面进行修饰。
发明公开
本发明的目的是提供一种表面修饰的玻璃片及其制备方法与应用，本发明表面修饰的玻璃片的接触角为60～80度，制备的流动池(具体如测序仪芯片)在使用时能减少玻璃片表面的气泡和保持流道液面的均匀性，以 保证测序的进程。
本发明提供的表面修饰的玻璃片，该玻璃片的至少一个表面进行-OH修饰为结构如式Ⅰ所示的基团；
Figure PCTCN2015087991-appb-000001
所述式Ⅰ中，n为1～11的正整数，m为正整数。
本发明中，式Ⅰ中通过氧原子与所述玻璃片中硅原子形成Si-O-Si键(硅氧键)，如式Ⅰ所示的基团是相同的分子间形成Si-O-Si键(硅氧键)，在所述玻璃片表面上形成单分子层的结构；可以只对所述玻璃片用于测序仪芯片的内面进行修饰，一般为了制备的方便，可将所述玻璃片的两面一起修饰。
上述的玻璃片中，所述式Ⅰ中，n为11的正整数，其结构如式Ⅱ所示。
Figure PCTCN2015087991-appb-000002
上述的玻璃片中，所述表面修饰的玻璃片的接触角为60～80度。
上述的玻璃片中，所述表面修饰的玻璃片的接触角优选为66～68度，以使制备流动池(如实施例中的测序仪芯片)在使用抽液的过程中，减少玻璃片表面的气泡和保持流道液面的均匀性。
本发明表面修饰的玻璃片应用于制备流动池。
本发明表面修饰的玻璃片应用于制备测序仪芯片；本发明表面修饰的玻璃片，修饰后得到接触角为60～80度(优选66～68度)，使测序仪芯片在使用时减少玻璃片表面的气泡和保持流道液面的均匀性，以保证测序的 进程。
本发明还提供了所述表面修饰的玻璃片的制备方法，包括如下步骤：采用气相沉积或溶液浸润的方法，将玻璃片表面与结构如式Ⅲ所示的硅烷偶联剂反应，即得到所述表面修饰的玻璃片；
Figure PCTCN2015087991-appb-000003
所述式Ⅲ中，n为1～11的正整数，X为氯、甲氧基或乙氧基。
上述的方法中，采用所述气相沉积方法反应的温度为室温，压力为0.1～4Torr，具体可为4Torr；
所述反应的时间可为40～120min，具体可为60min。
本发明中，所述“室温”指的是本领域人员公知的常识，一般为10～30℃；
所述硅烷偶联剂的用量为过量，即本领域人员公知的用量。
上述的方法中，所述式Ⅲ中，n为11，X为氯，其结构如式Ⅳ所示，即11-氰基十一烷基三氯硅烷(简称CUTS)；具体可为购于Gelest公司，商品目录号为724460-16-6，所述反应结束后将修饰的玻璃片泡入水中，将表面未与玻璃片反应的CUTS除去。
Figure PCTCN2015087991-appb-000004
本发明中，硅烷偶联剂在玻璃片表面反应的机理如下：所述硅烷偶联剂(式Ⅲ)与空气中的水反应，所述硅烷偶联剂中Si-X键水解生成硅氧烷(含Si-OH键)和HCl；水解生成的Si-OH与玻璃片表面的Si-OH中羟基脱水反应，同时硅氧烷分子间脱水，形成致密的单分子层。采用气相沉积方法，用CUTS修饰玻璃片的制备步骤如下：将CUTS和矿物油混合，放在真空反应器底部，玻璃片置于混合物上方，在室温时，将真空反应器内压强抽至4Torr，CUTS沉积在玻璃片表面形成一层致密的单分子层，即得到所述表面修饰的玻璃片；其制备的反应机理如图1所示。
本发明中所述式Ⅲ所示的硅烷偶联剂应用于修饰流动池的玻璃片。
本发明中所述式Ⅲ所示的硅烷偶联剂应用于修饰测序仪芯片的玻璃片。
本发明中所述式Ⅳ所示的硅烷偶联剂应用于修饰流动池的玻璃片。
本发明中所述式Ⅳ所示的硅烷偶联剂应用于修饰测序仪芯片的玻璃片。
附图说明
图1是本发明实施例1中使用CUTS修饰玻璃片表面的反应机理流程图。
图2是玻璃片表面接触角对流道内液体的流动性影响的示意图，其中，图2(a)为接触角0度时液体展开，图2(b)为接触角60度时液体部分浸润，图2(c)为接触角90度时玻璃片表面开始拒水，图2(d)为接触角120度时玻璃片表面最佳拒水，图2(e)为接触角180度时为理想状态。
图3是使用本发明修饰后的玻璃片表面的接触角为68度时两个流道的测试图。
图4是本发明采用的Nalgene干燥器。
图5是使用本发明修饰后的玻璃片与FDTS修饰的玻璃片使用后的图片，其中图5(a)为使用本发明修饰后的玻璃片，图5(b)为FDTS修饰的玻璃片。
实施发明的最佳方式
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中，轻质矿物油购于Fisher Scientific公司，商品目录号为8042-47-5；CUTS购于Gelest公司，商品目录号为724460-16-6。
实施例1、用于测序仪芯片的玻璃片
利用Nalgene干燥器(如图4所示)作为气相沉积的反应器，打开Nalgene干燥器腔体，根据表面的粗糙程度，在腔体和盖子的表面涂抹真空密封油，并在腔体的底部放一个称量船。在通风橱中将10mL轻质矿物油倒入15mL离心管中。用1000μL移液枪吸取200μL CUTS(过量使用)，滴入离心管中，盖好离心管的盖子，反复摇动离心管至充分混合。将混合物倒入称量船。将40片玻璃片篮摆在称量船上方的架子上，盖好腔 体盖子，将腔内压力抽至由760Torr抽至4Torr，达到此压力后，关闭真空泵，反应的温度为25℃，等待腔内压力缓慢上升，60分钟后由4Torr上升到7Torr，气相沉积过程结束。此时，打开氮气阀，向腔内充入氮气，腔内压力缓慢升高到大气压。待腔内外气压平衡后打开腔体盖子。取出玻璃片篮，放入去离子水中浸泡3min，用离心机甩干或用氮气枪吹干，即得到本发明用于测序仪芯片的玻璃片。每个液滴设置为0.4μL，利用设备VCA Optima，测得本发明用于测序仪芯片的玻璃片接触角的范围为66～68°，干燥过夜(12h)后，用于测序仪芯片的组装。
如图2所示为玻璃片表面接触角对流道内液体的流动性影响，证明本发明表面修饰的玻璃片66～68°的接触角属于部分湿润状态，与未修饰的玻璃片表面的接触角20～30°相比，本发明表面修饰的玻璃片表面液体不容易被冲走，又能兼顾液体的流动性。如图3所示，为本发明表面修饰的玻璃片测试液面的流动性的效果图，在负压的作用下，液体会延负压的方向前进，前进的液面较均匀。
如图5所示，本发明中CUTS修饰的玻璃片与FDTS(结构式为式Ⅴ)修饰的玻璃片分别制备成测序仪的芯片，使用情况对比：
在测序时，每个测序循环可测得一个点上的碱基，而芯片上是点阵，所以一个测序循环可测点阵上每一个点的碱基。一般一次测序会有几十个测序循环，就能把点阵上每一个点的连续几十个碱基测出来，后续通过算法可以把这些数据整合拼接，形成需要的基因组。在测试抽液的相同测序循环(20圈)条件下，CUTS修饰的芯片相对于FDTS修饰过的芯片，几乎没有气泡；FDTS修饰过的芯片中出现了很多的气泡。
Figure PCTCN2015087991-appb-000005
工业应用
本发明硅烷偶联剂(具体可为CUTS)进行修饰的玻璃表面具有生物惰性和稳定性，不会与很多试剂反应，是一种可靠的惰性表面修饰。本发明修饰后的玻璃片得到的接触角60～80度范围内，在使用本发明表面修饰的玻璃片制备的流动池时能减少玻璃片表面的气泡和保持流道液面的均匀 性。用本发明制备的测序仪芯片在抽液的过程中能保证流道液面的均匀性，减少气泡，液体通过时能实现对芯片全面地覆盖，也能使每次抽液后完全替换掉上一轮的液体，能完全反应，不影响芯片内的生化反应。

Claims (13)

  1. 一种表面修饰的玻璃片，其特征在于：该玻璃片的至少一个表面进行-OH修饰为结构如式Ⅰ所示的基团；
    Figure PCTCN2015087991-appb-100001
    所述式Ⅰ中，n为1～11的正整数，m为正整数。
  2. 根据权利要求1所述的玻璃片，其特征在于：所述式Ⅰ中，n为11的正整数，其结构如式Ⅱ所示。
    Figure PCTCN2015087991-appb-100002
  3. 根据权利要求1所述的玻璃片，其特征在于：所述表面修饰的玻璃片的接触角为60～80度。
  4. 根据权利要求3所述的玻璃片，其特征在于：所述表面修饰的玻璃片的接触角为66～68度。
  5. 权利要求1-4中任一项所述表面修饰的玻璃片在制备流动池中的应用。
  6. 根据权利要求5所述应用，其特征在于：所述流动池为测序仪芯片。
  7. 权利要求1-4中任一项所述的玻璃片的制备方法，包括如下步骤：采用气相沉积或溶液浸润的方法，将玻璃片表面与结构如式Ⅲ所示的硅烷偶联剂反应，即得到所述表面修饰的玻璃片；
    Figure PCTCN2015087991-appb-100003
    Figure PCTCN2015087991-appb-100004
    所述式Ⅲ中，n为1～11的正整数，X为氯、甲氧基或乙氧基。
  8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于：采用所述气相沉积方法反应的温度为室温，压力为0.1～4Torr；
    所述反应的时间为40～120min。
  9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述式Ⅲ中，n为11，X为氯，其结构如式Ⅳ所示。
    Figure PCTCN2015087991-appb-100005
  10. 所述式Ⅲ所示的硅烷偶联剂在修饰流动池的玻璃片中的应用。
  11. 根据权利要求10所述的应用，其特征在于：所述流动池为测序仪芯片。
  12. 所述式Ⅳ所示的硅烷偶联剂在修饰流动池的玻璃片中的应用。
  13. 根据权利要求12所述的应用，其特征在于：所述流动池为测序仪芯片。
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