一種矽橡膠微流控晶片及其表面修飾方法
2023-09-16 09:52:40 5
專利名稱：一種矽橡膠微流控晶片及其表面修飾方法
技術領域：
本發明涉及微全分析技術，特別提供了表面程序化修飾的矽橡膠(PDMS)微流控晶片。
背景技術：
微流控晶片是將樣品的取樣、前處理、進樣、分離、檢測集成在幾平方釐米大小晶片上的技術。也就是分析物質在微流通道中定向的遷移、反應過程，因此必須嚴格地控制微流通道表面的性質，減少分析物在遷移過程中的吸附損失，提供分析物反應的條件。矽片、玻璃、石英是早期的晶片材料，由於它們的材料價格高，製造工藝繁瑣，因此限制了微流控晶片的普及和應用。矽橡膠(PDMS)由於可以利用模板大量複製、價格低廉、製造簡單、工藝成熟，因而收到越來越多的重視。與矽片、石英、玻璃成熟的表面化學修飾相比，矽橡膠的表面化學修飾尚處起步階段。
矽橡膠表面修飾的研究一直是表面化學研究的熱點，特別是在醫用材料方面。紫外誘導接枝是一種比較重要的方法，一般是將待處理的材料用有機溶劑萃取，徹底乾燥，然後浸在一定量高分子單體和光敏劑的混合溶液中，在紫外光的照射下反應幾個小時。這種方法比較繁瑣，表面的粗糙度不可控制。由於微流晶片的透光率比較低，微流通道尺寸小，這種方法在微流通道內應用有一些困難。
等離子體處理也是一種比較常用的方法。等離子處理快速、簡單，但是這種方法處理後的表面性質容易散失，而且通過這種方法可以獲得的表面性質比較有限。
化學氣相沉積也有一些應用。但是這種方法需要比較昂貴的儀器設備，而且需要長期的實驗條件摸索，與紫外誘導接枝相似，這種方法也難以應用在微流通道內。
發明的技術內容本發明的目的在於一種矽橡膠微流控晶片及其表面修飾方法，通過該方法可以使晶片的表面修飾各種所需的聚合物，並且聚合物在晶片的表面可以長期保留，表面的性質穩定持久。通過選用不同的聚合物可以隨意的調節晶片表面的親水性、電荷密度、電荷的種類，以獲得不同的矽橡膠微流控晶片。
本發明提供了一種矽橡膠微流控晶片，其特徵在於所述晶片是通過將矽橡膠晶片以異氰酸酯功能試劑作為偶聯劑，將各種羥基類、羧基類、氨基類化合物偶聯到矽橡膠的表面獲得。
本發明矽橡膠微流控晶片中，晶片的微流通道可以是直線、折線；可以是單根微流通道、也可以是陣列通道。通道的寬度在1微米和1毫米之間，深度在5微米和500微米之間。
本發明還提供了上述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於以異氰酸酯功能試劑作為偶聯劑，將羥基類、羧基類、或者氨基類化合物偶聯到矽橡膠的表面。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，所述異氰酸酯功能試劑是二異氰酸酯或多異氰酸酯，選自2，4-甲苯二異氰酸酯、2，6-甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷-4，4』-二異氰酸酯、1，6-己二異氰酸酯、多亞甲基多苯多異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯、萘-1，5二異氰酸酯、二環己基甲烷二異氰酸酯、四甲基苯二亞甲基二異氰酸酯之一種或者它們的多聚體以及它們的混合物。
偶聯過程在溶劑中進行，使用的溶劑特徵是不含有氨基、羥基或羧基，以避免溶劑與異氰酸酯反應。偶聯劑的濃度在0.01到10摩爾每升。
與羥基化合物反應中可以添加0.01％到10％的催化劑叔胺催化劑(例如四甲基丁二胺，三亞乙基二胺)、有機金屬化合物催化劑(例如辛酸亞錫，二月桂酸二丁基錫)。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，所述羥基類化合物可以是纖維素、甲基纖維素、或者它們的衍生物；葡聚糖、或者葡聚糖的衍生物；聚乙烯醇、或者聚乙烯醇與聚醋酸乙烯醇酯的水解物、聚乙二醇、聚羥乙基丙烯酸甲酯。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，所述羧基類化合物可以是聚丙烯酸或者聚丙烯酸的衍生物。還可以進一步與含氨基的化合物偶聯。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，所述氨基類化合物可以是聚賴氨酸或者聚賴氨酸的衍生物、聚乙烯亞氨或者聚乙烯亞氨的衍生物。還可以進一步與含氨基或羧基的化合物偶聯。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，所述矽橡膠最好是聚二甲氧基矽烷。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法中，在偶聯前，矽橡膠表面可以先用等離子體、或者酸進行活化。等離子體的氣源可以是氧、氮、氫、空氣、以及他們的混合氣，活化的時間1秒到30分鐘之間；酸的濃度在0.1到10摩爾每升，活化的時間1分鐘到10小時。活化後的晶片表面有羥基、氨基或羧基產生。晶片的表面也可以不活化，二異氰酸酯可以和表面殘留的水分反應。
本發明矽橡膠微流控晶片的製備過程中，微流晶片的模板可以出自以下任意一種材料矽片、石英、玻璃、光敏化合物(SU-8)、矽橡膠(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等其他高分子化合物。矽橡膠晶片的底片可以是以下任意一種材料矽橡膠、玻璃、石英、矽片、PMMA、PC以及其他聚合物。
本發明矽橡膠晶片中，高分子化合物的特徵是化合物上有氨基、羧基或羥基。化合物可以是中性的，也可以是帶電的。中性化合物可以是纖維素、甲基纖維素、以及它們的衍生物；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；聚羥乙基丙烯酸甲酯以及其他多羥基化合物。正電性化合物可以是聚賴氨酸、聚乙烯亞氨以及其他的多氨基化合物。負電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類化合物。化合物也可以是混聚物或嵌段聚合物。
表面程序化修飾的矽橡膠晶片可以偶聯中性的化合物，用於蛋白質、核酸、細胞的電泳分析，減少生物大分子在矽橡膠表面的吸附。也可以偶聯多氨基類化合物，從而讓晶片的表面帶有正電荷，實現對細胞、蛋白質、核酸的靜電吸附，從而在晶片的表面固定化；這些氨基也可以和生物大分子上的氨基或羧基反應，實現對細胞、蛋白質、和核酸，尤其是酶分子共價偶聯，從而用於異相免疫分析，固相酶反應，固相核酸雜交分析。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法的基本過程是圖案經計算機輔助設計後列印，製成擋板，然後在玻璃或石英上直接腐蝕成型，封接製成晶片；也可以用矽片、玻璃、石英、金屬製成模板，在各種塑料上複製出子板，然後封接成晶片。
本發明矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法具有以下優點(1)晶片的表面可以程序化的修飾各種所需的聚合物。
(2)基於(1)，聚合物在晶片的表面可以長期保留，表面的性質穩定持久。
(3)基於(1)，選用不同的聚合物可以隨意的調節晶片表面的親水性、電荷密度、電荷的種類。
另外，經本發明表面修飾方法修飾的矽橡膠晶片，至少具有以下方面的優點(1)表面親水化，減少氣泡的產生。
一般的水溶液不能浸潤疏水性的晶片表面，晶片的表面總是殘留有一層氣泡，這些氣泡對晶片上的操作極為不利，如果這些氣泡在電泳時進入溶液，則會降低分離效率、甚至阻斷電流。而在本發明的表面程序化修飾的矽橡膠晶片中，晶片表面的親水性增強，晶片的表面可以和溶液充分的浸潤，減少了以上情況的發生。
(2)以減少生物大分子尤其是蛋白質在晶片的表面的吸附。
蛋白質在晶片的微流控通道內的轉運和分離是生化分析中經常面對的問題，蛋白質在疏水性的表面吸附非常嚴重，這樣會降低蛋白質轉移的效率，殘留在晶片表面的蛋白質甚至會造成對其他生物樣品的汙染。表面的吸附會嚴重的降低分離的效率，選擇適合的中性親水聚合物，可以大大的降低吸附，提高分離的效率。
(3)表面修飾的矽橡膠晶片可以降低微流控系統的成本。
現在大量使用的微流控晶片主要是玻璃和石英材料的，由於PDMS的表面極大的疏水性和對生物分子的吸附，實際應用極少。表面程序化修飾的矽橡膠晶片可以增加親水性，減少分析物的吸附所以可以在實際中應用，相對與玻璃和石英晶片PDMS晶片的造價極低，而且可以大量複製，因此可以大大的降低微流控分析的成本。
(4)表面程序化修飾的矽橡膠晶片可以用於微流晶片上集成核酸雜交和蛋白酶解。
氨基或羧基類聚合物修飾的PDMS晶片表面可以偶聯氨基化修飾的核酸分子，如果將含有特定的核酸片段的溶液流入，就可以微流通道內實現核酸分子的雜交識別，從而對核酸分子進行定性和定量。如果在晶片的表面偶聯酶分子，就可以在微流通道內對蛋白質酶解，如果與分析相結合，就可以實現蛋白質的肽譜分析。
圖1為蛋白電泳分析用PDMS晶片2為鹼性蛋白溶菌酶在沒有修飾的PDMS晶片上的電泳3為鹼性蛋白溶菌酶在聚乙二醇修飾的PDMS晶片上的電泳圖
具體實施例方式實施例1 正電性聚合物聚乙烯亞氨修飾(1)製作晶片。製作如圖1所示的晶片，CAD繪製掩模，高精度印表機列印在PMMA薄膜上，然後對塗有正膠的矽片感光，顯影，刻蝕後成模板，道康寧公司Sylgard 184膠按10∶1混合，80℃在矽模板上聚合兩小時即可。按同樣的步驟，在平板矽片製成PDMS平板。
(2)等離子處理。PDMS晶片和PDMS的底板在等離子體中處理10分鐘，實現不可逆封接，製成封閉的PDMS微通道。
(3)甲苯二異氰酸酯的反應。在氮氣的保護下，通入10％的甲苯二異氰酸酯的二甲基甲醯胺的溶液，(內加二月桂酸二丁基錫0.1％)，室溫反應10分鐘，用真空泵抽出殘留的溶液，(4)聚乙烯亞氨的偶聯。通入2％聚乙烯亞氨的二甲基甲醯胺溶液，室溫下反應10分鐘，用真空泵抽出殘留的溶液。
(5)電滲流的測定。處理的效果由電滲流反映。用pH2的磷酸緩衝液測定。處理前的晶片的電滲流為0.00005cm.cm/s，處理後的晶片的電滲流反向，電滲流為0.0005cm.cm/s，處理前後的電滲流增加了10倍。
(6)晶片的親水性。處理前的晶片不能被水浸潤，溶液不能自動充滿微流控通道。處理後的晶片的親水性明顯增強，溶液可以自動充滿微流通道。
(7)處理後的表面的穩定性。與等離子體處理的晶片表面相比，表面的穩定性大大增加。等離子體處理的效果大約可以維持1天左右，而偶聯了聚丙稀亞氨的表面可以維持半各月左右。
實施例2 聚丙烯酸的表面偶聯(1)晶片的製作、等離子處理實施例1相似。
(2)1，6二異氰酸酯正己烷的反應。在氮氣的保護下，通入10％1，6二異氰酸酯正己烷的二甲基甲醯胺的溶液，(內加三乙胺0.1％)，室溫反應10分鐘，用真空泵抽出殘留的溶液。
(3)聚丙烯酸的表面偶聯。通入1％聚丙烯酸的二甲基甲醯胺溶液50℃下反應10分鐘，用真空泵抽出殘留的溶液。
(4)晶片的親水性、處理後的表面的穩定性與實施例1相似。
實施例3 中性聚合物聚乙二醇的修飾(1)晶片的製作、等離子處理、甲苯二異氰酸酯的反應與實施例1相似。
(2)聚乙二醇的偶聯。通入20％的聚乙二醇的二甲基甲醯胺溶液，溶液中添加0.5％二月桂酸二丁基錫，室溫下反應30分鐘，殘留溶液用真空泵抽出。
(3)晶片的親水性。與處理前的晶片相比，處理後的晶片的親水性明顯增加，但弱與聚乙烯亞氨處理的晶片。
(4)處理後的表面的穩定性。偶聯了聚乙二醇的表面可以維持半各月左右。
(5)蛋白質電泳分析。處理後的晶片用於蛋白的電泳分析。處理前的晶片蛋白吸附嚴重(見圖2)，而蛋白在處理後的微流通道內電泳可以獲得良好的效果。(見圖3)。
實施例4 中性聚合物聚羥乙基丙烯酸甲酯的修飾(1)晶片的製作、等離子處理、甲苯二異氰酸酯的反應與實施例1相似。
(2)聚羥乙基丙烯酸甲酯的偶聯。通入5％的聚羥乙基丙烯酸甲酯的二甲基甲醯胺溶液，溶液中沒有催化劑，50℃反應10分鐘，殘留溶液用真空泵抽出。
(3)晶片的親水性、處理後的表面的穩定性、蛋白質電泳分析得到與
(4)抗蛋白靜態吸附。在微流通道內灌入螢光素標記的蛋白溶液，放置10分鐘後，用緩衝液衝洗5分鐘，修飾後的晶片通道，螢光信號明顯弱於未經修飾的微流通道。
實施例5 蛋白質(親合素)的表面偶聯(1)在晶片表面先偶聯正電性聚合物聚乙烯亞氨。
(2)氨基的活化。5％戊二醛pH7硼酸溶液處理晶片1小時。
(3)親合素的表面偶聯。0.1％親合素pH7硼酸溶液處理晶片1小時。
(4)表面的後處理。用含1％賴氨酸和1％硼氫化鈉pH7硼酸溶液處理晶片1小時。
(5)親合素的表面偶聯的效果。用0.01％螢光素標記的生物素衝洗晶片，可以發現表面修飾的表面選擇性保留生物素，螢光信號強烈，而未經修飾的通道表面螢光信號很弱。
權利要求
1.一種矽橡膠微流控晶片，其特徵在於所述晶片是通過將矽橡膠晶片以異氰酸酯功能試劑作為偶聯劑，將各種羥基類、氨基類、羧基類化合物偶聯到矽橡膠的表面獲得。
2.一種矽橡膠微流控晶片的表明修飾方法，其特徵在於以異氰酸酯功能試劑作為偶聯劑，將羥基類、羧基類、或者氨基類化合物偶聯到矽橡膠的表面。
3.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述異氰酸酯功能試劑選自2，4-甲苯二異氰酸酯、2，6-甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷-4，4』-二異氰酸酯、1，6-己二異氰酸酯、多亞甲基多苯多異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、苯二亞甲基二異氰酸酯、萘-1，5二異氰酸酯、二環己基甲烷二異氰酸酯、四甲基苯二亞甲基二異氰酸酯之一種或者它們的多聚體以及它們的混合物。
4.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述羥基類化合物是纖維素、甲基纖維素、或者它們的衍生物；葡聚糖、或者葡聚糖的衍生物；聚乙烯醇、或者聚乙烯醇與聚醋酸乙烯醇酯的水解物；聚乙二醇；聚羥乙基丙烯酸甲酯。
5.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述羧基類化合物是聚丙烯酸或者聚丙烯酸的衍生物。
6.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述氨基類化合物是聚賴氨酸或者聚賴氨酸的衍生物、聚乙烯亞氨或者聚乙烯亞氨的衍生物。
7.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述矽橡膠是聚二甲氧基矽烷。
8.按照權利要求2或5所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述羧基進一步與含氨基的化合物偶聯。
9.按照權利要求2或6所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於所述氨基進一步與含氨基或羧基的化合物偶聯。
10.按照權利要求2所述矽橡膠微流控晶片的表面修飾方法，其特徵在於在偶聯前，矽橡膠表面先用等離子體、或者酸進行活化。
全文摘要
一種矽橡膠微流控晶片，是通過將矽橡膠晶片以異氰酸酯功能試劑作為偶聯劑，將各種羥基類、氨基類、羧基類化合物偶聯到矽橡膠的表面獲得。晶片的表面可以修飾各種所需的聚合物，並且聚合物在晶片的表面可以長期保留，表面的性質穩定持久。通過選用不同的聚合物可以隨意的調節晶片表面的親水性、電荷密度、電荷的種類，以獲得不同的矽橡膠微流控晶片。
文檔編號G01N33/50GK1627069SQ20031011903
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月11日 優先權日2003年12月11日
發明者吳大鵬, 林炳承 申請人:中國科學院大連化學物理研究所