在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片的製作方法

2023-05-02 10:35:46

專利名稱：：在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片的製作方法
技術領域：
：本發明涉及微流控領域，特別涉及一種有效抑制微流道中電滲流的微流控晶片，尤指一種在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片。可平衡、減少或抑制微流道材料表面所帶負電荷從而抑制微流道內發生的電滲流，可應用於蛋白質分析分離、DNA分離等領域。
背景技術：
：電滲流是由於微流道材料表面帶負電荷，當電場加在流體上時，靜電荷被庫侖力驅動而造成的流體流動。在微流控晶片中，抑制電滲流可提高分離的效率、重現性和分離度。而在電滲泵等應用領域，增加電滲流則可提高泵性能，有助於電泳分離、色譜分析。近年來，微流控晶片發展迅速，在醫療、國防、製藥、生物化學分析等領域得到廣泛應用。研究表明聚電解質刷修飾的微流道表面可實現電滲流調控。研究發現，在垂直電場和橫向電場的作用下，不同的接枝密度、不同聚合度以及不同的電場強度，會引起聚電解質刷構象的變化，可以達到調控電滲流的目的(參見:QianqianCao,ChunchengZuo,LujuanLi，YinheZhang,Modulationofelectroosmoticflowbyelectricfield-responsivepolyelectrolytebrushes:amoleculardynamicstudy,MicrofIuidNanofluid，2012，12，649-655;QianqianCaojChunchengZuojLUjuanLi，YinheZhang,GuangYanjElectro-osmoticFlowinNanochannelswithVoltage-ControlledPolyelectrolyteBrushes:DependenceonGraftingDensityandNormalElectricField,PolymerPhysics,2012，50，805-811;ZhaoZhang,ChunchengZuojQianqianCaojYanhongMajShuqingChen,ModulationofElectroosmoticFlowUsingPolyelectrolyteBrushes:AMolecularDynamicsStudy,Macromolecularj2012，21，145-152)。此夕卜，中性聚合物刷在不同溶劑條件下也可對微流道中電滲流有影響(參見:QianqianCao,ChunchengZuo，LujuanLi，YanhongMajNanlijElectroosmoticflowinananofluidicchannelcoatedwithneutralpolymers,MicrofluidNanofluid，2010，9，1051—1062;QianqianCaojChunchengZuojLujuanLi，YangYang,NanLi，Controllingelectroosmoticflowbypolymercoating:adissipativeparticledynamicsstudy,MicrofluidNanofluidj2011，10，977-990)。以上研究表明微流道表面接枝聚合物刷可以增加電滲流，還未見抑制電滲流的報導。常用毛細管電泳分離抑制電滲的研究主要有:MilosV.Novotny等人通過在含有娃的毛細管壁上接枝中性聚合物塗層抑制電滲流(參見:Novotnyetal.SuppressionofElectroosmosiswithHydrolyticallyStableCoatings:UnitedStates,5074982.[P].1991-12-24)。2010年，R.J.Messinger等人在《PhysicalReviewLetters))中發表的《SuppressionofElectro-OsmoticFlowbySurfaceRoughness》中，通過改變微流道表面的粗糙度的方法，達到了抑制電滲流的效果。Dolnlk等採用相似的方法，將不同聚合度的硼酸吸附到流道表面，可以有效抑制Zeta電動勢，從而達到抑制電滲流的目的(參見:Dolniketal.SeparationMediumforCapillaryElectrophoresisSuppressingElectroosmoticFlowinBareCapillariesandChannels:UnitedStates,2013/0001084Al.[P],2013-1-3)。上述方法的確能夠在一定程度上抑制電滲流，但是對微流道內材料表面改性及電場參數控制較為複雜，當外加電場改變時無法自動調節電滲流抑制程度。所以，目前亟需一種能夠自適應外加電場的有效抑制微流道內電滲流的微流控晶片。如果能夠行之有效的抑制電滲流，將對蛋白質分離、分析，DNA分離等應用領域起到重要的推動作用。
發明內容本發明的目的在於提供一種在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，解決了現有技術存在的電滲流抑制方法操作困難、精確度低、對電場強度等方面要求苛刻等問題。本發明是一種自適應外加電場的有效抑制電滲流的微流控晶片，通過在微流道內表面接枝聚電解質刷抑制電滲流，具有精度高、可控性強和結構簡單等優點。本發明的上述目的通過以下技術方案實現:在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，包括樣體進入單元、狹縫流道單元、樣體排出單元及驅動電場，所述樣體進入單元包括進樣池I及入口流道2，所述入口流道2兩端分別與進樣池I和狹縫流道3相連；所述狹縫流道單元包括狹縫流道3及聚電解質刷4，所述狹縫流道3兩端分別與入口流道2和出口流道5相連，所述狹縫流道3的流道表面帶有功能性基團，可以接枝聚電解質刷4，所述聚電解質刷4帶有陽離子，並可以通過物理吸附法或化學鍵合法接枝在狹縫流道3的流道表面；所述樣體排出單元包括出口流道5及廢液池6，所述出口流道5分別與狹縫流道3和廢液池6相連；所述驅動電場是在平行於狹縫流道3方向施加的均勻電場7。所述的入口流道2的長度4=15-10;,寬度^=50-200/^2。所述的狹縫流道3的長度I2=0.15~1.50勝2,寬度W2=0.03~3.5鄉。所述的出口流道5的長度^=0.15~1.50臟，出口流道5的寬度=0.03~3.5辦。所述的狹縫流道3內表面材料為石墨烯、矽晶片、石英石、鋁、金、玻璃、天然橡膠、炭黑、環氧樹脂或聚二甲基矽氧烷。所述的用於修飾狹縫流道3表面的聚電解質刷4為帶有陽離子的聚電解質刷，具體為聚2-乙烯基吡啶、丁基橡膠、聚乙烯醇、聚乙烯基乙酸酯、甲基苯丙胺、丙烯酸樹脂、聚甲氧基乙醚、聚環氧乙烷、聚硫化環丙烷、聚4-甲氧基蘇合香稀、聚2-甲基-1-丙烯、聚1，3二氧戊環、聚異丁烯、聚a-烯烴、聚烷基乙烯基醚、聚三苯甲基正碳離子、聚丙烯醯胺、聚甲基丙烯醯胺、聚乙酸乙烯酯、聚N-乙烯基、聚甲基氧基乙基丙烯酸或聚十六烷基二甲基氯化銨。所述的物理吸附法是指通過聚電解質刷末端功能基團與基板表面吸附。所述的化學鍵合法包括接枝到表面(graftto)和從表面接枝(graftfrom),接枝到表面指將已合成的具有功能基團的聚電解質刷同改性後的有反應性的微流道表面發生反應，從表面接枝指在微流道表面製備活性功能基團，通過縮合反應形成引發劑單分子層，並在引發劑的作用下，單體在微流道表面形成聚合物。所述的聚電解質刷4接枝於狹縫流道3表面的接枝密度Pe=0.03~0.4σ-2。所述的均勻電場7的強度5=75000~15000CT/c。本發明中，流體從進樣池I進入微流控晶片，經過入口流道2到達狹縫流道3。在狹縫流道3中，通過外加均勻電場力與狹縫流道3內表面附近的帶電離子的交互作用，在微流道表面形成雙電層，產生驅動力，驅動狹縫流道3中的流體流動。由於聚電解質刷4帶有陽離子，使狹縫流道3表面電荷得到平衡，減少或抑制。在均勻電場7作用下，狹縫流道3表面的聚電解質刷4沿電場方向有一定程度的伸展，隨著電場強度逐漸的增大，聚電解質刷4伸展程度增大，起到阻礙流體通過，抑制電滲流的作用。因此，通過控制電場強度，能夠有效控制聚電解質刷4高度以及聚電解質刷4與流道表面形成的傾角，從而定量的控制流道中流體的流量。而後，流體進入出口流道5，最後流入廢液池6。本發明的有益效果在於:可大大提高微流道內流體流量的控制精度，自適應不同電場強度、不同接枝密度、不同微流道尺寸條件下流場的情況；降低了目前電滲流抑制結構的複雜性、操作的困難性，且具有結構簡單、精度高和可控性強等優點。此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。圖1是本發明的基本結構示意圖。圖2是本發明狹縫流道的具體結構示意圖。圖3是本發明狹縫流道中各組份粒子效果圖。圖4是本發明狹縫流道中不同聚電解質刷接枝密度情況下，流道內流體速度曲線圖。圖5是本發明狹縫流道中不同聚電解質刷接枝密度情況下，流道內聚電解質刷單體密度曲線圖。圖中:1、進樣池；2、入口流道；3、狹縫流道；4、聚電解質刷；5、出口流道；6、廢液池；7、均勻電場；8、流體粒子。具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式。參見圖1所示，本發明的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，包括依次連通的進樣池1、入口流道2、狹縫流道3、出口流道5、廢液池6，在狹縫流道3中流道表面通過物理吸附或化學鍵合的方法，接枝帶有陽離子的聚電解質刷4，在平行於流道方向施加均勻電場7以驅動流體流動。所述的入口流道2的長度I1=1.5~IOmm,寬度W1=50~200辦？。所述的狹縫流道3的長度^=0.151.50mm，寬度W2=0.03~3,5。所述的出口流道5的長度I3=0.15~1.50鮮《，寬度％=0.03~3.5#。所述的狹縫流道3表面帶有表面功能性基團，可以接枝聚電解質刷。微流道內表面材料為石墨烯、矽晶片、石英石、鋁、金、玻璃、天然橡膠、炭黑、環氧樹脂或聚二甲基矽氧燒。所述的用於修飾狹縫流道3表面的聚電解質刷4為帶有陽離子的聚電解質刷，具體為聚2-乙烯基吡啶、丁基橡膠、聚乙烯醇、聚乙烯基乙酸酯、甲基苯丙胺、丙烯酸樹脂、聚甲氧基乙醚、聚環氧乙烷、聚硫化環丙烷、聚4-甲氧基蘇合香稀、聚2-甲基-1-丙烯、聚1，3二氧戊環、聚異丁烯、聚a-烯烴、聚烷基乙烯基醚、聚三苯甲基正碳離子、聚丙烯醯胺、聚甲基丙烯醯胺、聚乙酸乙烯酯、聚N-乙烯基、聚甲基氧基乙基丙烯酸或聚十六烷基二甲基氯化銨。所述的聚電解質刷4，將其接枝到狹縫流道3表面，所採用的接枝方法包括物理吸附法和化學鍵合法。其中物理吸附法是通過聚電解質刷末端功能基團與微流道表面通過物理作用進行吸附；化學鍵合法包括接枝到表面(graftto)和從表面接枝(graftfrom),前者是將已合成的具有功能基團的聚電解質刷同改性後的有反應性的微流道表面發生反應，後者是在微流道表面製備活性功能基團，通過縮合反應形成引發劑單分子層，並在引發劑的作用下，單體在微流道表面形成聚合物。參見圖2所示，所述的聚電解質刷4接枝於狹縫流道3，應控制其表面接枝密度Ps=0.030.4σ_2,其中ps為接枝度，即單位面積上聚電解質刷的個數，￡j.為理論研究中LJ勢能長度參數。此時，由於位阻效應，聚電解質刷之間會為了避免重疊，會由末端向與流道垂直方向伸展。所施加電場方向為平行於狹縫流道3方向，且為均勻電場，強度為E=75000-\5mmvfcm，既確保外加電場能夠有效驅動流體，又避免外加電場將聚電解質刷單體間連接的化學鍵拉斷。實施例1:參見圖1所示，本發明包括進樣池1、入口流道2、狹縫流道3、聚電解質刷4、出口流道5、廢液池6、平行於流道方向的均勻電場7。設定各流道尺寸如下:入口流道2的長度4=傲,入口流道2的寬度W1=150^,狹縫流道3的長度4=1.45.,狹縫流道3的寬度W2=3.0μιη,出口流道5的長度I3=1.3w，出口流道5的寬度％=150辦。在本發明中，狹縫流道3表面含有矽晶體材料。用活性自由基法製備以羥基為終端的聚乙烯醇(PVA)。聚電解質刷4終端的羥基與矽晶片上的矽醇基反應合成聚電解質刷。接枝密度分別取Pg=0.03a4cr_2,PgO3=O代表沒有聚電解質刷作用。並在與流道平行的方向施加均勻電場7,電場強度為7500CT/COT。狹縫流道3中的流體粒子8包括陰離子、陽離子、以及水分子。圖2及圖3所示為微流控晶片中電滲流在狹縫流道3中各組分的示意圖。圖4所示為接枝密度分別為Oi0.03,0.1,0.13σ_2時,微流控晶片中狹縫流道3流體速度曲線，其中電場強度為75000F/CW，速度單位為τ/σ,τ為LJ單位中標定時間參數；圖5所示為接枝密度分別為0.03;0.ι,α3時聚電解質密度曲線，由於流道結構對稱，只顯示一半流道高度單體密度分布曲線，其中Pm為單體數量，Pj為系統中，聚合物單體每單位體積的數量，即單體密度。通過單體密度曲線可知，聚電解質刷4由於帶有陽離子，在電場作用下沿電場施加方向逐漸伸展。通過圖4可以看出，沒有接枝聚電解質刷4的狹縫流道中，流體速度明顯大於接枝有聚電解質刷4的狹縫流道中流體的速度。因而證明，流道表面接枝帶有陽離子的聚電解質刷4時，狹縫流道3內流體將受到聚電解質刷4的粘性摩擦作用以及靜電吸引作用，使狹縫流道3中流體速度顯著降低，抑制電滲流作用明顯。通過圖5可以看出，在較高的接枝密度條件下，聚電解質刷4相比於較低的接枝密度，呈現伸展狀態。也就是說，隨著接枝密度的增大，由於位阻效應，穩定的流速區域變得相對狹窄，對電滲流的抑制作用逐漸增強。以上所述僅為本發明的優選實例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。權利要求1.一種在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:包括樣體進入單元、狹縫流道單元、樣體排出單元及驅動電場，所述樣體進入單元包括進樣池(I)及入口流道(2)，所述入口流道(2)兩端分別與進樣池(I)和狹縫流道(3)相連；所述狹縫流道單元包括狹縫流道(3)及聚電解質刷(4)，所述狹縫流道(3)兩端分別與入口流道(2)和出口流道(5)相連，所述狹縫流道(3)的流道表面帶有功能性基團，可以接枝聚電解質刷(4)，所述聚電解質刷(4)帶有陽離子，並通過物理吸附法或化學鍵合法接枝在狹縫流道(3)的流道表面；所述樣體排出單元包括出口流道(5)及廢液池(6)，所述出口流道(5)分別與狹縫流道(3)和廢液池(6)相連；所述驅動電場是在平行於狹縫流道(3)方向施加的均勻電場(7)。2.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的入口流道(2)的長度Z1=1.5~IOww，寬度^=50-200^;。3.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的狹縫流道(3)的長度4=0.15~1.5_,寬度>11'2=0.(:|3~3.5_。4.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的出口流道(5)的長度13=0.151.50.，出口流道(5)的寬度=0.03~ο5.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的狹縫流道(3)內表面材料為石墨烯、矽晶片、石英石、鋁、金、玻璃、天然橡膠、炭黑、環氧樹脂或聚二甲基矽氧烷。6.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的聚電解質刷(4)為帶有陽離子的聚電解質刷，具體為聚2-乙烯基吡啶、丁基橡膠、聚乙烯醇、聚乙烯基乙酸酯、甲基苯丙胺、丙烯酸樹脂、聚甲氧基乙醚、聚環氧乙烷、聚硫化環丙烷、聚4-甲氧基蘇合香稀、聚2-甲基-1-丙烯、聚1，3二氧戊環、聚異丁烯、聚a-烯烴、聚烷基乙烯基醚、聚三苯甲基正碳離子、聚丙烯醯胺、聚甲基丙烯醯胺、聚乙酸乙烯酯、聚N-乙烯基、聚甲基氧基乙基丙烯酸或聚十六烷基二甲基氯化銨。7.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的物理吸附法是指通過聚電解質刷末端功能基團與基板表面吸附。8.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的化學鍵合法包括接枝到表面和從表面接枝，接枝到表面指將已合成的具有功能基團的聚電解質刷同改性後的有反應性的微流道表面發生反應，從表面接枝指在微流道表面製備活性功能基團，通過縮合反應形成引發劑單分子層，並在引發劑的作用下，單體在微流道表面形成聚合物。9.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的聚電解質刷(4)接枝於狹縫流道(3)表面的接枝密度ps=0.030.4σ_2。10.根據權利要求1所述的在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，其特徵在於:所述的均勻電場(7)的強度5=75000150000r/cOT。全文摘要本發明涉及一種在微流道表面接枝聚電解質刷抑制電滲流的微流控晶片，屬於微流控領域。它包括依次連通的進樣池、入口流道、狹縫流道、出口流道、廢液池，在狹縫流道中流道表面接枝帶有陽離子的聚電解質刷，在平行於流道方向施加均勻電場以驅動流體流動。在均勻電場的作用下，微流道表面接枝的聚電解質刷將沿電場方向伸展，微流道內流體將受到聚電解質刷的粘性摩擦作用以及靜電吸引作用，使流道中表面電荷得到平衡、減少或抑制，溶劑粒子與聚電解質刷之間的吸引作用使溶劑粒子滲透到聚電解質刷層中，從而達到抑制電滲流的目的。本發明可提高蛋白質、DNA分子的分離精度，具有適用性廣和可控性強等優點。文檔編號B01L3/00GK103212457SQ20131018487公開日2013年7月24日申請日期2013年5月20日優先權日2013年5月20日發明者左雨欣,王國強,於影,左春檉,王禕睿,胡冬枚申請人:吉林大學