超支化聚胺-酯改性聚二甲基硅氧烷微流控芯片的紫外檢測應(yīng)用

摘 要 采用超支化聚胺-酯對經(jīng)過氧氣氛處理的PDMS微流控芯片表面進行改性。成功地將超支化聚胺-酯涂覆到PDMS表面，使其表面的接觸角由108°±1° 降到 32°±2°，改善了其親水性；改性過后通道內(nèi)的電滲流得到了有效抑制，遠低于未改性通道內(nèi)的電滲流。同時，將芯片通過專門設(shè)計的通道與毛細管連接在一起，在紫外檢測波長214 nm，分離電壓 5 kV，pH 4.5，電動進樣條件下，成功實現(xiàn)了對腺苷和L-色氨酸的紫外檢測分離。改性后的芯片對檢測物質(zhì)的分離度可以達到2.01，信號重現(xiàn)性RSD（n＝4）分別為2.75%（腺苷）和1.54%（L-色氨酸）。本方法為改性PDMS微流控芯片提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞 微流控芯片； 超支化聚胺-酯； 表面改性； UV檢測

2010-09-20收稿；2010-12-13接受

本文系山東省自然科學(xué)基金（No. ZR2010BL003）資助項目

* E-mail：scq211@163.com

1 引 言

聚二甲基硅氧烷（Poly（dimethylsiloxane） PDMS）因其具有價格便宜，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐久，光透過性好，生物兼容性優(yōu)良等優(yōu)點，已成為制作微流控芯片主要材料。但是，PDMS存在高度疏水、容易吸附分離物質(zhì)等缺陷，制約了其應(yīng)用的范圍?，F(xiàn)在，通過氧等離子處理［1］，UV/O3氧化［2］，表面涂覆親水聚合物［3］，紫外接枝［4］等方法可改善PDMS的表面親水性，減少其對分離物的吸附。但是這些方法還存在一定的不足，如氧化法處理PDMS可以改善其親水性，但是親水性保持時間短，不利于芯片的長時間使用；在PDMS表面涂覆親水性聚合物，親水性可以保持較長時間，但是線性聚合物存在粘度大，活性基團少等缺陷，不利于芯片的改性。將超支化聚合物用于PDMS改性可解決上述方法存在的問題［5］。超支化聚合物具有其獨特的支化分子結(jié)構(gòu)，分子之間無纏結(jié)，并且含有大量的端基官能團，因此表現(xiàn)出溶解度高、粘度低、化學(xué)反應(yīng)活性高等特殊性能［6～9］。

本實驗先將PDMS芯片基片在氧氣氛中預(yù)處理一段時間后，與蓋片封合，將合成的G2代超支化聚胺-酯采用熱交聯(lián)的方法涂覆到微流控芯片的微通道內(nèi)，達到了改善通道內(nèi)親水性，抑制通道內(nèi)電滲流，減少對分離物質(zhì)吸附的目的。同時通過將芯片與毛細管連接實現(xiàn)了芯片的UV檢測。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

石英毛細管（內(nèi)徑75

SymbolmA@ m，河北永年銳灃色譜器件有限公司）；N2000型數(shù)據(jù)采集和處理工作站（浙江大學(xué)）；XTB-1型體視鏡（上海光學(xué)儀器六廠）；CL-1020高效毛細管電泳儀（北京彩陸科學(xué)儀器有限公司）；FTS-165型紅外光譜儀（美國 PE 公司）； S-2500掃描電鏡（日本日立公司）；OCA40 視頻光學(xué)接觸角測量儀（德國 DaTaphysics 公司）。

二乙醇胺、無水甲醇、丙烯酸甲酯、對甲苯磺酸、三羥甲基丙烷、H2O2、NaOH\\，二甲亞砜（DMSO）、L-色氨酸、腺苷（山東省生物制品研究所）；PDMS前聚物Sylgard 184及固化劑（道康寧公司），其它試劑均為分析純（南京化學(xué)試劑有限公司）。

2.2 超支化聚胺-脂的合成

參照文獻［10］，采用“一步法”合成了具有良好親水性的G2代超支化聚胺-酯。

2.3 微流控芯片制作和涂覆改性

參照文獻［11］制作PDMS微流控芯片。如圖1a 所示，為了減小與毛細管連接產(chǎn)生的死體積，將芯片的通道設(shè)計為分離通道和連接通道兩部分。分離通道直徑為50

SymbolmA@ m，連接通道直徑為200

SymbolmA@ m，長度為0.5 cm。參照文獻［12］將制作好的PDMS芯片基片置于氧氣氛中進行氧化預(yù)處理，向取出的PDMS芯片中注入10% 超支化聚胺-酯甲醇溶液，置于氣相色譜爐內(nèi)于一定的氮氣流下逐漸升溫至100℃，終點溫度保持一段時間，得到涂覆好的PDMS微流控芯片。

UV檢測器是實驗室中常用的商業(yè)化檢測裝置，但其要求有較長的檢測光程。微流控芯片的通道的檢測光程比較短，這使得UV檢測器在微流控芯片檢測中的應(yīng)用受到了限制，通過設(shè)計適合微流控芯片與毛細管連接的通道，實現(xiàn)微流控芯片與毛細管連接，達到微流控芯片應(yīng)用于UV檢測的目的。取10 cm長的毛細管，將毛細管一端外表面腐蝕掉0.5 cm。在顯微鏡下觀察，將腐蝕掉外表面的一段插入芯片末端，用環(huán)氧樹脂封接，將微通道與毛細管間的空隙填充密實。在距離毛細管柱末端5 cm處，用濃H2SO4腐蝕其外表面約2～3 mm的長度作為檢測窗口，備用。

圖1 通道的連接圖

Fig．1 Connection picture of microchannel

a． 連接示意圖； b． 芯片照片。a. Schematic plot of connection; b. Picture of chip.

3 結(jié)果與討論

3.1 超支化聚胺-酯IR分析

在IR譜圖（圖2）中，3500 cm－1左右是羥基吸收峰，2883 cm－1雙峰為C—H伸縮振動峰，1730 cm－1為羰基吸收峰，1618 cm－1是CN吸收峰，1458 cm－1是CH面內(nèi)彎曲振動峰，1055 cm－1為羥基的面內(nèi)彎曲振動峰。由圖2可明顯看出，超支化聚胺-酯含有大量的羥基官能團，這使其具有良好的親水性和較高的反應(yīng)活性。

第6期楊 文等： 超支化聚胺-酯改性聚二甲基硅氧烷微流控芯片的紫外檢測應(yīng)用

圖2 超支化聚胺-酯的紅外譜圖

Fig．2 IR spectrum of hyperbranched polyaminoester

3.2 改性表面性質(zhì)的測定

實驗測得的改性前后PDMS表面的接觸角如圖3a和圖3b所示。改性前的PDMS表面的接觸角為108°±1°，是高度疏水的。改性后PDMS表面的接觸角為32°±2°，其表面親水性得到了明顯改善，這說明PDMS表面覆蓋了一層親水性物質(zhì)。圖3c和圖3d是PDMS改性5和10 d后的接觸角，分別為33°±1°和34°±2°。通過測試改性一段時間后的接觸角，可以看出改性后的表面親水性是很穩(wěn)定的。

圖3e和圖3f是改性前后微通道的SEM照片，改性后通道變淺，這說明改性后的微通道內(nèi)壁表面形成了一層致密的、均勻的超支化聚胺-酯層。

圖3 表面表征

Fig．3 Surface characterization

改性前后PDMS的接觸角（Contact angles of unmodified poly（dimethylsiloxane） （PDMS） and modified PDMS）： a. 未改性（Unmodified）; b. 改性后（Modified）; c. 改性后5 d（Modified for 5 days）; d. 改性后10 d（Modified for 10 days）。改性前后微通道的SEM照片SEM（Microgroph of microchannels of unmodified PDMS and modified PDM）; e. 未改性（Unmodified）; f. 改性后（Modifed）\\.

3.3 電滲流的測定

配制0.04 mol/L磷酸鹽緩沖液 （pH 2～8），用45

SymbolmA@ m 纖維素濾膜過濾，再用超聲波脫氣后置于容量瓶內(nèi)，備用。

以1% DMSO水溶液為中性標記物，在不同pH值的緩沖溶液中測試DMSO在改性前后的PDMS芯片通道內(nèi)的遷移時間，利用公式（1）計算電滲流。

SymbolmA@ os＝vosE＝LdetLtctvt（1）

其中，Ldet：芯片分離通道有效長度；Ltet： 芯片分離通道總長度；v：毛細管兩端電壓；圖4 緩沖溶液pH值對電滲流的影響

Fig．4 Effect of buffer pH on EOF

A. 未改性（Unmodified）；B． 改性后（Modifed）； C． 連續(xù)進樣50次（Injection for 50 times）； D． 連續(xù)進樣100次（Injection for 100times）。tdet：標記物的遷移時間。

圖4是PDMS芯片微通道內(nèi)電滲流在pH 2.0～8.0范圍內(nèi)變化的曲線。隨pH值的增大，微通道內(nèi)壁硅甲基電離程度增加，導(dǎo)致微通道內(nèi)電滲流均隨之增大。但是改性后的微通道內(nèi)的電滲流低于未改性的電滲流，這說明涂層起到了抑制硅甲基的電離，降低微通道內(nèi)電滲流的作用。這是因為超支化聚胺-酯分子末端活性羥基的作用，增加了與微通道內(nèi)壁反應(yīng)的活性點，使其形成的涂層更加均勻致密，從而有效降低了電滲流。分別測試連續(xù)進樣50和100次后微通道內(nèi)電滲流隨pH值變化的曲線 （圖4C和圖4D） 可見，放置一段時間后， 圖5 PDMS微流控芯片對分離物的UV分離

Fig．5 Proteins UV separation with PDMS microfluidic chips

a. 未改性（Unmodified）； b． 改性后（Modifed）； c． 連續(xù)進樣（Sequence injection）。1. 腺苷（Adenosine）；2. L-色氨酸（L-tryploplan）\\.微通道內(nèi)的電滲流比剛改性后的微通道內(nèi)的電滲流高，但低于未改性的電滲流，這說明涂層經(jīng)過沖刷后有一定的損失，但是損失相對較小，涂層穩(wěn)定性比較好。

3.4 UV檢測分離

用二次蒸餾水配置2 g/L腺苷和L-色氨酸溶液，以45

SymbolmA@ m纖維素濾膜過濾，并用超聲波進行脫氣處理，將制備好的樣品置于冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩Ｔ?.04 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 4.5），檢測波長214 nm，分離電壓5 kV條件下對將腺苷和L-色氨酸混合溶液進行分離實驗。由圖5可見，未改性的芯片無法有效分離腺苷和L-色氨酸，且分離峰脫尾，峰型較差。這主要是由于微通道內(nèi)壁對分離物吸附所致。在相同條件下，經(jīng)超支化聚合物改性的芯片微通道可以實現(xiàn)腺苷和L-色氨酸基線分離，峰形較好，Rs＝2.01。這是由于涂覆與微通道表面的超支化聚胺-酯分子在芯片微通道內(nèi)壁形成了一層致密涂層，能夠有效抑制微通道內(nèi)壁對分離物的吸附。上述系統(tǒng)對腺苷和L-色氨酸的分離信號具有高重現(xiàn)性 （圖5c），RSD（n＝4）分別為2.75%（腺苷）和1.54%（L-色氨酸）。

上述實驗證明，超支化聚胺-酯對PDMS微流控芯片的改性，成功改善了其親水性，抑制了電滲流，提高了分離效率。

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Surface Modification of Poly（dimethylsiloxane） Microfluidic

Chips by Hyperbranched Polyaminoester for Ultraviolet Detection

YANG Wen， LIN Dong， XU Lei， LIU Bing， SHOU Chong-Qi

（School of Chemistry and Chemical Engineering， University of Jinan， Jinan 250022）

Abstract Hyperbranched polyaminoesters （HPAE） were used for poly（dimethylsiloxane） （PDMS） microfluidic chips modification. The microdevices were treated in oxygen atmosphere before modification. The contact angles of PDMS were lowered from 108°±1° to 32°±2° in this method. The hydrophilcity of PDMS was improved. The electroosmotic flow （EOF） in the modified microchannel was lower than that in the unmodified microchannel. The EOF in the modified microchannel was effectively inhibited. A fused-silica capillary was connected to the chip through the specially designed channel. With this method， detection wavelength 214 nm， running voltage 5 kV， pH 4.5 and electrokinetic injection， UV detection for adenosine and L-tryptophan was achieved. The Rs of adenosine and L-tryptophan in modified microchannel can achieve 2.01. The RSD is 2.75% （Adenosine） and 1.54% （L-tryptophan） respectively. This research may be a novel method for PDMS microchip modification.

Keywords Microfluidic chip; Hyperbranched polyaminoester; Surface modification; Ultraviolet detection

（Received 20 September 2010; accepted 13 December 2010）