石英晶片表面處理方法對比

常 浩，陳 柱，聶立波

（湖南工業(yè)大學 綠色包裝與生物納米技術應用重點實驗室，湖南 株洲 412007）

0 引言

石英晶片在工業(yè)生產、科學研究等領域中的應用十分廣泛。一方面，石英晶體元器件可應用于通信、計算機、彩色電視機、音像制品、電子玩具、汽車電子設備和醫(yī)用電子設備等諸多領域[1]；另一方面，石英晶片作為固定物質的載體，廣泛應用于檢測儀器中，如表面等離子體共振儀（surface plasmon resonance instrument，SPRI）[2]、核磁共振成像儀（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）[3]、橢偏儀[4]、石英晶體微天平（quartz crystal microbalance，QCM）[5]等。

在石英晶片的使用過程中，表面清洗與處理是一個較重要的環(huán)節(jié)。由于晶片表面容易存在金屬、顆粒以及有機物等污染物[6]，使用前必須對其進行有效清洗。目前，常用的清洗方法有化學清洗法、機械擦洗法、超聲波清洗法、兆聲波清洗法、旋轉噴淋法、臭氧清洗法、激光清洗法等[7-9]。實驗室主要采用超聲清洗法與化學清洗法?；瘜W清洗法的清洗液主要有濃硫酸/雙氧水[10-12]、氨水/雙氧水，以及濃鹽酸/雙氧水[13]等。其清洗作用主要包括2個方面：一方面是去除表面污染物；另一方面是對表面進行親水化處理，在晶片表面形成大量羥基，為晶片與其它分子連接提供結合位點。目前，對石英晶片表面的處理方法已有較多報道[13-16]，但對不同方法處理的效果沒有詳細的研究與比較。本文對石英晶片表面處理的幾種常用方法進行比較，以優(yōu)化石英晶片的最佳表面處理條件。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyl triethoxysilane，APTES）購自Sigma公司；熒光標記IgG蛋白購自上海晶天生物科技有限公司；二氧化硅晶片由國防科學技術大學提供；丙酮、濃硫酸、濃鹽酸、過氧化氫、氨水、戊二醛均為分析純。KQ-500DB型超聲波清洗器和視頻光學接觸角測量儀，均由德國Dataphysics公司生產；GenePix4100A生物芯片掃描儀由德國Axon公司生產。

1.2 實驗

為去除石英晶片表面污染物，先用物理方法作前期處理：將晶片分別用丙酮、無水乙醇、雙蒸水超聲處理5min，超純水沖洗干凈，純氮吹干備用。

將去污后的石英晶片用4種不同方法作親水化處理：第一種用V（濃H2SO4）:V（H2O2）=7:3的溶液，第二種用V（濃HCl）:V（H2O2）:V（H2O）=1:1:5的溶液，第三種用 V（NH3·H2O）:V（H2O2）:V（H2O）=1:1:6的溶液，第四種是傳統(tǒng)的RCA（radio corporation of america）清洗。為考察處理時間對親水化效果的影響，前3種方法中溶液浸泡處理時間分別為5, 10,20, 30, 45 min。第四種方法具體步驟為：先在100～130℃下用濃硫酸/過氧化氫處理30 min，再在65～80 ℃下用氨水/過氧化氫處理30 min，然后在20～25 ℃下用氫氟酸/過氧化氫處理30 min，最后在65～80 ℃下用濃鹽酸/過氧化氫處理30 min。

親水處理后，石英晶片表面會產生羥基。用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液浸泡親水處理后的石英晶片40 min，超純水清洗，純氮吹干。然后將晶片在110℃下烘30 min，放入質量分數(shù)為5%的戊二醛中浸泡120 min，分別用磷酸緩沖液和超純水沖洗，純氮吹干備用。在經過上述處理的石英晶片表面用熒光標記IgG蛋白點樣，在37 ℃下濕盒溫浴2h，分別用磷酸鹽緩沖液和超純水沖洗，純氮吹干，用芯片掃描儀進行熒光檢測。

2 結果與討論

2.1 超聲清洗結果

將石英晶片依次在丙酮、無水乙醇和超純水中超聲5 min，超聲前后的接觸角如圖1所示。從圖可以看出，超聲前后接觸角有明顯改變，由53.1°變?yōu)?8.0°。這表明經過丙酮、無水乙醇、超純水超聲清洗后，石英晶片表面的污染物（特別是有機污染物）被物理去除，石英晶片表面的親水性增強，這為石英晶片的后續(xù)處理與使用打下了基礎。

2.2 親水化處理結果

超聲后的石英晶片分別用1.2節(jié)中3種不同的氧化體系進行親水化處理，使晶片表面產生羥基。3種溶液處理后接觸角與時間的關系如圖2所示。

圖1 超聲前后的接觸角對比Fig.1 The contact angle of quartz crystal surface before and after ultrasonic treatment

圖 2 不同親水化處理的接觸角與時間的關系Fig.2 The relationship of contact angle and treating time under different hydrophilic treatment for quartz crystal surface

從圖2可知，經過濃H2SO4溶液浸泡的石英晶片，其接觸角明顯小于另外2種溶液處理后的接觸角。這表明經濃H2SO4溶液處理后，晶片表面產生了更多的羥基，這有利于它與其他分子的連接。因此，用濃H2SO4溶液處理的方法優(yōu)于另外2種處理方法。

另外，從圖2還可以看出，石英晶片經濃H2SO4溶液處理30 min后，接觸角達到最小值，再延長浸泡時間，接觸角沒有明顯的變化。這表明晶片表面的羥基隨處理時間的增加而增多，30min后達到飽和。因此，最佳的處理時間為30min。

傳統(tǒng)的RCA清洗方法得到的接觸角為12°，這與用濃H2SO4溶液處理后的接觸角相近，但從操作方面考慮，用濃H2SO4溶液處理是最佳的親水處理方法。

2.3 氨基硅烷表面修飾檢驗

為了證明親水處理后表面羥基的存在以及親水化處理方法的可行性，采用APTES自組裝修飾石英晶片。APTES的烷氧基通過水解與晶片表面的羥基結合，從而在晶片表面形成APTES單分子層。圖3為APTES修飾前后石英晶片表面接觸角對比。

圖3APTES修飾前后的接觸角對比Fig.3 The contact angle of the quartz crystal surface before and after APTES modification

從圖3可以看出，APTES修飾后，晶片表面的接觸角增大，由修飾前的13.2°增大到28.3°。這是因為，APTES與晶片表面羥基發(fā)生反應時，1個APTES分子與3個羥基反應，反應后APTES分子中只有1個氨基裸露在外面，相當于3個親水羥基被1個親水氨基替代，造成親水基團減少，親水性降低。這也說明APTES與晶片表面羥基已成功結合。

2.4 蛋白質熒光掃描檢驗

為進一步驗證晶片處理效果，在APTES修飾的晶片表面結合熒光蛋白，通過熒光掃描進行驗證，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，熒光蛋白通過戊二醛已與APTES的氨基成功結合，顯示出較強的熒光，熒光強度值達到1 000。這也進一步證實了石英晶片經濃H2SO4溶液親水化處理后，表面帶有大量羥基，它可進一步與其它分子（如DNA、蛋白質等）有效結合。

圖4 晶片表面結合蛋白的熒光圖Fig.4 Fluorescence image of quartz crystal surface binding protein

3 結語

本文對石英晶片的表面處理方法進行了比較。石英晶片經物理超聲后，表面污染物被去除，接觸角減小。分別用濃H2SO4、濃HCl和NH3·H2O溶液以及RCA清洗法進一步親水化處理，以濃H2SO4溶液處理后石英晶片的接觸角減小最多，且處理30min后效果最佳。處理后的晶片通過APTES修飾后與熒光蛋白質結合，具有較強的熒光信號。因此，用濃H2SO4溶液處理石英晶片表面是親水化處理的最佳方法。

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