CN102153774B - 一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法及微流控涂层芯片和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法、涂层芯片及芯片的应用,方法为:将微流控芯片用NaOH溶液进行预处理;将超支化聚酰胺酯和催化剂配成涂层溶液;将涂层溶液压入微流控芯片的微通道中,保持5-30min,吹出剩余的涂层溶液;将涂覆后的微流控芯片加热至60-100℃、冲洗,得聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。本发明用亲水性超支化聚酰胺酯对芯片进行表面修饰,其操作简单、方法便捷、所用仪器价格合理、成本低,更重要的是可使芯片通道内壁保持永久性的亲水性,有效提高了聚合物涂层的稳定性,延长了涂层芯片的使用寿命,提高了芯片的分析性能,对微流控芯片技术和生物分析技术的发展均具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰技术,具体涉及一种采用超支化聚合物对聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片进行表面修饰的方法及使用该修饰方法得到的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片及其应用。
背景技术
微流控芯片技术是指采用微细加工技术,在一块几平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构和其他功能单元,并将进样、预处理、生物与化学反应、分离和检测等基本操作集成在芯片上进行的一门新技术。它充分体现了21世纪分析设备微型化、集成化和便携化的发展趋势,并已成为生物、化学等诸多学科的研究热点和发展前沿。
制作微流控芯片的材料有硅片、玻璃和聚合物等。硅材料易碎、价格昂贵,透光及绝缘性能不够好、且表面化学行为较复杂;玻璃芯片的制作过程冗长缓慢,难以得到宽深比大的通道,且芯片封接复杂、费时;以聚甲基丙烯酸甲酯为代表的聚合物微流控芯片因其易于加工,可廉价批量生产,并且具有良好的透光性和介电性等优点,越来越受到关注。
但是,聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片也存在一些缺陷:和其他聚合物材料一样,它的表面疏水性很强,多数蛋白质等生物大分子因为疏水相互作用等原因强烈吸附于其微通道表面,导致分析结果失真,分离效能变差,吸附严重时甚至导致分离失败;其次,疏水的表面使得在微米级通道中难以充入水溶液,并且表面非常容易产生气泡,使得流路断开。因此,有必要对聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面进行修饰,改善其亲水性,降低对分析物的吸附,提高其分析性能。目前对于聚合物微流控芯片的表面修饰技术主要有动态涂层法和静态诱导接枝改性,前者每次进样都需要在缓冲液中加入欲涂布物质,操作麻烦,涂布物质还可能影响样品或缓冲液的性质;后者虽然能永久地改变芯片的表面性质,但是反应条件苛刻,需要无水、无氧,等离子体或紫外光源照射等,操作的步骤复杂,成本很高,使其广泛应用受到限制。因此有必要寻求一种新的,简捷的,有效的表面改性手段,以抑制分析物在芯片内壁的吸附,满足日益增长的微流控芯片分析生物分子的需求。
发明内容
本发明针对现有聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片存在的缺陷,提供了一种利用亲水性超支化聚酰胺酯对聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法,以弥补目前表面修饰技术操作繁琐或改性效果不佳等不足,本方法对芯片表面进行永久的改性,有效地提高了芯片表面的亲水性,抑制了对分析物的吸附,提高了分析效果。
本发明还提供了通过表面修饰的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片,本涂层芯片采用超支化聚合物进行表面改性,在芯片表面涂覆上一层致密、连续的亲水性涂层,提高了涂层芯片表面的亲水性,有效弥补了聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面疏水性强的缺陷。
本发明还提供了新生成的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片的应用。
基于上述问题,本发明首次提出利用亲水性的超支化聚酰胺酯对聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面进行改性,利用亲水性的超支化聚酰胺酯末端大量的端羟基,在催化剂作用下与聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片微通道表面上的酯基和残存的羧基分别发生酯交换反应和酯化反应,以化学键合的的方式将超支化聚酰胺酯涂覆在芯片微通道的内壁,形成一层致密、稳定的亲水性涂层,制得一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。超支化聚合物跟传统聚合物相比具有一些独特的性质如:类似球状的结构,分子链无链缠绕,溶解度高,粘度低,含有大量的活性末端基团等特点,是一种极具潜力的涂层材料,以其作为涂层涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面,可以克服芯片本身存在的缺陷,其具体方案如下:
一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法,其特征是包括以下步骤:
(1) 将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的预处理:将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用NaOH溶液在惰性气体压力下冲洗,然后依次用去离子水和二甲基乙酰胺冲洗、惰性气体吹干,备用;
(2) 聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰:
a. 将超支化聚酰胺酯和催化剂用二甲基乙酰胺配成涂层溶液;
b. 将涂层溶液用惰性气体压入微流控芯片的微通道中,保持5-30min,将剩余的涂层溶液用惰性气体缓慢吹出;
c. 将涂覆后的微流控芯片加热至60-100℃,使超支化聚酰胺酯与微流控芯片的微通道充分键合,然后依次用甲醇和去离子水冲洗干净,得聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。
本发明所用的超支化聚合物是一种亲水性的超支化聚酰胺酯,具体为第二代超支化聚酰胺酯,第三代超支化聚酰胺酯或***超支化聚酰胺酯。本发明所用的第二、三、四代超支化聚酰胺酯均为现有技术,其得到方法在本课题组以前申请的专利(申请号:200910016097.4)上有报道,本领域技术人员可根据现有技术的记载得到第二、三、四代超支化聚酰胺酯,在此不再赘述。
第二代超支化聚酰胺酯的结构式如下:
第三代超支化聚酰胺酯的结构式如下:
***超支化聚酰胺酯的结构式如下:
上述步骤(1)中,将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.5-1mol/L的NaOH溶液在0.2-0.8Mpa的惰性气体压力下冲洗10-60min。
上述步骤(1)中,依次用去离子水和二甲基乙酰胺冲洗用NaOH溶液处理过的微流控芯片各10-30min。
上述步骤a中,所加的催化剂为对甲苯磺酸、浓硫酸或氨基磺酸。
上述步骤a中,所述涂层溶液中,超支化聚酰胺酯在二甲基乙酰胺中的质量分数为5%-15%,所加的催化剂的量为超支化聚酰胺酯质量的0.1-0.5%。
上述步骤b中,压入涂层溶液所用惰性气体的压力为0.2-0.8Mpa,吹出涂层溶液所用惰性气体的压力为0.1-0.5Mpa。
上述步骤c中,涂覆后的芯片放入烘箱中,反应6-20h。
进一步的,上述工艺条件中,具有下列优选条件:步骤a中,所用催化剂优选对甲苯磺酸;步骤b中,涂层溶液在微流控芯片的微通道中的保持时间优选10-15min;步骤c中,将涂覆后的微流控芯片的加热温度优选为70-80℃。
本发明所用的惰性气体的目的是防止溶液在芯片的微通道中堵塞,其选择时只要满足性质不活泼,非氧化性气体即可,具体可为氮气、氩气或二氧化碳,其他满足条件的惰性气体也可以。
经本发明的修复方法可得到聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片,该芯片经表面改性提高了涂层芯片表面的亲水性,有效弥补了聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面疏水性强的缺陷。
本发明还提供了本聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片的应用。
本发明的有益效果是:
(a)超支化聚酰胺酯的粘度比传统的线性聚合物改性材料的粘度低得多,可以配成较高浓度的涂层溶液,而不会堵塞芯片的微通道,因此将其作为芯片表面改性材料,很容易涂覆于芯片微通道内壁,形成一层致密、连续的亲水性涂层。空白聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的接触角为89.9°左右,经超支化聚酰胺酯改性后,芯片的接触角有了明显的下降,其接触角可降为24.3°左右,这说明该涂层芯片大大提高了表面的亲水性,有效弥补了聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面疏水性强的缺陷。
(b)超支化聚酰胺酯分子***具有大量活性端羟基,因而更易于以化学键合的方式涂覆于芯片微通道内壁,有效提高聚合物涂层的稳定性,延长涂层芯片的使用寿命。
(c)本发明所制得的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片,其制备过程未使用比较昂贵的仪器,没有繁琐的操作步骤,方法方便快捷、成本低,更重要的是可使芯片通道内壁保持永久性的亲水性。
因此,将这种亲水性的超支化聚酰胺酯作为聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的改性材料,所制得的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片,能够有效地改善芯片内壁表面的亲水性,抑制芯片微通道内壁对分析物的吸附,提高芯片的分析性能,这对于微流控芯片技术和生物分析技术的发展均具有重要的意义。
附图说明
图1 聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片的电渗流,其中曲线1为实施例1所得微流控涂层芯片的电渗流曲线,曲线2为实施例3所得微流控涂层芯片的电渗流曲线,曲线3为实施例5所得微流控涂层芯片的电渗流曲线。
图2 未涂覆的微流控芯片的接触角。
图3经***超支化聚酰胺酯涂覆的微流控涂层芯片的接触角。
图4 未涂覆的芯片分离腺苷(a)与L-色氨酸(b)分离图。
图5经第二代超支化聚酰胺酯涂覆的涂层芯片分离腺苷(a)与L-色氨酸(b)分离图。
图6经第三代超支化聚酰胺酯涂覆的涂层芯片分离腺苷(a)与L-色氨酸(b)分离图。
图7经***超支化聚酰胺酯涂覆的涂层芯片分离腺苷(a)与L-色氨酸(b)分离图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步阐述,应该明白的是,下述说明仅是为了解释本发明,并不对其内容进行限定。
制备基于第二代超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片
实施例1
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.5mol/L的NaOH溶液在0.3MPa氮气压力下冲洗40min,再用去离子水和二甲基乙酰胺顺序冲洗NaOH处理过的芯片各15min,最后用氮气吹干,备用。
将第二代超支化聚酰胺酯和对甲苯磺酸(用量为第二代超支化聚酰胺酯质量的0.3%)用二甲基乙酰胺配成质量分数为12%的涂层溶液,用0.4MPa氮气压力压入到芯片的微通道中,保持10min,再用压力为0.1Mpa的氮气将剩余涂层溶液缓慢吹出,将涂覆后的芯片放入烘箱中,80℃反应10h,最后依次用甲醇和去离子水冲洗干净,这样就制得了一种基于第二代超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。
将所得聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片内充满pH为3.0,浓度为20mmol/L的磷酸盐缓冲液,连续20天测定涂层芯片的电渗流,如图1第所示,发现随着天数的增加,电渗流变化程度很小,说明本发明的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片具有良好的稳定性。
实施例2
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用1mol/L的NaOH溶液在0.6Mpa氩气压力下冲洗30min,再用去离子水和DMAc顺序冲洗NaOH处理过的芯片各30min,最后用氩气吹干,备用。
采用实施例1的方法将第二代超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中第二代超支化聚酰胺酯的质量分数为15%,对甲苯磺酸用量为第二代超支化聚酰胺酯质量的0.5%,涂层溶液压入芯片微通道所用的氩气压力为0.6Mpa,吹出涂层溶液所用的氩气压力为0.2Mpa,涂覆后的芯片在70℃反应时间为15h。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例1的曲线相似,也具有良好的稳定性。
实施例3
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用1mol/L的NaOH溶液在0.8Mpa氩气压力下冲洗10min,再用去离子水和DMAc顺序冲洗NaOH处理过的芯片各10min,最后用氩气吹干,备用。
采用实施例1的方法将第二代超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中第二代超支化聚酰胺酯的质量分数为13%,所用对甲苯磺酸的量为第二代超支化聚酰胺酯质量的0.3%,涂层溶液压入芯片微通道所用的氩气压力为0.8Mpa,吹出涂层溶液所用的氩气压力为0.5Mpa,涂覆后的芯片在100℃反应时间为10h。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例1的曲线相似,也具有良好的稳定性。
制备基于第三代超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片
实施例4
聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的预处理过程如实例1。
将第三代超支化聚酰胺酯和浓硫酸(用量为第三代超支化聚酰胺酯质量的0.3%)用DMAc配成质量分数为10%的涂层溶液,用0.5MPa氮气压力压入到芯片的微通道中,保持15min,再用压力为0.2Mpa的氮气将剩余涂层溶液缓慢吹出,将涂覆后的芯片放入烘箱中,90℃反应8h,最后依次用甲醇和去离子水冲洗干净,这样就制得了一种基于第三代超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,如图1所示,电渗流变化程度很小,具有良好的稳定性。
实施例5
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.7mol/L的NaOH溶液在0.2Mpa二氧化碳压力下冲洗60min,再用去离子水和二甲基乙酰胺顺序冲洗NaOH处理过的芯片各30min,最后用一氧化碳吹干,备用。
采用实施例4的方法将第三代超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中第三代超支化聚酰胺酯的质量分数为13%,催化剂用量为第三代超支化聚酰胺酯质量的0.4%,所用的惰性气体为二氧化碳,涂层溶液压入芯片微通道所用的二氧化碳压力为0.7Mpa,吹出涂层溶液所用的二氧化碳压力为0.4Mpa。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例4的曲线相似,也具有良好的稳定性。
实施例6
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用1mol/L的NaOH溶液在0.8Mpa氩气压力下冲洗15min,再用去离子水和DMAc顺序冲洗NaOH处理过的芯片各30min,最后用氩气吹干,备用。
采用实施例4的方法将第三代超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中第三代超支化聚酰胺酯的质量分数为13%,所用催化剂为对甲苯磺酸,催化剂用量为第三代超支化聚酰胺酯质量的0.4%,所用的惰性气体为氩气,涂层溶液压入芯片微通道所用的氩气压力为0.5Mpa,保持10-15min,吹出涂层溶液所用的氩气压力为0.2Mpa,涂覆后的芯片在75℃反应时间为15h。。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例4的曲线相似,也具有良好的稳定性。
制备基于***超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片
实施例7
聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的预处理过程如实例1。
将***超支化聚酰胺酯和氨基磺酸(用量为***超支化聚酰胺酯质量的0.5%)用二甲基乙酰胺配成质量分数为8%的涂层溶液,用0.4MPa氮气压力压入到芯片的微通道中,保持25min,再用压力为0.1Mpa的氮气将剩余涂层溶液缓慢吹出,将涂覆后的芯片放入烘箱中,70℃反应18h,最后依次用甲醇和去离子水冲洗干净,这样就制得了一种基于***超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,如图1所示,电渗流变化程度很小,具有良好的稳定性。
图2为未涂覆的微流控芯片的接触角,图3为本发明所得涂覆***超支化聚合物的微流控涂层芯片的接触角。涂覆后芯片的接触角明显降低,这说明涂层芯片大大提高了表面的亲水性,有效弥补了聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片表面疏水性强的缺陷。
实施例8
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.6mol/L的NaOH溶液在0.3MPa氮气压力下冲洗40min,再用去离子水和DMAc顺序冲洗NaOH处理过的芯片各20min,最后用氮气吹干,备用。
采用实施例7的方法将***超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中***超支化聚酰胺酯的质量分数为5%,催化剂用量为***超支化聚酰胺酯质量的0.3%,涂层溶液压入芯片微通道所用的氮气压力为0.3Mpa,吹出涂层溶液所用的氮气压力为0.1Mpa,涂覆后的芯片在80℃反应时间为10h。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例7的曲线相似,也具有良好的稳定性。
实施例9
将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.6mol/L的NaOH溶液在0.2MPa氮气压力下冲洗60min,再用去离子水和DMAc顺序冲洗NaOH处理过的芯片各30min,最后用氮气吹干,备用。
采用实施例7的方法将***超支化聚酰胺酯涂覆在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片上,制备涂层芯片,不同的是:涂层溶液中***超支化聚酰胺酯的质量分数为6%,所用催化剂对甲苯磺酸,用量为***超支化聚酰胺酯质量的0.1%,涂层溶液压入芯片微通道所用的氮气压力为0.2Mpa,保持30min,吹出涂层溶液所用的氮气压力为0.1Mpa,涂覆后的芯片在60℃反应时间为20h。
将所得涂层芯片按照实施例1的方法测定涂层芯片的电渗流,结果与实施例7的曲线相似,也具有良好的稳定性。
应用例
以30mmol/L,pH为4.8磷酸盐溶液为运行缓冲液,以腺苷与L-色氨酸为样品,在未涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片中进行电泳分析,得到的电泳谱图如图4所示,未涂层芯片对两种蛋白质无法实现有效分离,这主要是由于芯片内壁对蛋白质吸附所至。
采用相同的方法,以30mmol/L,pH为4.8磷酸盐溶液为运行缓冲液,以腺苷与L-色氨酸为样品,在基于第二代(实施例1),第三代(实施例3)和***(实施例5)超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片中进行电泳分析,得到的电泳谱图如图5、图6、图7所示,涂层芯片和未涂覆的芯片的理论塔板数如表1所示。
从电泳谱图可以看出,在涂层芯片中,两种蛋白质得到非常好的分离,尤其是基于第三代和***超支化聚酰胺酯涂覆的涂层芯片得到的检出峰分离清晰,峰型尖锐,有效地抑制了芯片内壁对两种蛋白质的吸附;从表1中可以看出,涂层芯片的论塔板数要远高于未涂覆的芯片,这进一步说明基于超支化聚酰胺酯涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片的分析分离性能有了明显提升。
以上实施例是对本发明进行的详细的描述,其目的在于说明本发明的构思及特点,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法,其特征是包括以下步骤:
(1)将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的预处理:将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用NaOH溶液在惰性气体压力下冲洗,然后依次用去离子水和二甲基乙酰胺冲洗、惰性气体吹干,备用;
(2)聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰:
a.将超支化聚酰胺酯和催化剂用二甲基乙酰胺配成涂层溶液;
b.将涂层溶液用惰性气体压入微流控芯片的微通道中,保持5-30min,将剩余的涂层溶液用惰性气体缓慢吹出;
c.将涂覆后的微流控芯片加热至60-100℃,使超支化聚酰胺酯与微流控芯片的微通道充分键合,然后依次用甲醇和去离子水冲洗干净,得聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片;
所述催化剂为对甲苯磺酸、浓硫酸或氨基磺酸;
所述的超支化聚酰胺酯为具有结构式Ⅰ的第二代超支化聚酰胺酯、具有结构式Ⅱ的第三代超支化聚酰胺酯或具有结构式Ⅲ的***超支化聚酰胺酯,结构式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ如下:
2.根据权利要求1所述的表面修饰方法,其特征是:所述催化剂为对甲苯磺酸。
3.根据权利要求1所述的表面修饰方法,其特征是:步骤(1)中,将聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片用0.5-1mol/L的NaOH溶液在0.2-0.8Mpa的惰性气体压力下冲洗10-60min,然后依次用去离子水和二甲基乙酰胺冲洗用NaOH溶液处理过的微流控芯片各10-30min。
4.根据权利要求1所述的表面修饰方法,其特征是:步骤a中,所述涂层溶液中,超支化聚酰胺酯在二甲基乙酰胺中的质量分数为5%-15%,所加的催化剂的量为超支化聚酰胺酯质量的0.1-0.5%;步骤b中,压入涂层溶液所用惰性气体的压力为0.2-0.8Mpa,吹出涂层溶液所用惰性气体的压力为0.1-0.5Mpa;步骤c中,涂覆后的芯片放入烘箱中,反应6-20h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的表面修饰方法,其特征是:步骤b中,涂层溶液在微流控芯片的微通道中保持10-15min;步骤c中,将涂覆后的微流控芯片加热至70-80℃。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的表面修饰方法,其特征是:所述惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳。
7.一种采用权利要求1-4中任一项所述的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的表面修饰方法制得的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片。
8.一种权利要求7所述的聚甲基丙烯酸甲酯微流控涂层芯片在生物分析领域的应用。
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