CN108579828A - 一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法 - Google Patents

一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法 Download PDF

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徐涛
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Abstract

本发明提供了一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法，包括如下步骤：S1：微流控芯片表面活化处理；S2：微流控芯片表面化学接枝处理；S3：配置疏水溶液；S4：微流控芯片表面构建局部疏水坝；S5：微流控芯片表面清洗。本发明所述的方法制得的流速可控的微流控芯片表面修饰后可实现流体的自驱动进样，解决了疏水性材料导致的样本进样难问题。

Description

一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域，涉及一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法，通过选择性修饰构建亲疏水表面实现流体精确操控，提高检测灵敏度并降低非特异性吸附。
背景技术
微流控芯片又称微全分析***，可将传统实验室的大容量样品提取、样品预处理、分解分离、生物化学反应、分析检测、数据处理等操作集成在一个***或芯片中，在未来生物、医药、化学等许多领域具有良好的发展前景。其研究重点是分析物质在微通道内的定向迁移和反应过程，因此必须控制微流控芯片表面的性质，为分析物提供优良的反应和检测条件。
现如今微流控芯片自驱动进样方式具有易于集成，尺寸较小，且成本低廉的特点，受到人们的青睐，因此对芯片表面进行修饰是必要的。等离子体处理快速、简单，是一种比较常用的方法，但其具有时效性，且获得的表面性质有限。化学气相沉积也有一些应用，但由于其实验条件较难摸索，需要昂贵的仪器设备，很难应用在微通道内。
表面涂覆改性是一种常用的表面改性方法(如专利CN1712967、CN102153774、CN104140548)，改性剂与底物之间通过范德华力、氢键力或静电吸附等分子间的相互作用力结合，易存在涂覆不均匀、易脱落、重现性差的问题。表面改性剂的制备为材料改性提供了一种新思路(如专利CN104114636、CN103897205、CN104311751)，但往往存在操作较复杂、条件较苛刻的问题，且只能得到均一性质的表面。
化学改性是指表面改性剂与基体表面基团发生化学反应，易得到稳定持久的表面。如专利CN101440168公开了一种聚苯乙烯材料的亲水改性方法和工艺，通过稳定的化学键接枝偶联了一层亲水性大分子聚乙烯醇(PVA)，但只能得到均一特性的表面。专利CN104607257公开了一种利用紫外辐照化学接枝的微流控芯片表面亲水改性处理方法，可制作梯度亲水表面，但涉及到掩膜板的制作，工艺较复杂。
传统的表面改性方法存在稳定性、持久性差，以及操作复杂、设备昂贵等问题；表面改性剂的生产和应用复杂，且无法进行区域选择性处理。现有化学改性工艺稳定但多为均一特性的表面改性，可实现自驱动但很难实现流体的区域控制，易发生非特异性吸附，对反应过程中的抗体亲和力和检测仪器灵敏度要求较高。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种操作简便、性能稳定、成本低廉、流速可控的微流控芯片表面修饰方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法，包括如下步骤：
S1：微流控芯片表面活化处理：将微流控芯片表面进行清洗和干燥后进行表面活化处理；
S2：微流控芯片表面化学接枝处理：将微流控芯片的表面进行气相或液相接枝处理并烘干后得到表面具有相应官能团修饰的微流控芯片；
S3：配置疏水溶液：将疏水物质与水或乙醇混合得到疏水溶液，所述的疏水物质为脂肪酸及其盐中的一种或两种以上的混合物；
S4：微流控芯片表面构建局部疏水坝：将步骤S3制得的疏水溶液局部滴加至步骤S2所得到的相应官能团修饰的微流控芯片表面形成疏水坝后置于恒温环境中静置，静置后备用；
S5：微流控芯片表面清洗：将步骤S4得到的微流控芯片用去离子水清洗，真空干燥后即得流速可控的微流控芯片。
进一步的，所述步骤S1中的表面活化处理采用UV辐射处理、等离子体处理、臭氧处理、电晕处理、强酸处理或强碱处理。
优选地，所述步骤S1中的表面活化处理采用等离子体处理。
进一步的，所述等离子体处理的气氛为空气、氧气、氮气、氩气的一种或两种以上的混合气体。
进一步的，所述等离子体的处理时间为0.5-20min，等离子体的气体流量为200-1500mL/min，等离子体发生功率为50-300w。
进一步的，所述步骤S2中液相硅烷化处理中使用的硅烷化溶液中溶质为3-氨丙基三乙氧基硅烷、二氯二甲基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷或六甲基二硅氨烷中一种或两种以上的混合物。溶剂为水或乙醇。
进一步的，所述硅烷化溶液的体积浓度为1-10％。
进一步的，所述步骤S2中的化学接枝处理为液相硅烷化处理，所述的液相硅烷化处理温度为20-60℃；所述硅烷化处理的时间为10-120min；所述烘干温度为37-90℃；所述烘干时间为15-60min。
进一步的，所述疏水物质为饱和脂肪酸、饱和脂肪酸盐、不饱和脂肪酸或不饱和脂肪酸盐中一种或两种以上的混合物。
进一步的，所述疏水物质为硬脂酸、硬脂酸盐、软脂酸、油酸或油酸盐中一种或两种以上的混合物。
进一步的，所述疏水溶液为质量浓度为0.01％-5％的硬脂酸的乙醇溶液。
进一步的，所述疏水溶液为质量浓度为0.01％-5％的硬脂酸盐的水溶液或乙醇溶液。
优选地，所述硬质酸盐为硬脂酸钠、硬脂酸钾或硬脂酸镁。
进一步的，所述疏水坝设置于芯片表面的孵育区后、检测区后或质控区后，每个区域后的疏水坝数量为一个或两个以上。疏水坝采用局部构建的方法进行处理，控速位置含有疏水物质，降低流体的流速，增加反应时间。
进一步的，所述疏水坝的形状为点阵、区域或图案，所述疏水坝覆盖孵育区后、检测区后或质控区后的流道的宽度。
进一步的，所述疏水坝的体积为1-10μL。
进一步的，所述步骤S4中恒温环境的温度为37℃-60℃，静置时间为0.5h-2h。
进一步的，所述步骤S5中清洗次数为2-5次，每次清洗时间为2-5min。
进一步的，所述微流控芯片的材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。当芯片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)时，制备流速可控的微流控芯片表面修饰方法为直接将配置好的疏水溶液滴加至微流控芯片表面形成疏水坝后置于恒温环境中静置，静置后备用；之后对微流控芯片表面清洗即可；亦可在化学接枝的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面构建疏水坝，以得到不同流速的需求。当芯片的材料为聚苯乙烯(PS)时，必须首先进行化学接枝，随后结合疏水坝的构建才可实现流体的自驱动进样和流速控制。
进一步的，所述微流控芯片制作方法可为激光加工或注塑成型等。
相对于现有技术，本发明所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法具有以下优势：
(1)本发明所述的方法制得的流速可控的微流控芯片表面修饰后可实现流体的自驱动进样，解决了疏水性材料导致的样本进样难问题；
(2)本发明所述的方法制得的流速可控的微流控芯片表面特性稳定，结合封闭清洗处理，可降低非检测区域的非特异性吸附，且疏水坝性能稳定；
(3)本发明所述的方法制得的流速可控的微流控芯片中的疏水坝的布置构建了选择性修饰的表面，可实现对样本流速的精准调控，降低流速调节微结构的加工制造成本，同时降低生化反应过程中对抗体亲和力要求，提高检测灵敏度。
附图说明
图1为实施例中PMMA微流控芯片结构分解图；
图2为实施例中PMMA微流控芯片封装示意图；
图3为实施例中PS微流控芯片结构分解图；
图4为实施例中PS微流控芯片封装示意图；
图5为实施例1中未处理及表面修饰处理的PS芯片表面元素含量XPS检测图；
图6为实施例2中未处理及表面修饰处理的芯片表面接触角测量结果图；
图中：A为未处理PS基片接触角测量结果(86.96°)，B为2.5％硅烷化处理PS基片接触角测量结果(66.68°)，C为0.05％硬脂酸处理PS基片接触角测量结果(87.85°)，D为0.2％硬脂酸处理PS基片接触角测量结果(102.32°)
图7为实施例3中得到的修饰后的微流控芯片中样本流动时间与疏水坝浓度关系图；
图8为实施例4中得到的修饰后的微流控芯片中样本流动时间与疏水坝浓度关系图；
图9为实施例4中得到的修饰后的微流控芯片中疏水坝浓度与样本平均速度关系图；
图10为实施例5中得到的修饰后的微流控芯片中样本流动时间与疏水坝浓度关系图；
图11为实施例5中得到的修饰后的微流控芯片中疏水坝浓度与样本平均速度关系图；
图12为实施例7中得到的修饰后的微流控芯片中样本流动时间与疏水坝浓度关系图。
附图标记说明：
1、PMMA芯片盖片；2、加样孔；3、镂空胶膜；4、PMMA芯片基片；5、检测通道区域；6、加样孔；7、PS芯片盖片；8、镂空胶膜；9、PS芯片基片；10、检测通道区域；11、废液回收区域；12、样本孵育区域。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1-7中涉及疏水坝的形状为矩形区域，宽为1-4mm，长为1-20mm，且盖流道宽度。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括如下步骤：
(1)将未处理的PS基材芯片(具体结构参见图3-图4)用去离子水进行超声清洗，吹干后，用XPS表征相关元素含量。
(2)将PS基材芯片在等离子体氧气流量为500mL/min、发生功率为150w的条件下活化处理90s。
(3)将等离子体活化处理的PS基材芯片置于体积浓度为2.5％的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，在37℃的温度下处理30min，得到硅烷化处理的微流控芯片，用乙醇溶液和去离子水清洗吹干后，再次使用XPS表征相关元素的含量变化。
具体地，步骤(1)和步骤(3)的XPS表征相关元素含量的结果见图5，通过图5可知，未处理的PS基片芯片碳含量特别高，掺杂少量的氧，不含氮，疏水性较强，样本无法实现进样和自驱动；经活化以及硅烷化接枝后，芯片表面出现氮和硅的特征峰，呈现为氨基化表面，特性稳定，可调整活化和硅烷化处理程度调控得到不同的流速，进一步结合疏水坝的布置可实现局部减速，以实现微流控芯片内部样本流动精确控制的目的。
实施例2
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括如下步骤：
(1)将未处理的PS基材芯片用去离子水进行超声清洗，吹干后，用接触角测量仪测定其接触角大小。
(2)将步骤(1)处理后的PS基材芯片在等离子体氧气流量为500mL/min、发生功率为150w的条件下处理90s。
(3)将等离子体活化处理的PS基材芯片置于体积浓度为2.5％的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，37℃处理30min，得到硅烷化处理的PS基材芯片，乙醇、去离子水清洗吹干后，用接触角测量仪再次测定其接触角大小。
(4)在硅烷化处理后的PS基材芯片上局部区域滴加不同浓度的硬脂酸水溶液(质量浓度分别为2.5％、0.05％、0.2％)，在37℃的温度下处理30min，再次用接触角测量仪测定其接触角大小。
图6a为未处理PS基材芯片接触角测量结果(86.96°)，6b为2.5％硅烷化处理PS基材芯片接触角测量结果(66.68°)，6c为0.05％硬脂酸处理PS基材芯片接触角测量结果(87.85°)，6d为0.2％硬脂酸处理PS基材芯片接触角测量结果(102.32°)。
通过图6a-6d可知，PS基片经不同的处理方式，得到的表面接触角大小不一，表面亲疏水性各不相同，接触角越小，流体的流动速度越快，反之则越慢，充分说明了本发明表面修饰方法的可行性，同时也为后续疏水坝的构建、样本流速的调节、免疫反应检测奠定基础。
实施例3
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括如下步骤：
(1)将6个PS基材芯片用去离子水进行超声清洗，而后用氧等离子体活化处理90s，等离子体发生功率为150w，等离子体氧气流量为500mL/min，得到等离子体活化处理的微流控芯片。
(2)将等离子体活化处理的PS基材芯片分别置于不同浓度的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液(具体浓度见表1)中，37℃处理30min，得到硅烷化处理的PS基材芯片，乙醇溶液和去离子水清洗后，烘干备用。
(3)将不同浓度的硬脂酸溶液(具体浓度见表1)分别滴在不同硅烷化处理的PS芯片表面的质控区后形成控速位置，在37℃温度处理1h，得到具有疏水坝功能的PS芯片基片。
(4)将具有疏水坝功能的PS芯片基片置于去离子水溶液中，清洗5min后烘干，将盖片和基片经胶膜键合，即得一种流速可控的微流控芯片。
以水为流动相(掺杂溴酚蓝，方便观察)，流动实验检测流体通过检测通道所用时间，表征疏水坝减速效果，实验结果见图7，具体实验参数如下：
表1实施例3的实验参数
通过图7可知，不同配比的硅烷化试剂处理的基片，其样本流经检测通道的总时间不同，表现为在一定浓度范围内随着硅烷化试剂浓度的增加样本流经检测通道时间延长。例如，活化后5％硅烷化处理较2.5％硅烷化处理，基片表面接枝更多的氨基，相对比较疏水，流速较慢；相同硅烷化试剂配比下，硬脂酸溶液在一定的浓度范围内，减速效果与其浓度成正比关系，随着浓度的增加样本流经检测通道时间显著延长。
实施例4
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括如下步骤：
(1)将5片PS基材芯片用去离子水进行超声清洗，而后用氧等离子体活化处理90s，等离子体发生功率为150w，等离子体氧气流量为500mL/min，得到等离子体活化处理的微流控芯片。
(2)将等离子体活化处理的PS基材芯片置于体积浓度为2.5％的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，37℃处理30min，得到硅烷化处理的PS芯片，乙醇、去离子水清洗后，烘干备用。
(3)将不同浓度的硬脂酸溶液滴在硅烷化处理后的PS芯片表面的质控区后形成控速位置，在37℃的温度下处理1h，得到具有疏水坝功能的PS基材芯片。
(4)将具有疏水坝功能的PS基材芯片基片置于去离子水溶液中，清洗5min后烘干，将盖片和基片经胶膜键合即得一种流速可控的微流控芯片。
以水为流动相(掺杂溴酚蓝，方便观察)，流动实验检测流体通过检测通道所用时间，表征疏水坝减速效果，实验结果见图8和图9。
通过图8和图9可知，在PS基材上，随着疏水坝浓度的增大，流体在控速位置停留时间增加，流体流经检测通道所用的时间延长，平均速度逐渐减小，充分说明本专利构建的疏水坝对流体起到了减速作用，可使免疫反应更加充分，从而提高检测灵敏度。
实施例5
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括：
取5片PMMA基材芯片(具体结构见图1和图2)，将不同浓度的硬脂酸滴加在控速区域形成疏水坝，将盖片和基片经胶膜键合，即得一种流速可控的微流控芯片。
以水为流动相(掺杂溴酚蓝，方便观察)，流动实验检测流体通过检测通道所用时间，表征疏水坝减速效果，实验结果见图8和图9，具体实验参数如下：
表2实施例5的实验参数
由图10和图11可知，在PMMA基材上，随着疏水坝浓度的增大，流体在控速位置停留的时间增加，流体通过检测流道所用的时间延长，平均速度逐渐减小，充分说明本方法构建的疏水坝对流体起到了一定的减速作用，可使免疫反应更加充分，从而提高检测灵敏度。
实施例6
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括：
取2片PMMA基材芯片，疏水物质硬脂酸滴加在检测区和质控区后分别形成不同的控速位置(控速位置1、控速位置2)，结合前面的实施例5，不同浓度疏水坝流动实验，以水为流动相(掺杂溴酚蓝，方便观察)，流动实验检测流体通过检测通道所用时间，探究不同个数的疏水坝减速效果，具体内容如下：
表3实验参数
表4实验结果
样本 样本流经检测通道所用时间(s) 平均速度(mm/s)
S1 23 5.86
S2 30.64 2.77
结合前面实施例5中样本S2的流动实验，流体通过检测通道所用时间为18.8s，而此次实验样本S1增加疏水坝的个数为两个时，流体通过检测通道的时间为23s，明显延长，可以看出，增加疏水坝的个数，亦能调节流体的不同流速；而样本S2，则采用两个不同浓度的疏水坝，样本经高浓度的疏水坝“阻挡”后，流速进一步减缓，致使样本通过二个疏水坝所用时间进一步延长；结合前面的实施例，可以看出，本专利构建的疏水坝随着疏水物质浓度的不同，数量的不同，可实现不同的减速效果。
实施例7
本实施例中，通过流速可控的微流控芯片表面修饰方法制备微流控芯片，具体包括：
取3片PMMA基材芯片，不同浓度的疏水物质硬脂酸钠滴加在孵育区后形成控速区域，将盖片和基片经胶膜键合，即得一种流速可控的微流控芯片。以水为流动相(掺杂溴酚蓝，方便观察)，流动实验检测流体通过检测通道所用时间，探究不同浓度的疏水物质构建的疏水坝减速效果，实验结果见图12，具体内容如下：
表5实验参数
由图12可知，样本流经含有不同浓度的硬脂酸钠疏水坝的检测流道所用时间不同，随着疏水坝浓度的增加，所需时间延长。对比实施例5可以发现，不同的疏水物质，疏水效果不同，且硬脂酸的疏水效果明显强于硬脂酸钠。
通过上述实施例可知，经过本发明的修饰方法修饰过的微流控芯片，在进行免疫检测时，无需借助其他设备，即可实现自动进样和样本的精准调控，修饰表面性能稳定，检测灵敏度高，可广泛应用于免疫检测微流控芯片的表面改性中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：微流控芯片表面活化处理：将微流控芯片表面进行清洗和干燥后进行表面活化处理；
S2：微流控芯片表面化学接枝处理：将微流控芯片的表面进行气相或液相接枝处理并烘干后得到表面具有相应官能团修饰的微流控芯片；
S3：配置疏水溶液：将疏水物质与水或乙醇混合得到疏水溶液，所述的疏水物质为脂肪酸及其盐中的一种或两种以上的混合物；
S4：微流控芯片表面构建局部疏水坝：将步骤S3制得的疏水溶液局部滴加至步骤S2所得到的相应官能团修饰的微流控芯片表面形成疏水坝后置于恒温环境中静置，静置后备用；
S5：微流控芯片表面清洗：将步骤S4得到的微流控芯片用去离子水清洗，真空干燥后即得流速可控的微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述步骤S1中的表面活化处理采用UV辐射处理、等离子体处理、臭氧处理、电晕处理、强酸处理或强碱处理；优选地，所述步骤S1中的表面活化处理采用等离子体处理。
3.根据权利要求2所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述等离子体处理的气氛为空气、氧气、氮气、氩气的一种或两种以上的混合气体；优选地，所述等离子体的处理时间为0.5-20min，等离子体的气体流量为200-1500mL/min，等离子体发生功率为50-300w。
4.根据权利要求1所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述步骤S2中化学接枝处理为液相硅烷化处理，所述的液相硅烷化处理中使用的硅烷化溶液中溶质为3-氨丙基三乙氧基硅烷、二氯二甲基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷或六甲基二硅氨烷中一种或两种以上的混合物。溶剂为水或乙醇；优选地，所述硅烷化溶液的体积浓度为1-10％。
5.根据权利要求4所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述步骤S2中的液相硅烷化处理温度为20-60℃；所述硅烷化处理的时间为10-120min；所述烘干温度为37-90℃；所述烘干时间为15-60min。
6.根据权利要求1所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述疏水物质为饱和脂肪酸、饱和脂肪酸盐、不饱和脂肪酸或不饱和脂肪酸盐中一种或两种以上的混合物，优选地，所述疏水物质为硬脂酸、硬脂酸盐、软脂酸、油酸或油酸盐中一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求6所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述疏水溶液为质量浓度为0.01％-5％的硬脂酸的乙醇溶液。
8.根据权利要求6所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述疏水溶液为质量浓度为0.01％-5％的硬脂酸盐的水溶液或乙醇溶液；优选地，所述硬质酸盐为硬脂酸钠、硬脂酸钾或硬脂酸镁。
9.根据权利要求1所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述疏水坝设置于芯片表面的孵育区后、检测区后或质控区后，每个区域后的疏水坝数量为一个或两个以上，优选地，所述疏水坝的形状为点阵、区域或图案，所述疏水坝覆盖孵育区后、检测区后或质控区后的流道的宽度；更优选地，所述疏水坝的体积为1-10μL。
10.根据权利要求1所述的流速可控的微流控芯片表面修饰方法，其特征在于：所述步骤S4中恒温环境的温度为37℃-60℃，静置时间为0.5h-2h；所述步骤S5中清洗次数为2-5次，每次清洗时间为2-5min。
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