CN116333551A - 一种微流控芯片表面处理剂、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种微流控芯片表面处理剂、制备方法及其应用，涉及检测分析技术的领域，微流控芯片表面处理剂包括以下重量份的原材料：聚乙二醇单甲醚1~10份；偶联剂0.1~0.5份；1,2‑丙二醇1~15份；二甲苯1~15份；去离子水50~80份；聚乙烯吡咯烷酮1~25份；抗氧化剂0.1~0.5份；表面活性剂1~5份。本申请中制得的微流控芯片表面处理剂可以在聚合物基材表面形成一层具有良好亲水性和稳定性的亲水涂层，有效提升聚合物基材表面亲水性能并且亲水性能的稳定可靠且时效长。
Description
技术领域
本申请涉及检测分析技术的领域，尤其是涉及一种微流控芯片表面处理剂、制备方法及其应用。
背景技术
微流控芯片技术是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。目前主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个***，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能。
微流控芯片的材质决定了芯片的性能，目前常用的制作微流控芯片的材料包括石英、玻璃和聚合物等。其中，石英易碎、价格昂贵，并且表面化学行为复杂；玻璃微流控芯片的制作过程冗长，难以制得具有大宽深比的通道，并且芯片封接工艺复杂，因此，石英和玻璃等传统的无机材料不利于微流控芯片的批量生产，已逐渐被聚合物材料所取代。聚合物材料具有成本低、易于加工等优点，并且具有良好的透光性和介电性，可以被广泛应用于微流控芯片基材领域，目前使用最多的聚合物材料包括局二甲基硅氧烷、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等。由于聚合物材料大都为疏水材料，其表面亲水性欠佳，导致微流控芯片中的液体样本难以在微通道中浸润、铺展和流动，而且表面易于吸附样品中的疏水性大分子，使检测准确度和灵敏度降低，因此有必要对聚合物材料进行表面修饰改性，提升其表面亲水性。
现有技术中常用的微流控芯片聚合物基材表面改性处理的方法主要以湿法化学处理法为主，通过在材料表面化学接枝或引发聚合的方法在疏水材料表面形成一层亲水涂层，实现亲水改性，但是这种方法极易破坏材料的本体结构而且工艺复杂，会产生大量的工业三废，并增加了三废处理成本，因此不适宜大规模的工业化推广。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本申请提供一种微流控芯片表面处理剂、制备方法及其应用，以期减少聚合物基材表面改性过程中工业三废的产生，降低生产和处理成本。
第一方面，本申请提供一种微流控芯片表面处理剂，采用如下的技术方案：
一种微流控芯片表面处理剂，包括以下重量份的原材料：
聚乙二醇单甲醚1～10份；
偶联剂0.1～0.5份；
1,2-丙二醇1～15份；
二甲苯1～15份；
去离子水50～80份；
聚乙烯吡咯烷酮1～25份；
抗氧化剂0.1～0.5份；
表面活性剂1～5份。
通过采用上述技术方案，偶联剂分子中的有机官能基可以与聚合物基材表面发生偶联反应，稳定接枝附着在聚合物基材表面，而偶联剂分子中的亲水官能基使其与水以及其他无机界面具有良好的反应性，进而在聚合物基体表面形成一层稳定附着的两亲性结合层。聚乙烯吡咯烷酮是一种非离子型水溶性高分子化合物，极易溶于水并且具有良好的吸附性、粘接性和成膜性，并且聚乙烯吡咯烷酮本身带有亲水基团，极易与水结合形成亲水凝胶；聚乙二醇单甲醚具有良好的水溶性和润湿性；聚乙二醇单甲醚与去离子水和1,2-丙二醇混合后可以形成具有良好亲水性和润湿性能的醚/水/醇混合液，该混合液与聚乙烯吡咯烷酮一同形成一层具有良好且长效亲水效果的亲水涂层；再通过偶联剂的接枝键合作用，可在基材表面形成一层稳定的亲水改性涂层，该亲水涂层在经过活化处理的基材表面可以稳定粘接，进而实现聚合物基材表面的亲水改性，并且通过偶联剂与聚合物基材表面的接枝键合，进一步提升亲水改性涂层在基材表面的稳定性。
本申请中提供的微流控芯片表面处理剂，通过在微流控芯片基材表面形成一层稳定的亲水涂层改善表现润湿性能。通过本申请中的表面处理剂进行亲水改性的过程中对基材表面结构的破坏性较小，并且没有工业三废产生，环保可靠。另外，经过上述表面处理剂处理后形成的亲水涂层，不会吸附检测样品中的活性分子，可以有效降低对检测准确度和灵敏度的影响。
可选的，所述聚乙二醇单甲醚的平均分子量为500～2000。
通过采用上述技术方案，低分子量的聚乙二醇单甲醚其粘度更低，具有更优的润湿性能并可很好地调节混合液的稠度，制得的处理剂的成膜性能更优。
可选的，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为10000～20000。
通过采用上述技术方案，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量限定在此范围中，其具有更好的润湿性和成膜性能，并且与基材表面之间的粘接性能更好，获得更加稳定的亲水涂层。
可选的，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
可选的，所述表面活性剂包括十二烷基磺酸钠、聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、丁二酸二辛酯磺酸钠中的一种或多种组合。
通过采用上述技术方案，表面活性剂可以进一步改善聚合物基材表面的润湿性，提升亲水涂层在聚合物表面的附着稳定性。
可选的，所述抗氧化剂包括二丁基羟基甲苯、亚磷酸酯、亚磷酸三苯酯、硫代二丙酸双月桂酯中的一种或多种组合。
通过采用上述技术方案，抗氧化剂可以提升处理剂的抗氧化性能，使形成的亲水涂层保持长久的稳定性能和长效亲水效果。
第二方面，本申请提供一种微流控芯片表面处理剂的制备方法，采用如下的技术方案：
一种微流控芯片表面处理剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、将聚乙二醇单甲醚、1,2-丙二醇和二甲苯混合均匀制得A组分；
S2、取聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，然后加入硅烷偶联剂、抗氧化剂以及表面活性剂，混合均匀后得到B组分；
S3、将A组分和B组分混合，得到微流控芯片表面处理剂。
第三方面，本申请提供一种微流控芯片表面处理剂在微流控芯片基材表面改性处理中的应用，包括以下步骤：对微流控芯片基材表面进行等离子处理，然后将微流控芯片基材表面浸渍微流控芯片表面处理剂，表面处理剂固化后形成亲水涂层。
基材表面经过等离子处理后会产生更多的活化基团利于表面处理剂中的活性成分的接枝改性，同时可以增强亲水涂层在基材表面的粘接效果和稳定性。等离子处理气体优选为氧气；所述聚合物基材包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。基材表面浸渍表面处理剂后，静置3～10min，然后吹去基材表面残余的处理剂，涂层自然固化。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请技术方案中，通过聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇单甲醚的协同作用，可以在微流控芯片聚合物基材表面形成具有良好亲水性和润湿性能的亲水涂层，并通过偶联剂和表面活性剂的作用，使得亲水涂层中的活性成分与基材表面接枝改性，结合处理剂组分自身的粘接效果，制得亲水涂层可以在基材表面稳定存在并具有长效的亲水效果。
2.本申请中提供的微流控芯片表面处理剂，通过在微流控芯片基材表面形成一层稳定的亲水涂层改善表现润湿性能。通过本申请中的表面处理剂进行亲水改性的过程中对基材表面结构的破坏性较小，并且没有工业三废产生，环保可靠。
3.在使用处理剂对微流控芯片基材表面进行改性处理前先进行等离子处理，通过等离子处理使基材表面产生更多的活性基团，有利于处理剂成分在基材表面的接枝改性和亲水涂层的粘附。
附图说明
图1为示出未经过亲水改性处理的聚合物基材的表面润湿效果的照片；
图2为示出实施例1中经过亲水改性处理的聚合物基材的表面润湿效果的照片。
图3为示出实施例1中经过亲水改性处理的聚合物基材老化试验后的表面润湿效果的照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。需要说明的是，以下实施例中未注明具体者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行；以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
实施例1
一种微流控芯片表面处理剂，组分配比参照表1，具体制备方法如下：
S1、按配比，将平均分子量800的聚乙二醇单甲醚、1,2-丙二醇和二甲苯混合，搅拌均匀制得A组分；
S2、按配比，将平均分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，然后加入硅烷偶联剂KH-570、聚乙二醇、二丁基羟基甲苯，搅拌混合均匀，得到B组分；
S3、将A组分和B组分均匀混合，得到微流控芯片表面处理剂。
实施例2～4
实施例2～4中提供的微流控芯片表面处理剂，与实施例1的主要区别在于组分配比不同，其余均与实施例1保持一致。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，原材料中不添加聚乙二醇单甲醚，其余均与实施例1保持一致。组分配比参照表1。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，原材料中不添加聚乙烯吡咯烷酮，其余均与实施例1保持一致。组分配比参照表1。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，原材料中不添加1,2-丙二醇，其余均与实施例1保持。组分配比参照表1。
对比例4～6
对比例4～6与实施例1的区别在于原材料组分配比不同，具体组分配比参照表1，制备方法与实施例1保持一致。
表1：实施例1～4组分配比(单位：g)
将实施例1～4和对比例1～6中制得的微流控芯片表面处理剂应用于微流控芯片聚合物基材表面亲水改性处理，并检测经过亲水改性处理后基材表面的亲水性能，具体为：
取PS材质的微流控芯片基材，进行氧气等离子处理，处理时长15s，等离子处理后将基材浸渍制得的微流控芯片表面处理剂，静置5min，吹去基材表面残余的液体，在常温下静置2h干燥固化，完成微流控芯片表面亲水改性处理。
对照组：取同批次PS基材，进行氧气等离子处理15s。
老化试验：将经过亲水改性处理的基材置于45℃烘箱中进行老化试验，恒温烘烤30天后取出，检测其表面水滴角和润湿性能。
基材表面亲水性能检测方法如下：
采用水滴角测试仪，使用蒸馏水为检测液体，测试基材表面的水滴角和润湿性能。
实施例1～4和对比例1～6性能检测结果见下表2。
表2：实施例1～4及对比例1～6检测结果
结合表2中的数据以及图1～3可以看出，经过本申请技术方案中提供的表面处理剂处理后的聚合物基材，其表面的亲水性大幅提升，具有很好的润湿性。对比对照组，对照组中仅对聚合物基材进行了等离子处理，虽然等离子处理后聚合物基材表面的亲水性能大幅提升，但经过老化试验后，其表面亲水性能基本恢复到等离子处理前的水平，而经过微流控芯片表面处理剂处理过的聚合物基材表面，老化前后的亲水性能基本保持一致，时效长并且具有良好的稳定性。
实施例1～4在本申请技术方案限定的范围内对表面处理剂的组分配比做了调整，通过表2中的数据可以看出，在本申请技术方案限定的组分配比范围内，制得的表面处理剂均具有良好的表面改性效果，形成的亲水涂层稳定性好，且亲水性能时效长。
对比例4～6对表面处理剂的组分做了一些调整，分别增加了聚乙二醇单甲醚、聚乙烯吡咯烷酮以及1,2-丙二醇的添加量，通过检测数据可以看出，在聚乙二醇单甲醚或聚乙烯吡咯烷酮添加过量的条件下，虽然对形成的亲水涂层的初始润湿性能影响不大，但是亲水涂层的稳定性变差，经过老化试验后，亲水涂层的润湿性均有明显的降低。而1,2-丙二醇添加过量后，亲水涂层的初始润湿性能已经明显降低，水滴不能在其表面很好的润湿开来。这可能是因为过量添加的组分在聚合物基材表面为完全成膜或者与基材表面接枝反应，使得形成的亲水涂层中的游离态分子结构增多，破坏了亲水涂层的稳定性。
对比例1～3中分别从原材料中去除了聚乙二醇单甲醚、聚乙烯吡咯烷酮以及1,2-丙二醇，可以看出，部分原材料缺失后，各组分之间的协同效果被破坏，使得微流控芯片表面处理剂的亲水改性效果明显减弱，并且亲水涂层的稳定性也大幅下降。
实施例5
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，聚乙二醇单甲醚的平均分子量为2000，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为20000，其余均与实施例4保持一致。
实施例6
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，聚乙二醇单甲醚的平均分子量为800，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为12000，其余均与实施例4保持一致。
实施例7
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，聚乙二醇单甲醚的平均分子量为5000，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为30000，其余均与实施例4保持一致。
实施例8
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，表面活性剂为十二烷基磺酸钠和聚乙二醇按1:1的质量比混合，其余均与实施例4保持一致。
实施例9
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，表面活性剂为十二烷基磺酸钠、月桂醇硫酸钠和聚乙二醇按1:1的质量比混合，其余均与实施例4保持一致。
实施例10
一种微流控芯片表面处理剂，与实施例4的区别在于，抗氧化剂为二丁基羟基甲苯和亚磷酸三苯酯按1:1的质量比混合，其余均与实施例4保持一致。
将实施例5～10中得到的微流控芯片表面处理剂应用于微流控芯片聚合物基材表面亲水改性处理，并检测经过亲水改性处理后基材表面的亲水性能，具体为：
取PS材质的微流控芯片基材，进行氧气等离子处理，处理时长15s，等离子处理后将基材浸渍制得的微流控芯片表面处理剂，静置5min，吹去基材表面残余的液体，在常温下静置2h干燥固化，完成微流控芯片表面亲水改性处理。
老化试验：将经过亲水改性处理的基材置于45℃烘箱中进行老化试验，恒温烘烤30天后取出，检测其表面水滴角和润湿性能。
实施例11
本实施例中微流控芯片表面处理剂的配比及制备方法均与实施例10保持一致，区别在于，微流控芯片表面处理剂应用于微流控芯片聚合物基材表面亲水改性处理的工艺不同，具体为：取PS材质的微流控芯片基材，直接浸渍制得的微流控芯片表面处理剂，静置5min，吹去基材表面残余的液体，在常温下静置2h干燥固化，完成微流控芯片表面亲水改性处理。
实施例5～11性能检测结果见下表3。
表3：实施例1～4及对比例1～6检测结果
实施例5～10对微流控芯片表面处理剂的各原料组分的参数做了进一步的调整，可以看出，通过优化各原材料的型号的配比，可以使形成的亲水涂层的亲水性能和亲水涂层的稳定性得到进一步的提升。
实施例11中在进行聚合物基材表面改性处理时，不对聚合物表面做等离子处理，可以看出，形成的亲水涂层初期的亲水性能没有太明显的变化，但是亲水涂层的稳定性明显减弱，可能是因为未经过等离子处理的聚合物基材表面的活性基团较少，影响了亲水涂层在聚合物基材表面的接枝改性和粘附，导致亲水涂层与聚合物基材之间的结合性变差，影响了亲水涂层的稳定性。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，包括以下重量份的原材料：
聚乙二醇单甲醚1~10份；
偶联剂0.1~0.5份；
1,2-丙二醇1~15份；
二甲苯1~15份；
去离子水50~80份；
聚乙烯吡咯烷酮1~25份；
抗氧化剂0.1~0.5份；
表面活性剂1~5份。
2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，所述表面活性剂包括十二烷基磺酸钠、聚乙二醇、月桂醇硫酸钠、丁二酸二辛酯磺酸钠中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，所述抗氧化剂包括二丁基羟基甲苯、亚磷酸酯、亚磷酸三苯酯、硫代二丙酸双月桂酯中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，所述聚乙二醇单甲醚的平均分子量为500~2000。
6.根据权利要求1所述的一种微流控芯片表面处理剂，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为10000~20000。
7.权利要求1~6任一项所述的一种微流控芯片表面处理剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将聚乙二醇单甲醚、1,2-丙二醇和二甲苯混合制得A组分；
S2、取聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，然后加入硅烷偶联剂、抗氧化剂以及表面活性剂，混合得到B组分；
S3、将A组分和B组分混合，得到微流控芯片表面处理剂。
8.权利要求1~6任一项所述的一种微流控芯片表面处理剂在微流控芯片基材表面改性处理中的应用，其特征在于：对微流控芯片聚合物基材表面进行等离子处理，然后将经过等离子处理的表面浸渍微流控芯片表面处理剂，表面处理剂固化后形成亲水涂层。
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