图解微流控｜第7期

发表时间：2021-09-10 13:32

表面改性技术（一）

在微流控芯片中，由于比表面积比较大，表面性质显得尤为重要。未经处理的芯片表面性质单一，不能满足多种实验需求，因此在很多场合必须对芯片表面进行改性处理，以达到预期目的。与毛细管电泳相比，微流控芯片的表面改性技术更具有挑战性，也要困难得多。本章从常见的微流控芯片材料出发，分别介绍与玻璃和石英芯片、热塑性聚合物芯片以及固化型聚合物芯片相对应的一些表面改性技术。

3.1 表面改性技术概述

操作单元尺度在微米量级的微流控芯片构件表面有三个明显的特点：

①表面积/体积比大在微流控芯片中，随着表面积与体积比的增大，表面效应显著，表面的重要性被强化，表面的微小变化就会对流体的行为产生大的影响。

②材料多元化微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的复杂性（图3-1）。不同的表面电渗不同，对不同分子的相互作用方式和程度不同，因此影响很多流动过程甚至结果。特别是，有一些芯片表面吸附的过程和机理仍然不很清楚，增加了表面研究的难度。

图3-1 各种不同材料芯片的微结构^[1-3]

(a) 硅片；(b) 玻璃芯片；

③需求多样性芯片分离、芯片反应和芯片细胞培养等微流控芯片单元技术都与表面性质紧密相关。芯片电泳分离需要避免表面吸附，而芯片反应和芯片细胞培养则要以表面作为支架，并且都涉及芯片表面分子的固定。不同的单元技术对表面性质有不同的需求。

未经处理的芯片表面性质单一，往往不能适应各种芯片应用的需求，在很多场合必须对芯片表面进行处理，控制表面性质，优化表面行为，以达到预期目的。

芯片表面改性的目的主要有：①减小表面非特异性作用。②增强表面特异性作用。③提高表面稳定性。

表面改性的方法很多，按照改性剂作用状态的不同，大致可以分为静态改性和动态改性两大类^[4]。静态改性是指化合物（一般为聚合物）通过共价键和表面的功能基团相连，或者通过交联反应聚合在通道内壁。动态改性则是指在分析前用含有改性剂的溶液冲洗通道或者直接将改性剂加入到运行缓冲液中，使可溶性的表面活性物质吸附在芯片表面。这一吸附过程多是物理过程，是可逆的，因此运行缓冲液中会含有大量的活性物质，使得这种改性方法不适合用于亲和研究，芯片与质谱联用以及化学反应中。有时也可以将这两类改性方法结合，首先通过动态改性将改性物质吸附在芯片表面，再利用化学方法将这层物质交联，以增大其在表面的附着力。一些常用的动态及静态改性方法见图3-2。

图3-2 常用微流控芯片表面改性方法

一般来讲，具体的修饰方法总是与特定的芯片材料相关，本章将从常见的微流控芯片材料（石英与玻璃、有机高分子聚合物）出发，分别介绍相应的一些常用表面改性方法。

3.2 玻璃和石英芯片的表面改性

石英是一种二氧化硅晶体，玻璃是无机盐掺杂的二氧化硅，是非晶体。二者导热性能好，是热的良导体；介电系数高，是电的绝缘体；都可被碱腐蚀，是刻蚀制作石英、玻璃微流控芯片的基础材料。石英价格偏高，芯片加工、封接的难度较大；玻璃价格相对便宜、易于刻蚀、封接，所以使用比较普遍。在长时间使用有机溶剂，或是需要涉及高温、高压的场合，如合成反应、电泳分离等，一般须使用石英或玻璃芯片。图3-3和图3-4分别为作者实验室在经过表面改性的玻璃和石英芯片上获得的不同分离模式的电泳图^[5,6]，这里，表面改性的作用为抑制电渗流和减少蛋白质在通道表面的吸附。

图3-3 玻璃芯片经线性聚丙烯酰胺静态涂层改性后以等速电泳-凝胶电泳（ITP-GE）模式分离SDS-蛋白^[5]

(a) 玻璃芯片图；(b) 分离电泳图

图3-4 石英芯片经线性聚丙烯酰胺静态涂层改性后以等速电泳-区带电泳（ITP-ZE）模式分离槲皮素和异鼠李素^[6]

(a) 石英芯片图；(b) 分离电泳图

玻璃和石英的表面改性方法在毛细管电泳和色谱的研究中已有很好的基础，相对比较成熟，可以在芯片的相关研究中借鉴。本节主要介绍动态改性和静态改性中的硅烷化反应。

3.2.1 动态改性

玻璃和石英芯片的动态改性涂层通常利用到静电引力，在通道表面吸附某种物质，以改变表面的性质。在电泳分离时减少表面吸附，往往可提高分离效率。

Pumera小组^[7]基于上述方法报道了一种动态改性涂层芯片，利用静电引力，首先将在很宽的pH范围内带有很强正电的季铵盐多电聚合物牢牢吸附在带有负电的玻璃芯片表面，再将带有负电的纳米金溶胶颗粒吸附在季铵盐多电聚合物的涂层表面，制备出纳米金涂层的芯片通道（图3-5）。在这种通道内，邻、间、对氨基苯酚可以得到很好的分离，其效果明显优于未涂层芯片（图3-6）。

图3-5 玻璃芯片表面多层吸附聚二烯丙基二甲基氯化铵和金纳米颗粒示意图^[7]

图3-6 玻璃芯片分离对氨基苯酚(1)、邻氨基苯酚(2)和间氨基苯酚(3)电泳谱图^[7]

(a) 未涂层芯片；(b) 聚合物/金纳米涂层玻璃芯片

3.2.2 硅烷化反应

玻璃和石英芯片的静态改性绝大多数与硅烷化反应有关，这也是当年电泳毛细管表面涂层研究的重点。硅烷化反应的基本原理是利用硅氧键水解生成的硅羟基与芯片表面硅羟基脱水缩合反应，在芯片表面偶联功能化的硅氧烷，其功能团可用于下一步反应。聚丙烯酰胺和聚乙烯醇是目前两种比较常见的石英、玻璃芯片表面硅烷化涂层试剂。聚丙烯酰胺常用于芯片核酸及蛋白质电泳^[8-11]，聚乙烯醇常用于小分子快速分析^[12-14]，两者的效果都很好。

针对微流控芯片表面的聚丙烯酰胺硅烷化改性技术有一些新的发展。Zare小组报道了光诱导丙烯酰胺聚合芯片表面涂层^[15]：在用烯烃硅烷处理芯片表面后，灌入5%丙烯酰胺水溶液，其中添加0.2%的水溶性光引发剂和250 ppm的羟基喹酮，用40 μJ/μm2、10 Hz的Nd-YAG半导体激光器照射15 s（图3-7）。这种方法能大大缩短反应的时间，而且可以精确控制表面修饰的区域。在修饰的芯片通道内，细胞黏附明显减少（图3-8），电泳分离神经细胞裂解液效果优于未处理芯片。