图解微流控｜第8期

发表时间：2021-09-14 13:34

表面改性技术（二）

3.3 热塑性聚合物芯片的表面改性

热塑性聚合物的分子是线型结构，在受热时发生软化或熔化，可塑制成一定的形状，冷却后又变硬。在受热到一定程度又重新软化，冷却后再变硬，这种过程能够反复进行多次。热塑性聚合物芯片的种类很多，目前，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）在微流控芯片领域使用相对较多。热塑性聚合物芯片的物理性质不如玻璃芯片稳定，一般只能在150℃以下使用，硬度较低，承受气压有限，紫外区透光性差，不适合高灵敏的光学检测使用。在化学性质方面，大部分的有机溶剂都会溶解、破坏芯片的表面，但热塑性聚合物芯片有较强的耐酸碱能力。图3-9为作者实验室利用表面静态改性的PMMA芯片获得的SARS病毒PCR产物电泳图^[16]。

图3-9 SARS病毒双重PCR产物PMMA芯片电泳图谱^[16]

某临床确诊SARS患者取其咽拭子样品处理后，用作者实验室设计的SARS双重PCR诊断试剂进行扩增，其产物用PMMA芯片分析。图中所示100 bp , 200 bp, 242 bp, 373 bp, 300 bp, 400 bp, 500 bp是DNA标准品的各片段长度

热塑性聚合物芯片一般采用注塑法制作，可批量生产。但不同批次、不同产地的聚合物分子的聚合度和分子构象往往会有差异，注塑芯片时压力和温度也会有些许不同，所以即使是同一材质的聚合物，在最终成型制成芯片后其表面性质在很多方面仍会有很大差异。为了获得比较理想的表面性质稳定的聚合物芯片，一方面要统一芯片材料和制作工艺；另一方面，要进行表面改性处理。

3.3.1 本体掺杂

与玻璃和石英芯片不同，聚合物芯片必须根据各自材料的不同，采取不同的方法对表面进行改性处理。这不仅包括表面的修饰，也包括采用各种化学和物理手段对材料本身进行改性。本体掺杂就是一种常用的静态改性方法，它是指在本体中加入改性物质，通过改变聚合物成分来方便地调节芯片的表面性质。

热塑性聚合物芯片多采用注塑法制作，作者实验室在注塑PMMA芯片时向本体中添加了5%左右的ABS塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物），发现芯片透光率明显提高，表面水接触角减小，芯片电泳核酸分离效果得到改善（图3-10）。ABS本身没有很好的光学性能和亲水特性，所以它的加入可能改变了PMMA的注塑性能，从而改变芯片本体及表面的性质^[17]。

图3-10 PMMA芯片分离φX-174/Hae Ⅲ，digest DNA标准品电泳图谱^[17]

1. 72 bp; 2. 118 bp; 3. 194 bp; 4. 234 bp; 5. 271 bp; 6. 281 bp; 7. 310 bp; 8. 603 bp; 9. 872 bp; 10. 1078 bp; 11. 1353 bp。(a) 表面改性芯片；(b) 未改性芯片；在表面改性芯片上，210 s内，标准品的11个DNA片段全部得到了分离，其中271 bp与281 bp，1078 bp与1353 bp达到基线分离

3.3.2 动态改性

聚合物芯片的动态改性涂层多利用氢键作用和疏水相互作用，在表面吸附某种物质来改变表面的性质，减少分析物质在芯片表面的吸附，从而提高电泳分离效率。

Dang小组发现0.25% 十二烷基二半乳糖（DDM）动态吸附涂层可以有效抑制PMMA芯片表面对糖分子的吸附，提高分离速度；如果与0.03% 甲基纤维素（MC）同时使用，还可以进一步缩短分离时间（图3-11）^[18]。

图3-11 十二烷基二半乳糖和甲基纤维素对芯片电泳糖分离的影响^[18]

(a) 在甲基纤维素（MC）单独使用以及和十二烷基二半乳糖（DDM）混合使用动态涂层的PMMA芯片上，电泳分离APTS标记G3糖；(b) 在十二烷基二半乳糖和甲基纤维素混合动态涂层的PMMA芯片上，电泳分离脱氧核糖核酸酶-B的N-连接多糖

3.3.3 聚合诱导接枝

聚合诱导接枝是聚合物芯片常用的一种静态改性方法，基本过程是先将高分子单体聚合，再将其偶联在芯片的表面。按照反应过程聚合诱导接枝大致可以分为三类，分别为表面乙烯类单体介导自由聚合、表面原子转移自由基聚合和表面分子的脱氢介导聚合。本节主要介绍后两种表面改性方法在PMMA芯片上的应用。

表面原子转移自由基聚合（ATRP）过程需要在芯片表面先引入ATRP引发剂，这一步通常需要在无水无氧条件下操作，虽然难以控制，但是这种方法接枝聚合的效率非常高，改性涂层的性能也好。Liu小组^[19]将PMMA芯片表面先经过氧等离子体处理，接着进行酰化反应，在芯片表面形成卤代基团，这些基团就可以用于原子转移自由基聚合反应的引发剂，再聚合偶联一层亲水性的聚合物，比如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等，从而改善分离。图3-12分别展示了PMMA表面原子转移聚合的原理以及在处理后芯片上蛋白质的电泳分离，从图中可以看到，在经过改性的芯片上组分出峰时间提前、峰型尖锐，分离效果明显改善。

图3-12 PMMA芯片表面ATPR改性过程及电泳图^[19]

(a) PMMA芯片表面ATRP改性过程示意图；(b) PMMA芯片上BSA电泳图，(Ⅰ) ATRP处理芯片， (Ⅱ) 未处理芯片；1a, 1b, 1c三个峰是BSA样品中的三种主要成分

表面分子的脱氢介导聚合利用芯片表面有机分子在自由基引发剂或强烈的物理辐射（例如紫外光）下脱氢后形成的自由基诱导聚合，在表面形成高分子涂层，该方法不需要对芯片表面进行严格的处理，尤其适合在热塑性聚合物芯片上使用，可以在表面方便而且高效地引入高分子化合物，从而改善表面性质。作者实验室将该方法成功用于PMMA芯片微通道内壁改性研究^[20-22]。通过预吸附的方法，将苯甲酮吸附在PMMA微通道内表面，经紫外光引发聚合后将丙烯酰胺成功接枝在通道内壁。该改性方法可以改善通道表面的疏水性，减少样品吸附以及抑制通道内的电渗流。作者在此工作中首先将静态改性的PMMA芯片用于二肽混合物丙氨酸-亮氨酸（Ala-Leu）和亮氨酸-亮氨酸（Leu-Leu）的分离，考察涂层的稳定性（图3-13），再以肽和蛋白质为分析对象，对改性后的PMMA芯片分离性能进行了考察。由图3-14可以看出，FITC-酶解产物在改性后的PMMA芯片上得到了较好的分离，而未处理的芯片上峰展宽严重，出峰时间延长且酶解产物没有得到任何分离，这可能是因为FITC-酶联产物与疏水的PMMA芯片内表面之间发生严重的相互作用。