微流控芯片中聚二甲基硅氧烷表面修飾的研究進(jìn)展

微流控芯片中聚二甲基硅氧烷表面修飾的研究進(jìn)展

聚二甲基硅氧烷（pdms）是一種常見(jiàn)的有機(jī)材料（圖1）。由于其價(jià)格低、加工簡(jiǎn)單、化學(xué)穩(wěn)定性好、透光性好、生物兼容性等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前芯片毛細(xì)管電泳、微接觸印章、微檢測(cè)器等微流控制技術(shù)中最常用的材料之一。雖然PDMS的應(yīng)用非常廣泛,但是PDMS的高疏水性以及對(duì)非極性物質(zhì)的強(qiáng)吸附性,在某種程度上限制了其在微流控技術(shù)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。因此對(duì)PDMS表面的改性或修飾成為一種拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的有效方法。PDMS修飾方法主要有2種,即表面修飾方法和體修飾方法,其中表面修飾方法是最重要也是使用最廣的。1表面修飾的方法PDMS表面改性可以通過(guò)物理技術(shù)以及采用共混、共聚或側(cè)鏈基團(tuán)功能化等化學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)PDMS處理后的化學(xué)成分以及形成的表面價(jià)鍵結(jié)構(gòu),表面修飾的方法主要有以下幾種:等離子體處理、臭氧紫外輻射、表面活性劑處理和接枝共聚處理。這幾種PDMS表面修飾的方法是目前研究最多的,都具有各自的優(yōu)點(diǎn),所以為了達(dá)到更好的效果經(jīng)常采用多種方法結(jié)合。1.1等離子體處理等離子體(Plasma)是由部分電子被剝奪后的原子以及原子被電離所產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì),它是除固、液、氣外,物質(zhì)存在的第4態(tài)。等離子體處理的3個(gè)主要效果是切除、交聯(lián)和氧化(典型深度在50~500?)。除氧等離子體外,CO2和空氣等離子體都可以氧化聚合物表面,從而在聚合物表面引入含氧基團(tuán);氨氣、氮?dú)獾入x子體處理的作用是在表面形成胺基;惰性氣體等離子體可以使聚合物表面產(chǎn)生自由基位點(diǎn)。使用等離子體處理的目的是使惰性的聚合物表面活化,增強(qiáng)界面的交互作用以及使單層分子更容易擴(kuò)散到其表面。等離子體處理是最常用且發(fā)展最快的處理方法,它廣泛應(yīng)用于保護(hù)涂層、氣體柵欄、疏水層、光涂層和生物兼容性膜、濕敏元件等。早在1986年,Bodo等就分別利用Ar、O2等離子對(duì)PDMS表面進(jìn)行預(yù)處理,以增強(qiáng)表面對(duì)鈦薄膜的粘附性。他們通過(guò)XPS(X射線光電子光譜儀)和SEM(掃描電子顯微鏡)來(lái)觀察預(yù)處理后的PDMS表面形態(tài),證明等離子預(yù)處理造成PDMS的交聯(lián)反應(yīng),同時(shí)也增大了基底的表面強(qiáng)度。但是,他們沒(méi)有給出定量的說(shuō)明,而且處理的步驟、方式也都過(guò)于簡(jiǎn)單。1992年Gaboury等采用Ar/N2等離子處理PDMS表面,然后使用ATR-FTIR(衰減式全反射傅立葉紅外光譜儀)來(lái)定量測(cè)試PDMS表面富集的Si-H基團(tuán)的含量,并將含Si-H基團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)溶液的ATR譜通過(guò)Kramers-Kronig變換構(gòu)建出標(biāo)準(zhǔn)曲線。PDMS表面富集的Si-H基團(tuán)可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上計(jì)算得到,這也定量地證實(shí)了經(jīng)等離子處理后的PDMS表面可以得到Si-H功能團(tuán)的富集。Bar等利用空氣等離子體氧化不同交聯(lián)密度的PDMS樣本,并利用TMAFM(輕敲模式原子力顯微鏡)來(lái)監(jiān)控PDMS表面氧化程度的變化,同時(shí)結(jié)合相位成像實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)氧化后PDMS表面疏水性狀的恢復(fù)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氧化時(shí)間越長(zhǎng),PDMS表面氧化的程度越高。氧化程度與疏水性狀的恢復(fù)程度相一致。Houston采用RF(射頻)等離子處理方法來(lái)降低PDMS表面的氣體滲透性。指出,在典型值30W的Ar等離子體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,可以使用更高的能量密度來(lái)增強(qiáng)等離子的處理效果。通過(guò)與同樣條件下的O2等離子處理效果相比表明,30W的Ar等離子體具有較好的作用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,經(jīng)等離子處理后O2/N2的滲透率下降了80%,PDMS的滲透活性能顯著增加。等離子體處理容易在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn),經(jīng)等離子體處理后,PDMS表面形成所需的官能團(tuán),能改變表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并能引入磷酸基、羥基等官能團(tuán)來(lái)改善PDMS的生物兼容性,這對(duì)實(shí)驗(yàn)是非常有利的。但是,由于等離子體處理屬于暫時(shí)性處理方法,所以數(shù)小時(shí)后仍然會(huì)恢復(fù)疏水性;同時(shí)等離子體的產(chǎn)生需要一定的真空度,但徹底清除腔內(nèi)的其它氣體是比較困難的。而且,實(shí)驗(yàn)室等離子體處理結(jié)果很難重復(fù),因?yàn)樾枰獌?yōu)化的參數(shù)很多,如處理時(shí)間、處理溫度、照射功率、氣體成分以及氣壓等。此外,腔體內(nèi)潛在的其它化學(xué)物質(zhì)也會(huì)對(duì)樣品造成污染。1.2表面改性對(duì)生物活性產(chǎn)品性能的影響紫外照射與臭氧輻射共同作用是另外一種對(duì)PDMS表面修飾有效、可行的方法。與等離子體處理相比,該方法氧化PDMS表面深度更大且表面裂紋更少。當(dāng)經(jīng)紫外與臭氧處理時(shí),PDMS表面會(huì)逐漸形成有機(jī)硅層,從而使聚合物表面由疏水性向親水性轉(zhuǎn)變,同時(shí)增強(qiáng)電滲流以及減少反應(yīng)物在表面的吸附。紫外照射和臭氧處理相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)報(bào)道有很多,雖然取得的效果比單一方式處理的效果好,但都要求嚴(yán)格的環(huán)境條件和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。Schnyder采用光化學(xué)修飾方法,使用172nm紫外光來(lái)照射PDMS表面,在很短的照射時(shí)間內(nèi)使表面的C、Si、O含量發(fā)生顯著變化(表1),最終通過(guò)XPS以及橢圓光度法測(cè)算出表面Si/O比近似為1∶2。Olah等采用UV/ozone照射方法處理PDMS表面,觀察到親水的有機(jī)Si層逐漸形成。經(jīng)AFM(原子力顯微鏡)檢測(cè)表明,當(dāng)表面形成SiOx時(shí),其粗糙度迅速下降(處理完成后,表面粗糙度一般會(huì)小于2nm)。通過(guò)觀察接觸角的變化還可以監(jiān)測(cè)到疏水性的恢復(fù)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持疏水性恢復(fù)是由于有機(jī)Si層結(jié)構(gòu)中自由的硅氧烷重新覆蓋表層以及極性基團(tuán)重新定位的假說(shuō)。Berdichevsky等研究了紫外臭氧深度透射氧化PDMS的過(guò)程,并采用FTIR(傅里葉變換紅外光譜)頻譜檢測(cè)手段研究了PDMS表面改性后的物理屬性,同時(shí)通過(guò)測(cè)量接觸角測(cè)定了親水性改變的效果,結(jié)果表明親水性明顯增強(qiáng)。此外,UV/ozone照射也可以用來(lái)促使生物活性復(fù)合物的初始自由基聚合。但是UV/ozone照射處理會(huì)影響聚合物的光學(xué)特性。而且,紫外光容易被粒子阻擋,造成紫外處理的一致性不高。1.3pdms的潤(rùn)滑性表面活性劑(Surfactant)是指具有固定的親水親油基團(tuán)、在溶液表面能定向排列的分子。表面活性劑上2類結(jié)構(gòu)與性能截然相反的分子碎片或基團(tuán)分處于同一分子的兩端并以化學(xué)鍵相連接,形成了一種不對(duì)稱的、極性的結(jié)構(gòu),從而賦予了該類特殊分子既親水又親油,而又不是整體親水或親油的特性,并能使表面張力顯著下降。將表面活性劑釋放到交聯(lián)的聚合物基體中,在水溶液中由于表面活性劑的作用,使得PDMS的濕潤(rùn)性增強(qiáng)。所增強(qiáng)的程度是表面活性劑濃度的函數(shù)。Seo等通過(guò)向PDMS表面加入3%TritonTX-100(一種非離子型表面活性劑),PDMS的接觸角在90s內(nèi)下降了40°,而未加入表面活性劑的只下降了3°。接觸角和接觸半徑動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果表明,濕潤(rùn)性改變是由于表面活性劑轉(zhuǎn)移到水溶液和PDMS界面造成的,而且修飾過(guò)的PDMS能夠在30天內(nèi)有穩(wěn)定的接觸角。Wang等采用一種簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)涂層方式來(lái)降低反應(yīng)物吸附。他們把動(dòng)態(tài)修飾劑Tween20(一種非離子型表面活性劑)加入到運(yùn)動(dòng)的緩沖液中,可以看到電滲流明顯降低。通過(guò)這種修飾方法,精氨酸、脯氨酸、組氨酸、蘇氨酸可以在3.7cm長(zhǎng)的管道中實(shí)現(xiàn)快速完全分離,所需分離時(shí)間還不到80s。此外,檢測(cè)PDMS芯片伏安特性的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.4%,由此可以明確證明Tween20動(dòng)態(tài)涂層修飾方法是一種可用于氨基酸重復(fù)分離的手段。表面活性劑分子吸附到PDMS表面上,表面的極性基團(tuán)即使帶有很小的電荷都會(huì)影響PDMS表面的疏水性質(zhì),使得PDMS表面由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。雖然表面活性劑直接吸附PDMS可以改善PDMS的表面濕潤(rùn)性,但是會(huì)影響修飾后PDMS的機(jī)械性能,而且也會(huì)使水滲透進(jìn)入樹(shù)脂基復(fù)合材料;然而理想的表面修飾方法只改變PDMS本身的表面屬性而不影響其整體的機(jī)械性能。1.4等離子體處理接枝聚合物是由2種或多種單體經(jīng)聚合而成的產(chǎn)物,兼有主鏈和支鏈的性能,長(zhǎng)的聚合物鏈通常要包含一定數(shù)量的與基底表面相結(jié)合的官能團(tuán)。因此,可以利用這一原理對(duì)PDMS表面進(jìn)行接枝聚合修飾。針對(duì)不同的基底,形成了多種接枝聚合方法,如利用高能物質(zhì)輻射(紫外光輻射、激光輻射)引發(fā)接枝聚合,臭氧、酸或氧化劑等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行引發(fā)接枝聚合以及利用等離子引發(fā)接枝聚合。Lee等利用無(wú)毒、親水性很好的PEG對(duì)PDMS表面進(jìn)行修飾。首先,利用等離子體處理PDMS表面,然后浸泡入PLL-g-PEG共聚物中。由于在等離子處理后,PDMS表面會(huì)產(chǎn)生-OH、COO-基團(tuán),PLL骨架與負(fù)電表面結(jié)合PEG鏈作為延伸結(jié)構(gòu),形成PEG/水界面起到防止蛋白吸附的作用。Bodas等通過(guò)對(duì)比O2等離子體、O2+C2F6(非傳統(tǒng)等離子體)和O2等離子體處理后用HEMA(甲基丙烯酸羥乙酯)接枝共聚的作用效果得出:單純O2等離子體處理只能保持2天;使用O2+C2F6處理的親水性能保持幾周,接觸角會(huì)從64°增加到85°;使用HEMA進(jìn)行化學(xué)修飾的效果最好,親水性能夠穩(wěn)定保持10天,接觸角會(huì)從7°增加到44°。該研究表明,可以利用O2+HEMA處理,向PDMS上接枝穩(wěn)定性更好的親水基團(tuán),而且處理后的芯片可以在更高濕潤(rùn)性要求的場(chǎng)合使用。中科院微系統(tǒng)所Biochip實(shí)驗(yàn)室陸振華等利用空氣等離子體處理PDMS芯片后,放入乙醇中浸泡用以保持親水性,之后再用對(duì)苯二甲醛丙酮處理,使PDMS具有永久修飾的效果,同時(shí)為抗體成功固定起到了很好的作用。2pdms表面改性通過(guò)對(duì)PDMS表面修飾方法的綜述表明,不同修飾方法對(duì)增強(qiáng)PDMS表面的親水性都有很好的效果。但是,它們也會(huì)對(duì)PDMS表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。等離子體在對(duì)聚合物表面進(jìn)行處理時(shí),由于不使用溶劑,所以不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)污染。而且,與采用濕法化學(xué)處理的效果相比,聚合物表面更少發(fā)生降解,從而使表面更加平整。相比之下,紫外臭氧處理對(duì)PDMS表面的氧化深度更深。表面活性劑和接枝共聚都是通過(guò)化學(xué)結(jié)合方式對(duì)PDMS表面特性進(jìn)行改善的。表面活性劑能夠與PDMS表面結(jié)合改善PDMS表面的親水性,但是結(jié)合強(qiáng)度不夠并且會(huì)影響PDMS的機(jī)械性能;接枝共聚方