聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微流控芯片因其獨特的優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。但由于其表面存在著疏水性、對生物分子產(chǎn)生吸附等不足，需要對其表面進(jìn)行改性，以提高其表面的親水性，抑制其對生物分子的吸附。但就目前為止，對PMMA微流控芯片表面進(jìn)行的改性僅限于使用傳統(tǒng)的線性聚合物。但線性聚合物通常伴隨著溶液濃度的增大，其黏度迅速增大，導(dǎo)致形成的涂層不均勻，并且極易堵塞芯片微通道。另外，線性聚合物還有一個缺點就是可供鍵合的活性端基數(shù)目較少，使形成的親水性涂層穩(wěn)定性較差，這也影響了改性的效果。   因此有必要尋求一種新的、有效的表面改性材料，以抑制分析物在PMMA微流控芯片內(nèi)壁的吸附，提高芯片的分析性能，更好地滿足日益增長的PMMA微流控芯片分析生物分子的需要。本研究工作利用親水性超支化聚酰胺酯通過化學(xué)鍵合的方法對PMMA微流控芯片的表面進(jìn)行改性，并利用改性后的芯片對生物分子進(jìn)行分離檢測。超支化聚合物與線性聚合物相比具有一些獨特的性質(zhì)，如類似球狀的結(jié)構(gòu)、分子間不易鏈纏繞、溶解度高、黏度比線性聚合物低得多、含有大量的活性末端基團(tuán)等，是一種極具潛力的改性材料。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

S-2500掃描電子顯微鏡（SEM）；XTB-1型體視顯微鏡；DSA100接觸角測量儀；微流控芯片檢測分析儀：自制。

L-賴氨酸、腺苷；二甲亞砜、對甲苯磺酸；二甲基乙酰胺、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉；甲醇；氫氧化鈉。實驗用水為二次去離子水。

PMMA微流控芯片采用硅模板通過熱壓法來制備。不同代數(shù)的羥基官能化的超支化聚酯酰胺參考文獻(xiàn)合成，所制備的第二、三、四代產(chǎn)物分別用G2、G3、G4表示。

1.2芯片表面的改性過程

將PMMA微流控芯片用0.5mol/L的氫氧化鈉溶液在0.3MPa氮氣壓力下沖洗30min再用水和DMAc順序沖洗芯片各15min最后用氮氣吹干，備用。

將第二代羥基官能化的超支化聚酯酰胺G2和對甲苯磺酸（用量為G2質(zhì)量的0.5%）用DMAc.配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的改性溶液，用0.6MPa氮氣將其壓入到芯片的微通道中，然后用水玻璃密封通道端部；將微通道內(nèi)充滿改性溶液的芯片放入真空干燥箱內(nèi)，于80攝氏度下反應(yīng)8h，最后依次用甲醇和去離子水沖洗干凈，制得一種基于G2改性的PMMA微流控芯片，改性過程如圖2所示。采用同樣方法可分別得到基于G3、G4改性的PMMA微流控芯片。

圖1PMMA微流控芯片的改性過程

2結(jié)果與討論

2.1改性PMMA微流控芯片的表面接觸角

接觸角是指在氣、液、固三相交點處所做的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤濕程度的量度；接觸角越小說明其親水性越好。為了表征改性前后PMMA微流控芯片親水性的變化，采用接觸角測量儀測定了改性后的PMMA微流控芯片的接觸角，所得結(jié)果及所測改性后接觸角的形狀如圖2所示。

圖1未改性和改性后PMMA微流控芯片的接觸角

從圖2可以清楚地看出，未經(jīng)改性的PMMA微流控芯片的接觸角為89.9度，經(jīng)過超支化聚酰胺酯改性后，芯片的接觸角有了大幅度的下降，尤其是基于1.化學(xué)鍵合改性后的芯片其接觸角降低到G4。這說明超支化聚酰胺酯已成功地結(jié)合到了芯片內(nèi)壁的表面，在芯片內(nèi)壁形成了一層均勻致密的親水性涂層，從而使得PMMA微流控芯片表面的親水性有了質(zhì)的提高，有效彌補了PMMA微流控芯片表面疏水性強的缺陷。

從圖2也可以看出，隨著超支化聚酰胺酯代數(shù)的增加，其接觸角降低的幅度增大；這是因為隨著代數(shù)的增加，化合物的相對分子質(zhì)量增大，三維球狀面積增大，分子表面所含與芯片內(nèi)壁發(fā)生作用的羥基數(shù)目亦成倍地增加，進(jìn)而增加了與芯片內(nèi)壁反應(yīng)的活性位點，因此形成的親水性涂層的厚度增加，芯片表面的親水性更好。

2.2 SEM分析

為了進(jìn)一步細(xì)致地觀察改性前后芯片表面形貌的變化，采用SEM對改性前后的PMMA微流控芯片的表面形貌進(jìn)行了表征。圖3分別為未改性芯片和經(jīng)G4化學(xué)鍵合改性后芯片微通道分別放大1000和3000倍以后的表面形貌的SEM照片。

從圖3可以看出，未經(jīng)改性的PMMA微流控芯片其微通道表面比較粗糙；經(jīng)G4化學(xué)鍵合改性后其表面變得比較光滑，有一層致密的聚合物接枝在上面，這說明超支化聚酰胺酯已成功地接枝到PMMA微流控芯片的表面，形成了一層均勻、連續(xù)的親水性涂層。從放大3000倍的圖片可以進(jìn)一步看出，PMMA微流控芯片經(jīng)改性后，其表面形貌發(fā)生了很大的變化，有一層致密、光滑的親水性涂層完全覆蓋在芯片內(nèi)壁表面，從而提高表面親水性。

2.3體視顯微鏡分析

為了更形象地觀察改性前后芯片的表面形貌，對G4改性后的PMMA微流控芯片進(jìn)行了體視顯微鏡的表征，結(jié)果如圖4所示。

從圖4也可以看出PMMA微流控芯片經(jīng)G4改性后其通道內(nèi)表面有一層明顯的涂層狀物質(zhì)，說明超支化聚酰胺酯已成功地結(jié)合到PMMA微流控芯片的內(nèi)表面，形成均勻而致密的親水性涂層，從而提高了芯片表面的親水性。

圖3PMMA微流控芯片的SEM圖片

圖4PMMA微流控芯片的體視顯微鏡圖

2.4電滲流的測定

以二甲亞砜的水溶液為中性標(biāo)記物測定了未改性芯片和G2、G3、G4改性后芯片在不同pH條件下的電滲流，改性芯片的電滲流測定的結(jié)果見圖5。可以看出，在pH3.0-9.0范圍內(nèi)，隨著pH的增加，未改性和改性后芯片的電滲流淌度均隨之增大，但是改性后芯片的電滲流淌度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未改性芯片的電滲流，這說明超支化聚酰胺酯涂層能有效地屏蔽芯片內(nèi)壁上羧基等帶電基團(tuán)的解離，使芯片內(nèi)壁電荷密度減小，從而大大降低了電滲流淌度。

從圖5中也可以看出，隨著超支化聚酰胺酯代數(shù)的增加，電滲流淌度降低的程度增大；這是由于隨著代數(shù)的增加，其相對分子質(zhì)量增大，分子內(nèi)與芯片內(nèi)壁發(fā)生作用的活性基團(tuán)數(shù)目增多，使得親水性涂層的厚度增加，從而更加有效地屏蔽了羧基等基團(tuán)的解離，進(jìn)一步降低了電滲流。

2.5改性芯片對兩種生物分子的分離

利用改性后的芯片對腺苷和L-賴氨酸進(jìn)行電泳分析，以評價基于超支化聚酰胺酯改性后PMMA微流控芯片的性能。采用的最佳檢測條件;磷酸鹽緩沖液濃度為40mmol/L(pH4.8)，分離場強為500V/cm,檢測波長為214nm。分別利用G2、G3、G4改性的PMMA微流控芯片及未改性芯片對L-賴氨酸和腺苷進(jìn)行分離，所得譜圖如圖6所示。同時將改性芯片及未改性芯片對兩種生物分子的分離柱效和分離度進(jìn)行了計算，結(jié)果列于表1中。

圖5緩沖液PH對改性芯片電滲流淌度的影響

圖6未改性及改性PMMA微流控芯片分離腺苷和L-賴氨酸的電泳譜圖

表1改性芯片與未改性PMMA微流控芯片分離腺苷和L-賴氨酸的柱效與分離度

從圖6可以明顯地觀察到未經(jīng)改性的PMMA微流控芯片沒有對腺苷和L-賴氨酸實現(xiàn)有效的分離，所得到的檢測峰展寬，峰形較差，而且出現(xiàn)了拖尾現(xiàn)象，這是由于生物分子與芯片內(nèi)壁由于疏水相互作用等原因出現(xiàn)了嚴(yán)重的吸附所致；而經(jīng)過超支化聚酰胺酯改性的PMMA微流控芯片，其芯片內(nèi)壁上具有一層致密的親水性涂層，這層親水性涂層有效地抑制了芯片內(nèi)壁對生物分子的吸附，從而成功地實現(xiàn)了對兩種生物分子的分離，所得到的檢測峰峰形尖銳，分離清晰。從圖(中也可以看出，隨著超支化聚酰胺酯代數(shù)的增加，組分的遷移時間隨之延長，這是由于隨著代數(shù)的增加，使形成的涂層更加均勻致密，芯片電滲流減小，進(jìn)而使得遷移速率降低所致。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，基于親水性超支化聚酰胺酯改性后的PMMA微流控芯片其分離柱效和分離度有了明顯的提高，尤其是基于G4改性的芯片對腺苷和L-賴氨酸的分離柱效（理論塔板數(shù)）分別高達(dá)8.64X10四次方塔板/m和9.82X10四次方塔板m,分離度達(dá)到5.31，大大提高了PMMA微流控芯片的靈敏度，進(jìn)一步改善了其分離分析性能。

從表1中數(shù)據(jù)也可以看出，隨著超支化聚酰胺酯代數(shù)的增加，分離柱效和分離度也隨之增加，這是由于代數(shù)增加，其相對分子質(zhì)量增大，其在芯片內(nèi)壁表面形成的親水性涂層厚度增加，從而更好地提高了芯片表面的親水性，更加有效地抑制了對生物分子的吸附，得到了更加理想的分離效果。

2.6改性芯片的重現(xiàn)性

改性的PMMA微流控芯片不但要使親水性提高，有效抑制吸附，能夠在較寬的pH范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的分離效率，而且還應(yīng)具備良好的重現(xiàn)性。采用基于G4改性的芯片對腺苷和L-賴氨酸連續(xù)5次進(jìn)樣分析，其平均遷移時間分別為7.48和8.26min，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為1.71%和1.07%；分離柱效分別為8.40X10四次方塔板/m和9.47x10四次方塔板/m，RSD分別為2.29%和1.96。該結(jié)果表明基于超支化聚酰胺酯改性的PMMA微流控芯片具有良好的重現(xiàn)性，這主要是因為超支化聚酰胺酯在芯片內(nèi)壁上形成穩(wěn)定的親水性涂層，近似球狀結(jié)構(gòu)的超支化聚酰胺酯分子末端含有大量的羥基，通過化學(xué)鍵牢固地鍵合于芯片微通道內(nèi)壁上，保證了親水性涂層牢固可靠，進(jìn)而使改性后芯片能夠具有良好的重現(xiàn)性。

3結(jié)論

本研究利用超支化聚酰胺酯通過化學(xué)鍵合的手段對PMMA微流控芯片的表面進(jìn)行改性，使其表面形成一層均勻、致密、連續(xù)的親水性涂層，大大提高了芯片表面的親水性，同時有效地抑制了電滲流。利用改性芯片對腺苷和L-賴氨酸進(jìn)行了分離檢測，與未改性芯片相比，改性后的芯片有效抑制了對分析物的吸附，成功地實現(xiàn)了對兩種生物分子的分離，所得到的檢測峰分離清晰，大大提高了PMMA微流控芯片的分離性能。

文獻(xiàn)來源色譜DOI:10.3724/SP.J.1123.2011.12041作者：劉冰，林棟，許林等（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）