超支化聚酰胺酯改性聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的制备
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微流控芯片因其独特的优势已广泛应用于生命科学领域。但由于其表面存在着疏水性、对生物分子产生吸附等不足，需要对其表面进行改性，以提高其表面的亲水性，抑制其对生物分子的吸附。但就目前为止，对PMMA微流控芯片表面进行的改性仅限于使用传统的线性聚合物。但线性聚合物通常伴随着溶液浓度的增大，其黏度迅速增大，导致形成的涂层不均匀，并且极易堵塞芯片微通道。另外，线性聚合物还有一个缺点就是可供键合的活性端基数目较少，使形成的亲水性涂层稳定性较差，这也影响了改性的效果。 因此有必要寻求一种新的、有效的表面改性材料，以抑制分析物在PMMA微流控芯片内壁的吸附，提高芯片的分析性能，更好地满足日益增长的PMMA微流控芯片分析生物分子的需要。本研究工作利用亲水性超支化聚酰胺酯通过化学键合的方法对PMMA微流控芯片的表面进行改性，并利用改性后的芯片对生物分子进行分离检测。超支化聚合物与线性聚合物相比具有一些独特的性质，如类似球状的结构、分子间不易链缠绕、溶解度高、黏度比线性聚合物低得多、含有大量的活性末端基团等，是一种极具潜力的改性材料。
1实验部分
1.1仪器与试剂
S-2500扫描电子显微镜（SEM）；XTB-1型体视显微镜；DSA100接触角测量仪；微流控芯片检测分析仪：自制。
L-赖氨酸、腺苷；二甲亚砜、对甲苯磺酸；二甲基乙酰胺、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠；甲醇；氢氧化钠。实验用水为二次去离子水。
PMMA微流控芯片采用硅模板通过热压法来制备。不同代数的羟基官能化的超支化聚酯酰胺参考文献合成，所制备的第二、三、四代产物分别用G2、G3、G4表示。
1.2芯片表面的改性过程
将PMMA微流控芯片用0.5mol/L的氢氧化钠溶液在0.3MPa氮气压力下冲洗30min再用水和DMAc顺序冲洗芯片各15min最后用氮气吹干，备用。
将第二代羟基官能化的超支化聚酯酰胺G2和对甲苯磺酸（用量为G2质量的0.5%）用DMAc.配成质量分数为10%的改性溶液，用0.6MPa氮气将其压入到芯片的微通道中，然后用水玻璃密封通道端部；将微通道内充满改性溶液的芯片放入真空干燥箱内，于80摄氏度下反应8h，最后依次用甲醇和去离子水冲洗干净，制得一种基于G2改性的PMMA微流控芯片，改性过程如图2所示。采用同样方法可分别得到基于G3、G4改性的PMMA微流控芯片。
图1PMMA微流控芯片的改性过程
2结果与讨论
2.1改性PMMA微流控芯片的表面接触角
接触角是指在气、液、固三相交点处所做的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度；接触角越小说明其亲水性越好。为了表征改性前后PMMA微流控芯片亲水性的变化，采用接触角测量仪测定了改性后的PMMA微流控芯片的接触角，所得结果及所测改性后接触角的形状如图2所示。
图1未改性和改性后PMMA微流控芯片的接触角
从图2可以清楚地看出，未经改性的PMMA微流控芯片的接触角为89.9度，经过超支化聚酰胺酯改性后，芯片的接触角有了大幅度的下降，尤其是基于1.化学键合改性后的芯片其接触角降低到G4。这说明超支化聚酰胺酯已成功地结合到了芯片内壁的表面，在芯片内壁形成了一层均匀致密的亲水性涂层，从而使得PMMA微流控芯片表面的亲水性有了质的提高，有效弥补了PMMA微流控芯片表面疏水性强的缺陷。
从图2也可以看出，随着超支化聚酰胺酯代数的增加，其接触角降低的幅度增大；这是因为随着代数的增加，化合物的相对分子质量增大，三维球状面积增大，分子表面所含与芯片内壁发生作用的羟基数目亦成倍地增加，进而增加了与芯片内壁反应的活性位点，因此形成的亲水性涂层的厚度增加，芯片表面的亲水性更好。
2.2 SEM分析
为了进一步细致地观察改性前后芯片表面形貌的变化，采用SEM对改性前后的PMMA微流控芯片的表面形貌进行了表征。图3分别为未改性芯片和经G4化学键合改性后芯片微通道分别放大1000和3000倍以后的表面形貌的SEM照片。
从图3可以看出，未经改性的PMMA微流控芯片其微通道表面比较粗糙；经G4化学键合改性后其表面变得比较光滑，有一层致密的聚合物接枝在上面，这说明超支化聚酰胺酯已成功地接枝到PMMA微流控芯片的表面，形成了一层均匀、连续的亲水性涂层。从放大3000倍的图片可以进一步看出，PMMA微流控芯片经改性后，其表面形貌发生了很大的变化，有一层致密、光滑的亲水性涂层完全覆盖在芯片内壁表面，从而提高表面亲水性。
2.3体视显微镜分析
为了更形象地观察改性前后芯片的表面形貌，对G4改性后的PMMA微流控芯片进行了体视显微镜的表征，结果如图4所示。
从图4也可以看出PMMA微流控芯片经G4改性后其通道内表面有一层明显的涂层状物质，说明超支化聚酰胺酯已成功地结合到PMMA微流控芯片的内表面，形成均匀而致密的亲水性涂层，从而提高了芯片表面的亲水性。
图3PMMA微流控芯片的SEM图片
图4PMMA微流控芯片的体视显微镜图
2.4电渗流的测定
以二甲亚砜的水溶液为中性标记物测定了未改性芯片和G2、G3、G4改性后芯片在不同pH条件下的电渗流，改性芯片的电渗流测定的结果见图5。可以看出，在pH3.0-9.0范围内，随着pH的增加，未改性和改性后芯片的电渗流淌度均随之增大，但是改性后芯片的电渗流淌度要远远低于未改性芯片的电渗流，这说明超支化聚酰胺酯涂层能有效地屏蔽芯片内壁上羧基等带电基团的解离，使芯片内壁电荷密度减小，从而大大降低了电渗流淌度。
从图5中也可以看出，随着超支化聚酰胺酯代数的增加，电渗流淌度降低的程度增大；这是由于随着代数的增加，其相对分子质量增大，分子内与芯片内壁发生作用的活性基团数目增多，使得亲水性涂层的厚度增加，从而更加有效地屏蔽了羧基等基团的解离，进一步降低了电渗流。
2.5改性芯片对两种生物分子的分离
利用改性后的芯片对腺苷和L-赖氨酸进行电泳分析，以评价基于超支化聚酰胺酯改性后PMMA微流控芯片的性能。采用的最佳检测条件;磷酸盐缓冲液浓度为40mmol/L(pH4.8)，分离场强为500V/cm,检测波长为214nm。分别利用G2、G3、G4改性的PMMA微流控芯片及未改性芯片对L-赖氨酸和腺苷进行分离，所得谱图如图6所示。同时将改性芯片及未改性芯片对两种生物分子的分离柱效和分离度进行了计算，结果列于表1中。
图5缓冲液PH对改性芯片电渗流淌度的影响
图6未改性及改性PMMA微流控芯片分离腺苷和L-赖氨酸的电泳谱图
表1改性芯片与未改性PMMA微流控芯片分离腺苷和L-赖氨酸的柱效与分离度
从图6可以明显地观察到未经改性的PMMA微流控芯片没有对腺苷和L-赖氨酸实现有效的分离，所得到的检测峰展宽，峰形较差，而且出现了拖尾现象，这是由于生物分子与芯片内壁由于疏水相互作用等原因出现了严重的吸附所致；而经过超支化聚酰胺酯改性的PMMA微流控芯片，其芯片内壁上具有一层致密的亲水性涂层，这层亲水性涂层有效地抑制了芯片内壁对生物分子的吸附，从而成功地实现了对两种生物分子的分离，所得到的检测峰峰形尖锐，分离清晰。从图(中也可以看出，随着超支化聚酰胺酯代数的增加，组分的迁移时间随之延长，这是由于随着代数的增加，使形成的涂层更加均匀致密，芯片电渗流减小，进而使得迁移速率降低所致。从表1中的数据可以看出，基于亲水性超支化聚酰胺酯改性后的PMMA微流控芯片其分离柱效和分离度有了明显的提高，尤其是基于G4改性的芯片对腺苷和L-赖氨酸的分离柱效（理论塔板数）分别高达8.64X10四次方塔板/m和9.82X10四次方塔板m,分离度达到5.31，大大提高了PMMA微流控芯片的灵敏度，进一步改善了其分离分析性能。
从表1中数据也可以看出，随着超支化聚酰胺酯代数的增加，分离柱效和分离度也随之增加，这是由于代数增加，其相对分子质量增大，其在芯片内壁表面形成的亲水性涂层厚度增加，从而更好地提高了芯片表面的亲水性，更加有效地抑制了对生物分子的吸附，得到了更加理想的分离效果。
2.6改性芯片的重现性
改性的PMMA微流控芯片不但要使亲水性提高，有效抑制吸附，能够在较宽的pH范围内实现较高的分离效率，而且还应具备良好的重现性。采用基于G4改性的芯片对腺苷和L-赖氨酸连续5次进样分析，其平均迁移时间分别为7.48和8.26min，其相对标准偏差（RSD）分别为1.71%和1.07%；分离柱效分别为8.40X10四次方塔板/m和9.47x10四次方塔板/m，RSD分别为2.29%和1.96。该结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现性，这主要是因为超支化聚酰胺酯在芯片内壁上形成稳定的亲水性涂层，近似球状结构的超支化聚酰胺酯分子末端含有大量的羟基，通过化学键牢固地键合于芯片微通道内壁上，保证了亲水性涂层牢固可靠，进而使改性后芯片能够具有良好的重现性。
3结论
本研究利用超支化聚酰胺酯通过化学键合的手段对PMMA微流控芯片的表面进行改性，使其表面形成一层均匀、致密、连续的亲水性涂层，大大提高了芯片表面的亲水性，同时有效地抑制了电渗流。利用改性芯片对腺苷和L-赖氨酸进行了分离检测，与未改性芯片相比，改性后的芯片有效抑制了对分析物的吸附，成功地实现了对两种生物分子的分离，所得到的检测峰分离清晰，大大提高了PMMA微流控芯片的分离性能。
文献来源色谱DOI:10.3724/SP.J.1123.2011.12041作者：刘冰，林栋，许林等（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）