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1、微流控芯片材料PDMS表面改性第1章微流控芯片11.1微流控芯片应用11.2微流控芯片材料1PDMS2第2章蛋白质在材料表面的吸附42.1蛋白质吸附过程中的相互作用力42.2蛋白质吸附和脱附过程52.3蛋白质在材料表面吸附过程影响因素62.3.1蛋白质6溶液6材料6第3章PDMS表面改性8PDMS表面改性方法83.1.1物理修饰法83.1.2化学修饰法82.1 PDMS紫外光照处理9PDMS表面枝接聚乙二醇（PEG）103.3.1枝接过程103.3.2实验结果和表征113.3.3枝接PEG抗蛋白质吸附机理12参考文献14第1章微流控芯片20世纪90年代，ManzA等人首先提出微型全分析系统(m
2、iniaturizedtotalanalysissystem,卩-TAS)的概念，其中芯片式卩-TAS也称芯片实验室(Labonachip),根据原理不同分为微流控芯片和微阵列芯片。微流控芯片又称芯片实验室(LabonaChip),是微机电加工技术(MEMS)的一个典型应用，在硅、石英、玻璃或高分子聚合物等基质材料上加工出微管道、微阀、微泵、微反应器、电极等功能单元，基于分析化学的相关理论和技术，实现生物或者化学领域所涉及的样品纯化、反应、萃取、分离、检测等一系列功能的实验装置，以微尺寸效应为基础，以微管道网络为基本特征，以微流体为核心。微流控芯片结合“微”和“全”的优点，具有较高的分析效率和
3、极大的试剂消耗量，实现生物样品分析检测的集成化、自动化、便携化。从本世纪初开始，微流控芯片技术得到飞速发展。作为微流控芯片的基本载体，材料对芯片加工精度和功能等有极其重要的意义，芯片材料的研究也在不断深入。1.1微流控芯片应用微流控芯片所表现出的整体性和系统性具有难以估量的潜在能力，使得微流控芯片具有了强大的发展活力和美好的应用前景。随着研究工作的深入展开，微流控芯片的发展已经远远超越了发展初期的雏形一毛细电泳芯片，主要应用方向包括蛋白质、核酸和肤等的分离分析，以及酶分析、免疫分析、多相化学反应等，己经涉及的应用领域包括疾病诊断、环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技以及反恐、航天等事关人类生
4、存质量的诸多方面。1.2微流控芯片材料微流控芯片材料主要分为硅质材料、聚合物材料和其他材料，其基质材料具体分类、优缺点如表1-1所示表1-1微流控芯片材料种类优点缺点硅片化学惰性一般、热稳定性好易碎、价格昂贵、紫外光透过率低加工工艺成熟、键合较难表面化学行为复杂、电绝缘性不好玻璃化学惰性好、光学性质优良易于光刻和蚀刻、键合工艺多样可重复试用易碎、加工成本高石英化学惰性好、光学性质优良难以成型深宽比大的微通道电渗性质良好、表面性质稳定材料成本高，键合困难咼聚物成本低廉、种类繁多、可批量生产导热性能差、不耐咼温加工方法丰富、便捷表面改性较难、对有机溶剂适应性差硅材料具有良好的化学惰性与热稳定性，基
5、于微电子领域的加工技术，最早用于制作微流控芯片。但是硅材料易碎，成本高，透光性差，电绝缘性能差及表面化学行为较为复杂，这些都大大限制了其在微流控芯片中的应用。石英和玻璃具有良好的电渗和优良的光学性质，其表面吸附和表面反应能力都有利于表面改性，但是价格相对较高。使用与硅片类似的光刻和表面改性技术可以将微结构转移到石英和玻璃上，加工工艺成熟。因此，玻璃材料近来被广泛应用于制作微流控芯片。然而，以玻璃和硅为主要制作材料，其制作过程依赖标准光刻技术，由于成本高、工序复杂、易污染以及通道几何尺寸受限等缺点。高分子聚合物材料种类多，加工成型方便，价格便宜，尤其是高聚物材料有良好的光学性质、化学惰性、电绝缘
6、性和热性能等，使其在微流控芯片领域的应用具有得天独厚的优势。可用于制作微流控芯片的高聚物材料人致可分为三人类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。目前，已有大量的高聚物材料被用于微流控芯片加工中，如聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），聚碳酸酯（PC）,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。1.3PDMS在众多高聚物微流控芯片3中，聚二甲基硅氧烷（ploydimethylsiloxane,PDMS）微流控芯片是应用范围最广的芯片之一。其分子式如图1-1所示：CH=CHICH,ICH,5i0ICH,图1-1聚二甲基硅氧烷分子式PDMS以其独特的优势在微流
7、控芯片中得到应用：材料廉价、易得；材料可加工性、成型性好，可以通过快速模塑法制作不同通道形状的微流控芯片；可以透过240nm以上波段的紫外、可见光，适合各种光学检测；不透水，不溶于水和常见电泳缓冲液；可以透过空气，对细胞无毒，适合生物样品检测；表面能低，容易和其他材料进行可逆或者不可逆键合；有良好的绝缘性，良好的散热性能，适于电泳分离；材料表面易于进行改性，适合不同要求的生物样品分析检测；容易质谱等其他分析检测技术联用。PDMS材料在性能上也有一些缺陷：表面疏水，缓冲液很难注入，表面吸附作用强，需进行表面改性和修饰才能进行应用；导热性差，导热系数比玻璃低8-10倍，不利于焦耳热的散失，限制了单
8、位长度上的场强；PDMS材料的弹塑性定了它的微结构不像其他刚性材料的结构那样的稳定。由于PDMS材料具有高度疏水性，对生物分子特别是大分子蛋白具有强烈的非特异性吸附。在样品分离时，由于吸附作用容易产生严重的拖尾、蛋白质分离失败、失活的现象，严重限制了PDMS在微流控芯片领域的应用。第2章蛋白质在材料表面的吸附蛋白质在材料表面的吸附是一个动态的过程，它包含蛋白质的3个过程：吸附、重排和解吸附，也是一个复杂的过程，与范德华力、疏水相互作用、静电和氢键作用有关。正是由于蛋白质特殊的结构以及和材料表面之间大量复杂的、相互依赖的、动态的相互作用，蛋白质与材料表面的相互作用机理及材料表面性质对蛋白质吸附行
9、为的影响至今仍未完全阐明，但其重要性己经受到研究者的广泛重视。一般认为，决定蛋白质在材料表面吸附和解吸附行为的物理化学因素通常有八种，如图所示。从蛋白质靠近生物医用材料表面，到在材料表面吸附，再到从材料表面解吸附，其中的每一个过程都有其特征。在靠近过程中，蛋白质的运输性质、蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近材料表面的程度，此过程同时受溶剂分子运动和蛋白质自身分子运动性质的影响。图2-1蛋白质在材料表面的吸附和脱附过程1-运输性质；2-溶剂介导的蛋白质和材料之间的相互作用；3-蛋白质和材料之间的短程相互作用；4-释放结合水和抗衡离子作用引起的熵增；5-蛋白质变性引起的熵增；6-溶剂
10、热扰动；7-溶剂剪切流动；8-其他吸附质的取代2.1蛋白质吸附过程中的相互作用力蛋白质吸附过程中的相互作用力主要包括疏水作用力、范德华力、氢键和静电相互作用，这些作用力直接决定着蛋白质在材料表面吸附的稳定程度及吸附的数量。其中氢键的形成是由于电负性原子与氢原子形成的基团中，氢原子周围分布的电子少，正电荷氢核与另一电负性强的原子之间产生静电吸引，从而形成氢键。疏水相互作用又称为非极性相互作用，发生于非极性基团之间，蛋白质同时含极性和非极性的基团,当蛋白质处于水溶液中时，极性基团之间以及极性基团与水分子之间易发生静电吸引而排开非极性基团，因此疏水相互作用并非是疏水基团之间有吸引力的缘故，而是由于非
11、极性基团避开水的需要而被迫接近。这些相互作用本质上与小分子的吸附没有差别，而蛋白质吸附的独特性在于吸附的是具有生物活性的大分子，以及在吸附过程中，蛋白质可以发生各种物理（如构象变化）和化学的变化，从而导致生物活性的变化。此外，蛋白质的空间结构和表面酸性氨基酸、碱性氨基酸基团的密度会影响其吸附，同时材料的表界面性质对蛋白质的吸附速率、吸附量和吸附机理有重要影响。吸附过程中有两种趋动力促使蛋白质在材料表面发生吸附，即溶液中蛋白质的浓度以及蛋白质与材料表面的结合力。由于不同蛋白质与材料的结合力不同，导致蛋白质之间存在竞争性吸附行为，即各种蛋白质的解吸附和置换吸附的发生。最初吸附的蛋白质趋向于发生依赖
12、时间的构象转变，且能被其它与材料表面具有更高亲和力的蛋白质置换下来，这种依赖于时间变化的蛋白质置换被称为Vroman效应。这种竞争性吸附行为是一个复杂而连续的过程，故最终所得吸附层中蛋白质的类型和数量与植入材料所处环境内蛋白质的组成不完全一致。此外，氢键、静电和疏水作用等非共价相互作用都会对其吸附过程造成影响。由于蛋白质分子中极性带电氨基酸残基大多数暴露在表面，故通常认为静电相互作用是蛋白质吸附的主要动力之一，而这三种相互作用的本质都与静电作用有关。2.2蛋白质吸附和脱附过程通常材料与生理环境相接触时，蛋白质及相关生物大分子会很快吸附在材料表面。这种吸附的过程是一个复杂的动态过程。蛋白质首先在
13、浓度梯度的作用下与材料表面无限接近，接着在材料与蛋白质的相互作用力下使蛋白质黏附在材料表面，并导致蛋白质分子发生构象变化使之逐渐铺展重排，形成更多的位点与材料表面接触。在外界条件的扰动下，吸附在材料表面的蛋白质会脱附下来，留下的位点很快又会被其他蛋白质所占住。蛋白质吸附到材料表面的传输过程主要受到如下4种传输机理中一种或多种共同起作用：扩散，热对流，流动，互传输。蛋白质在材料表面脱附的过程相对于小分子来说要困难的多，这主要是由于蛋白质本身的体积及与材料表面的结合的位点数目所决定的。一般蛋白质及相关生物大分子在材料表面的脱附主要是如下3个因素所导致：热扰动，剪切流动，其他能够更稳定地吸附于表面的
14、物质与蛋白质或其他生物大分子竞争吸附所做的功。2.3蛋白质在材料表面吸附过程影响因素蛋白质在材料表面的吸附主要有蛋白质、溶液、材料等因素决定，其吸附过程是一个受到各种因素综合影响的过程，具体影响因素如图2-1所示其中材料的影响主要包括：材料表面拓扑结构、表面化学性质、表面电荷状况的因素。表2-1影响蛋白质在材料表面吸附行为的综合因素影响因素具体因素蛋白质的结构和性质分子尺寸、分子形状、表面电荷、构象和序列、结构稳定等溶液性质、温度和吸附时间；溶液中蛋白质的浓度、其他生物分子的竞争性吸附等表面拓扑结构粗糙度；多孔材料的孔径大小、分布和孔隙率；沟槽的尺寸和取向表面化学性质表面的化学性质、官能团和化
15、学键类型表面亲疏水性表面的疏水性、亲水性表面电荷性质表面电荷2.3.1蛋白质蛋白质的结构复杂，按其空间结构主要分为三类：一级结构肽链中的氨基酸序列，多肽链中规则重复的构象（二级结构），以及与其生理功能关系十分密切的三维空间结构（三级、四级结构）。研究表明蛋白质本身的性质会对其在材料表面的吸附行为产生影响，而这种影响主要与蛋白质的一级结构有关即氨基酸的序列。尺寸较大的蛋白质可与材料表面形成更多的接触位点，从而导致吸附量的增加。同时蛋白质表面所带的电荷数目、结构的稳定性和伸展速率也会影响其本身在材料表面的吸附，通常容易发生伸展的蛋白质或蛋白质分子在其对应的等电点附近会更容易地吸附到材料表面。2.3
16、.2溶液由于蛋白质本身是一种两性电解质，介质溶液的温度、pH、浓度、离子强度等会直接导致蛋白质构象状态的改变，这种改变将直接影响到蛋白质与材料表面的相互作用。同时对于多元的蛋白质溶液来说，不同蛋白质之间的竞争吸附也会影响蛋白质在材料表面的吸附。2.3.3材料表面拓扑结构影响蛋白质吸附过程如下：粗糙及多孔的表面能提供更多的机会与蛋白质分子相互作用；多孔材料的孔径大小、分布和孔隙率等决定了与蛋白质分子作用的表面积大小；沟槽的尺寸和取向则会影响蛋白质吸附的种类、数量以及构象变化。表面化学性质决定蛋白质与材料表面相互之间作用力的类型：亲水性官能团如轻基、氨基、竣基、酸氨基、磺酸基等可降低蛋白质的吸附；矶基、硫醚、醚键
