聚二甲基硅氧烷微流控芯片表面修饰方法研究与应用

论文摘要

芯片毛细管电泳是微全分析系统的一个重要分支。聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片因制作成本低、制作过程方便快速、光学透明性好等优点而得到广泛应用。但是，PDMS管道表面负电荷较少、疏水性强，容易吸附非极性的疏水性物质，影响了PDMS芯片毛细管电泳的进一步应用。为了有效抑制分析物在芯片通道上的吸附，本文对PDMS分离管道表面进行了相应的改性处理和修饰，开展了以下几个方面的工作。1．建立了一种聚电解质动态涂布PDMS微流控芯片上分离抗坏血酸和尿酸的方法。通过静电作用将聚阳离子PDDA和聚阴离子PSS交替吸附在PDMS通道表面。经PDDA和PSS修饰后的PDMS通道，表面亲水性得到有效改善，并且获得了稳定、提高了的电渗流。与未经修饰的PDMS芯片相比，抗坏血酸和尿酸在PDDA／PSS修饰PDMS芯片上的分离时间大大缩短，分离效率得到明显提高。系统考察了实验条件对分离检测的影响。在优化条件下，抗坏血酸和尿酸的线性范围均为25～600μM，检测限分别为5μM和8μM。此外，修饰芯片呈现出良好的重现性和长期的稳定性。此廉价、快速的分析方法成功用于人体尿样中尿酸和抗坏血酸的分离测定。2．利用动态涂层表面改性技术，以非离子表面活性剂2-（N-吗啉）乙磺酸（MES）为电泳分离缓冲液添加剂，对电泳分离PDMS微流控芯片通道表面进行改性。经MES动态修饰的PDMS分离通道，有效抑制了电渗流的大小，获得了稳定的、降低的电渗流。利用MES修饰PDMS芯片，结合在柱式电化学检测系统，建立了神经递质多巴胺和肾上腺素的快速分离和测定方法。实验中对分离电压、检测电位以及添加剂浓度等分离检测条件进行了系统探讨和优化。结果表明，经MES动态修饰修饰后的通道减少了对被测物的吸附，有效提高了多巴胺和肾上腺素的分离效率。3．利用层层组装技术，将壳聚糖（Chit）和小牛胸腺DNA修饰于PDMS芯片通道表面，建立了一种基于Chit-DNA功能性生物分子修饰PDMS电泳芯片的在柱式安培检测系统。采用红外光谱对Chit和DNA在PDMS微流控芯片表面的层层组装过程进行表征，通过接触角实验对修饰PDMS芯片的亲水性和吸附性进行验证。以氨基酚对映异构体（邻、间、对氨基酚）为检验模型对Chit-DNA修饰PDMS微流控芯片的性能进行研究。实验结果表明，经Chit-DNA修饰的PDMS芯片，表面亲水性明显增强，大大减少了对分析物的吸附，氨基酚对映异构体在3.7cm长的分离通道中于60s内得到了有效分离，并且实现了在单根碳纤维电极上的良好在柱安培检测。在优化的实验条件下，邻、间、对氨基酚的理论塔板数分别达到92658、60552Nm-1和74021，，检测限依次为4.7、2.5和1.6μmol／L（S／N=3）。4．利用层层组装技术和纳米粒子效应，将PDDA和二氧化钛纳米粒子交替修饰于PDMS芯片通道表面，构建了具有良好亲水表面的PDMS界面。通过对电渗流的测量、接触角测定以及电泳分离实验，对纳米粒子在微流控芯片通道表面的修饰效果进行评价。结果表明，经二氧化钛纳米粒子修饰的PDMS芯片，电渗流在pH 6～10之间稳定，表面接触角为58.5°，修饰后的通道表面不仅亲水性大大增强，而且有效抑制了分析物的吸附，提高了分离度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微全分析系统简介
• 1.2 理论部分
• 1.3 芯片的制作材料及技术
• 1.4 流体控制、通道构型和进样方式
• 1.5 微流控芯片检测系统
• 1.5.1 光学检测
• 1.5.2 电化学检测
• 1.5.3 质谱检测
• 1.6 PDMS芯片毛细管电泳
• 1.6.1 概述
• 1.6.2 PDMS微芯片通道表面改性及修饰
• 1.7 芯片毛细管电泳的发展趋势
• 第2章 尿酸和抗坏血酸在PDDA/PSS修饰PDMS微流控芯片上的分离和电化学检测
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 PDMS芯片制作
• 2.2.4 电泳和电化学检测装置
• 2.2.5 PDMS通道的修饰
• 2.2.6 电渗流的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚电解质修饰的PDMS通道
• 2修饰PDMS芯片上的分离'>2.3.2 尿酸和抗坏血酸在（PDDA/PSS）₂修饰PDMS芯片上的分离
• 2.3.3 检测电位的选择
• 2.3.4 进样时间、进样电压和分离电压的影响
• 2.3.5 缓冲溶液的影响
• 2.3.6 PDDA/PSS修饰芯片的重现性和稳定性
• 2.3.7 线性范围和检测限
• 2.4 应用
• 2.5 结论
• 第3章 MES动态修饰PDMS芯片毛细管电泳电化学检测多巴胺和肾上腺素
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 芯片毛细管电化学检测系统
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 MES动态修饰PDMS微通道
• 3.3.2 检测电位的影响
• 3.3.3 分离电压的选择
• 3.3.4 重现性
• 3.3.5 线性范围和检测限
• 3.3.6 样品的测定
• 3.4 结论
• 第4章 DNA功能化PDMS微流控通道增强芯片毛细管电泳
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 仪器
• 4.2.3 实验过程
• 4.2.4 分离通道的表面修饰
• 4.2.5 接触角测量
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 DNA修饰的PDMS芯片
• 4.3.2 修饰芯片亲水性表征
• 4.3.3 氨基酚异构体在Chit-DNA修饰芯片上的电泳分离
• 4.3.4 检测电位的选择
• 4.3.5 缓冲溶液浓度的影响
• 4.3.6 进样时间、进样电压和分离电压的影响
• 4.3.7 重现性和稳定性
• 4.3.8 线性范围和检测限
• 4.4 结论
• 第5章 二氧化钛纳米粒子在PDMS微流控芯片通道改性中的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂
• 5.2.2 仪器
• 5.2.3 实验过程
• 5.2.4 二氧化钛纳米粒子的合成
• 5.2.5 分离通道的表面修饰
• 5.2.6 接触角测量
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PDMS芯片表面修饰
• 5.3.2 修饰通道的电渗流
• 5.3.3 修饰芯片的亲水性
• 5.3.4 修饰芯片电渗流的稳定性
• 5.3.5 电泳分离
• 5.4 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢