PDMS微芯片通道表面修饰方法及其在氨基酸分离分析中的应用研究

摘要

微流控芯片毛细管电泳技术是近二十年来发展迅速并且具有广泛应用前景的一项新技术。该项技术由于其分析速度快、通量高、样品和试剂消耗量少、易于集成和微型化等优点,目前已成为分析化学研究领域的一个重要研究方向。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其具有较好的光透性、无毒、成本低、容易与其它材料封合、易于制作、可批量生产、生物相容性好等优点,在构建多功能微流控芯片装置中得到了广泛的应用与发展。但是由于PDMS微芯片通道表面带电荷量较少,电渗流(EOF)不稳定,表面具有较强的疏水性能,容易吸附被测组分等缺点,这极大地限制了可以在PDMS微芯片上进行分离分析的物质的种类,并且降低了分析物的分离效率,极大地影响了PDMS微流控芯片毛细管电泳的应用范围。本论文针对以上问题,对PDMS微流控微芯片通道表面进行适当的修饰及改性,以有效控制EOF的大小,改善PDMS微流控芯片表面的亲水性能,减小生物分子在PDMS芯片微通道表面的非特异性吸附,从而提高分析物的分离效率。具体研究内容如下:
　　 1.采用一种简单、绿色、原位的化学合成方法将PDA/AuNPs复合材料修饰到PDMS微芯片通道表面。利用HAuCl4的氧化性诱导多巴胺(DA)发生自聚合生成聚多巴胺(PDA),在此过程中,HAuCl4则被还原为AuNPs,生成的AuNPs原位负载在了PDA膜的内部及表面。利用PDA极强的粘附性,将PDA/AuNPs复合物牢固地固定在PDMS微芯片通道的表面,获得了连续均一、亲水性强和稳定性好的修饰层,构建了PDA/AuNPs复合材料修饰的PDMS芯片微通道。与未经修饰的PDMS芯片相比,经PDA/AuNPs复合材料修饰的PDMS微芯片通道获得了稳定的并且降低的EOF,提高了微芯片通道表面的亲水性,降低了分析物在通道表面的非特异性吸附,极大地改善了PDMS微芯片对分析物的分离效果,使得精氨酸、脯氨酸、组氨酸、缬氨酸、丝氨酸等五种模型氨基酸在PDA/AuNPs修饰PDMS芯片上获得了快速而有效的分离。
　　 2.首次以合成的GO/Fe3O4/BSA纳米复合材料作为PDMS微芯片通道内的新型固定相,采用简单的磁性固定方法将其固定到PDMS微芯片通道内,成功用于手性对映体的分离。首先,通过原位化学沉积法合成GO/Fe3O4纳米复合材料,制备的GO/Fe3O4纳米复合物综合了GO与Fe3O4NPs的优点,如GO高的吸附容量以及Fe3O4NPs的良好磁性能,不仅有利于提高生物分子的负载量,而且还大大简化了实验的操作过程。进而通过疏水作用、π-π共轭以及氢键作用将BSA负载到GO/Fe3O4表面,制备了多组分GO/Fe3O4/BSA纳米复合材料。通过外加磁场将GO/Fe3O4/BSA复合材料固定于PDMS芯片微通道中。通过扫描电镜,X射线衍射,紫外可见吸收光谱和接触角测量等手段对所制备的GO/Fe3O4/BSA材料进行了表征。最后,以分离手性色氨酸来评价本实验所构建的开管毛细管电色谱微装置的性能。结果表明,经GO/FeaO4/BSA复合材料修饰的PDMS芯片亲水性强、稳定性好。成功地实现了色氨酸对映体的高效分离。
　　 3.基于分子印迹技术,以L-色氨酸作为模板分子,DA作为功能单体,利用DA发生自聚合生成的PDA的极强的粘附性,将模板分子同时镶嵌在Fe3O4磁性纳米微球表面,当模板分子被洗脱后,获得了具有特异性识别D/L-色氨酸印迹位点的磁性分子印迹聚合物(MIP-Fe3O4＠PDANPs);在外磁场作用下将MIP-Fe3O4＠PDANPs固定于PDMS芯片微通道表面,构建了对手性氨基酸具有选择性识别功能的PDMS微芯片装置。在最优实验条件下,D/L-色氨酸在3.7cm长的分离通道内获得了有效的基线分离,D-色氨酸和L-色氨酸的理论塔板数分别为269,0000和285,0000plates/m,分离度(Rs),高达1.68。
　　 4.手性是自然界重要的属性之一,然而,在手性识别及分离分析的研究中,手性选择剂的选择以及使用是获得成功的关键所在。本文首次报道了PDA作为手性选择剂在PDMS芯片微通道内分离手性分子的研究。利用DA在碱性条件下可以自聚合生成PDA而粘附在各种无机和有机材料表面这一性质,在Fe3O4磁性纳米粒子表面聚合一层20nm左右厚度的PDA。为了证明PDA具有手性识别功能,将制备的PDA＠Fe3O4NPs复合材料通过外加磁场的作用使其固定于PDMS微芯片通道内,用以分离不同类型的手性分子,如氨基酸、多肽以及药物类的手性分子,并通过它们的分离效果来评价PDA是否具有手性选择的功能。结果表明,在最优实验条件下,经PDA＠Fe3O4NPs复合材料修饰的PDMS芯片成功实现了氨基酸、多肽以及药物类手性分子的有效分离。因此,在本实验中PDA可以作为一种手性选择剂分离手性分子,这不仅拓宽了手性选择剂的选择范围,而且也提供了一种简单、有效的芯片毛细管电泳手性分离分析方法。