聚二甲基硅氧烷表面改性研究进展
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山东化工
SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY
2012年第41卷
聚二甲基硅氧烷表面改性研究进展
刘
冰，许
林，类彦辉，薄强龙，寿崇琦
（济南大学化学化工学院，山东济南250022）
摘要：聚二甲基硅氧烷（PDMS ）具有良好的化学稳定性和透光性，以及易加工，价格低廉等优点，广泛应用于微流控芯片领域。但导致其对DNA 、蛋白质等生物大分子具有强烈的非特异性吸附，限制了它的应是由于PDMS 自身为表面高度疏水且多孔性材料，
用范围，需要对其进行表面修饰。PDMS 表面修饰的方法众多，主要分为物理方法、化学方法两大类。概述了目前常用的几种PDMS 表面修饰的方法。
关键词：聚二甲基硅氧烷；表面改性；微流控芯片中图分类号：TQ314．24+6；O634．4+1
文献标识码：A
文章编号：1008－021X （2012）03－0056－03
Research Advances in Surface Modification of Polydimethylsiloxane
LIU Bing ，XU LIN ，LEI Yan －hui ，BO Qiang －long ，SHOU Chong －qi
（School of Chemistry and Chemical Engineering ，University of Jinan ，Jinan 250022，China ）Abstract ：Polydimethylsiloxane （PDMS ）is widely used in microfluidic ，due to the excellent chemical
stability ，transparence ，easy processing and low cost．However ，is the high hydrophobicity and porosity of PDMS ，which cause the strong adorability of biomolecule （such as DNA ，protein ，etc．），limit its application．Commonly ，the surface modification can make some improvement．Up to now ，many methods have been developed on the modification of PDMS ，which can be divided into physical and chemical modification．In the paper ，several methods of modification were reviewed．Key words ：PDMS ；surface modification ；microfluidic chips 聚二甲基硅氧烷（PDMS ），因其具有良好的机械性能、光学性能和化学稳定性，并且易于加工成型、价格低廉，日益成为制备微流控芯片的首选材［1－2］
。但是，料由于PDMS 本身是高度疏水、多孔的［3－4］
。在进行样品分离时，特别是生物分子，由材料
于吸附作用容易产生严重的拖尾现象，最终可能导致分离的失败，严重限制了PDMS 在微流控芯片领域的应用。因此，对PDMS 表面进行亲水性改性，抑制其对分离物的吸附显得尤为重要。
目前，对PDMS 表面改性的方法主要分为物理方法和化学方法两大类。物理方法包括等离子处理
［7］
（Plasma ）［5－6］，紫外臭氧辐射处理等方法；化学方
［8］［9－10］
法包括表面活性剂处理和接枝共聚等方法。1物理方法
物理方法主要通过物理技术对PDMS 表面基团产生氧化、交联等作用，改变表面化学结构，提高亲
收稿日期：2012－03－08
作者简介：刘冰（1986—），山东青岛人，在读硕士研究生，主要从事毛细管电泳、微流控芯片技术研究工作；寿崇琦，博士/Email ：scq211@163．com 。教授，通讯作者，电话：0531－82767867，
水性。
1．1等离子处理
等离子体（Plasma ）是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。等离子体主要分为高温等离子体和低温等离子体。其中，低温等离子体在实验室环境中可以产生，特别是氧等离子体。通过等离子体的作用可以使PDMS 表面疏水的硅甲基转变为硅羟基等亲水性基团，广泛应用于PDMS 微流控芯片的封接和表面改性中。
Jean －Philippe Frimat 等采用常压等离子技术选择性地处理PDMS 表面。使用处理后PDMS 芯片
PDMS 本身疏水性极高细胞无法粘附生培养细胞，
长，仅在等离子体改性后的部位可以生长，从而对细胞培养实现高度精确的控制。此项技术为细胞模板
［11］
精确、低成本的方法。的生产提供了一种快速、
第3期刘冰，等：聚二甲基硅氧烷表面改性研究进展
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沈德新等改进了等离子体处理PDMS 的方法。
目前广泛应用的PDMS 微流控芯片一般通过高真空（压力低于10Pa ）氧等离子体活化及键合进行制备。需要昂贵的分子泵等设备。通过工艺改进，使用装配普通油泵的等离子体去胶机，在中真空（27Pa ）成功进行PDMS 表面改性。使用扫描电镜，红外光谱及接触角测量仪进行了表征。得到的结果与高真空氧等离子体处理方法相比效果基本一致，却大幅度降低了对设备系统的要求，降低了成本并缩短了操
［12］
作时间。
等离子处理方法优点很多，如快速、精确等，但
数小时后PDMS 表面的亲水性是属于暂时性方法，
会逐渐恢复到原来的状态，并且会对PDMS 表面产
［13］
生一定的破坏，使之产生裂纹。1．2紫外臭氧辐射处理
紫外臭氧辐射是对PDMS 表面改性的另一种方法，与等离子体处理方法相比，紫外臭氧辐射处理对PDMS 表面的破坏小。其原理是通过紫外线与臭氧
在PDMS 表面与臭氧反应形成有机硅层，提的作用，［14］
高其亲水性。紫外臭氧改性前后元素含量，如表1所示。
表1
Table 1
PDMS 表面元素含量
The element contents of the PDMS surface
C /%5044．8112．90
O /%2526．1256．94
Si /%2528．6729．88
C ：O ：Si 2：1：11．56：0．91：10．43：1．90：1
张力的物质，其分子由亲水基和憎水基组成，分别位于分子的两端。表面活性剂的憎水基与PDMS 表面使亲水基处于外侧，提高整个PMDS 表面的相连接，
亲水性。用于PDMS 表面改性的表面活性剂主要分为阴离子型、阳离子型、非离子型和特种型，其中十二烷基硫酸钠（SDS ）是最常用于PDMS 的表面修饰剂
［15－16］
。
Hui Tak Kim 等将1%Silwet L －77加入PDMS 预聚体中，制备PDMS 。改性后的PDMS 的接触角而未改性的仅由在10min 内由86．5°降低到48．7°，
106．2°降低到100．9°。对改性PDMS 的稳定性做了考察，经过720h ，接触角仅由66．9°恢复至70．0°。
［17］
说明此种改性方法的稳定性良好、效果明显。表面活性剂不但可以单独对PDMS 表面进行修饰，还可以与其他方法联用。例如，仅用紫外臭氧辐PDMS 与水的接触角由126°降至68°，射修饰后，在
可以使接触角继续下此基础再用10%的SDS 处理，
［18］
降至28°。2．2接枝共聚
Jianhua Zhou 等使用无毒，亲水性良好的聚乙二醇（PEG ）对PDMS 表面进行改性。将PEGMEM 加入PDMS 预聚体的B 组分反应，如图1。通过FT
XPS 等方式表征，－IR 、改性PDMS 亲水性明显增并成功解释了改性机理加，
［19］
元素含量w PDMS （理论值）PDMS （实侧值）紫外臭氧辐射（10min ）
。
Olah 等采用紫外臭氧辐射处理PDMS 表面，观
察到亲水的有机硅层逐渐形成。通过原子力显微镜（AMF ）检测表明，表面在紫外线作用下与臭氧反应形成硅氧烷，表面变光滑。通过接触角的测定发现随着时间的推移接触角逐渐增大，改性后的表面疏水性逐渐恢复。实验结果支持疏水性恢复是由于有机硅层结构中自由的硅氧烷重新覆盖表层以及极性
［6］
基团重新定位的假说。
紫外臭氧辐射处理较之等离子体处理条件温和，但是需要较长的反应时间。经紫外臭氧辐射PDMS 表面由于产生了化学反应，折射率等发生了变化，影响了整个PDMS 的光学性能2化学方法2．1
表面活性剂处理
表面活性剂是指能以极低的浓度显著降低表面
［14］
图1
Fig．1
PEGMEM 与PDMS B 组分反应
Reaction of PEGMEM with PDMS component B
杨文等使用了一种端羟基超支化聚合物－超支
化聚胺－酯，如图2，对PDMS 芯片的微通道进行化学涂覆改性。结果表明，经过改性后的PDMS 表面的亲水性得到了很好的改善，接触角由108°降低到28°左右，电渗流得到了控制，对生物分子的吸附明显减少，成功实践了L －色氨酸和腺苷的分离
［20］
。
。
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山东化
工
SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY
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图2
Fig．2
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（下转第63页）
The structure of hyperbranched polyaminoester
3
结语
PDMS 表面改性方法的原理各不相同，都可以
达到提高PDMS 表面亲水性的目的，在对PDMS 改性时应结合具体要求、实验室条件等因素，选择合适方法。但是各种方法都存在一定的缺陷和制约，所以在PDMS 表面改性的课题上，世界各地的研究者仍在寻找更完美的处理方法。
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