塑料微流控芯片表面静态涂层改性法的研究

本项目拟开展塑料微流控芯片表面改性方法的创新性研究。以分子在固/液界面的自发吸附技术为基础，结合分子设计和剪裁技术，从分子水平调控表面活性分子在基体表面的排列、空间取向、构型及其与基体表面的作用方式，发展微流控芯片表面改性的新材料和新方法。重点研究碱性蛋白质与聚甲基丙烯酸酯表面弱键相互作用本质和规律；建立研究吸附分子间及其与基体表面弱键相互作用的新策略和新方法；揭示分子结构、基体表面特征、空间效应和自组装单分子膜的微结构及其与基体作用关系和规律；首次提出从短强氢键、盐桥等非经典氢键作用的角度，设计合成表面改性新材料和构建自组装、无吸附、亲水静态涂层的新原理和新方法；解决分子与固体表面弱键作用中的支配力和调控规律等科学问题；克服蛋白质在塑料微流控芯片表面的吸附，促进其在蛋白组学中应用。本研究将革新微流控芯片表面改性技术和方法，并促进分离科学、材料科学、表面化学和纳米微制造等的学科领域的进步。

蛋白质非特异性吸附是微流控芯片最常见的问题之一，常导致样品流失、装置功能低下或失效，因此，通道表面化学及表面改性是决定微流控芯片发展与前途的关键课题之一。目前微流控芯片表面改性主要有化学键合涂层和物理吸附涂层二种方法。化学键合涂层稳定，抑制蛋白质非特异性吸附效果好，但制备步骤繁琐，反应条件苛刻，基本不适用于低成本塑料微流控芯片的表面改性；物理吸附是利用表面活性分子在固/液界面的自发吸附现象，在固体表面形成物理吸附涂层，从而克服样品分子在芯片通道表面的非特异性吸附，具有操作简便，涂层再生容易等优点，但涂层结合稳定性较化学键合法差，抑制蛋白质非特异性吸附效果有限。蛋白质在固体表面的吸附现象虽被广泛研究，但其确切作用机制仍是一个未解之谜。开展蛋白质固/液界面吸附机理的研究，理解其与基体材料间弱键相互作用的本质和协同规律，将是发展高效普适微流控芯片表物理吸附涂层改性方法的关键所在。本项目以离子互补寡肽EAK16-II [(Ala-Glu-Ala-Glu-Ala-Lys-Ala-Lys)2] 及其季胺化衍生物QEAK16-II[(Ala-Glu-Ala-Glu-Ala-LysMe3-Ala-LysMe3)2]为模型，系统地研究了其在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面的自组装行为，发现EAK16-II在PMMA表面可形成以α-helix和β-sheet为主不可逆吸附单分子膜。EAK16-II单分子膜均能有效地抑制标准蛋白质如牛血清蛋白及溶菌酶和人全血蛋白质在通道表面的非特异性吸附，其性能与化学修饰方法相当。QEAK16-II在PMMA表面仅有少量吸附且能蛋白质取代，导致严重的蛋白质非特异性吸附和血栓的形成。研究结果首次验证了碱性氨基酸残基末端氨基和表面负电荷间的离子型氢键是导致寡肽和蛋白质在固体表面强吸附关键因素。EAK16-II能高效抑制蛋白质非特异性吸附的机制为EAK16-II寡肽与固体表面的作用与蛋白质相当但其分子间相互作用如氢键强于蛋白质分子间的相互作用，故EAK16-II寡肽在固体表面吸附在总体能量上较蛋白质更有利，故能有效地抑制蛋白质如全血中高浓度蛋白质在通道表面的非特异性吸附及血栓的形成。本研究极大地促进了我们对蛋白质在固体表面吸附机制的认知，为发展高效普适的微流控芯片表面改性方法提供了理论基础，并促进分离科学、材料科学、表面化学和纳米微制造等的学科领域的进步。