Физика и химия стекла, 2020, T. 46, № 5, стр. 490-496

ВВЕДЕНИЕ

Впервые практическая возможность создания микрофлюидного устройства на подложках из стекла для быстрого электрофоретического разделения пробы на компоненты была продемонстрирована в [1]. В настоящее время микрофлюидные чипы (МФЧ) на стеклянных подложках широко используются в хроматографии, электрофоретическом разделении, секвенировании ДНК, для полимеразной цепной реакции (ПЦР) и т.д. Одним из важнейших факторов, определяющих качество МФЧ, является правильный выбор материала подложки и методов ее подготовки, определяющий эффективность нанесения необходимых функциональных слоев на ее поверхность [2, 3].

Разнообразие номенклатуры силикатных, кварцевых, боросиликатных и других специальных стекол позволяет осуществлять оптимальный выбор материалов с требуемым набором целевых физико-химических (оптических, термических, диэлектрических и т.д.) свойств для изготовления МФЧ для решения различных аналитических задач. Физико-химические свойства стекол, в особенности состояние их поверхности, могут изменяться в широких пределах в зависимости от условий их хранения и обработки [4]. Перед применением МФЧ и дальнейшим модифицированием поверхности каналов производится их очистка – удаление органических и неорганических загрязнителей и травление с целью получения требуемого состояния поверхности (структура, рельеф, функциональный состав и гидрофобно-гидрофильные свойства). Для создания микрофлюидного чипа необходима стабильная гидрофилизация поверхности, т.е. формирование слоя силанольных групп, необходимых для последующего нанесения функциональных слоев, обеспечивающих взаимодействие с анализируемыми веществами (ДНК, РНК и др.).

Для соответствующей подготовки внутренней поверхности кварцевых капилляров применяют различные методы, включая обработку NaOH с последующей термообработкой, промывкой водой, ацетоном и сушкой в потоке азота [5], сочетание обработки щелочью (NaOH) и кислотой (HCl) [6], а также аналогичный процесс в сочетании с последующей обработкой метанолом [7]. Перечисленные методы характеризуются существенным недостатком, связанным с низкой воспроизводимостью гидроксилирования поверхности и сохранением значительного количества остаточных силоксановых структур [8].

Важной задачей является разработка методов оперативного измерения, контроля и стабилизации достигнутых характеристик. Перспективным подходом к решению данной задачи является использование таких реагентов, как плавиковая кислота HF и кислота Каро (смесь серной кислоты и пероксида водорода), обеспечивающие травление поверхностного слоя стекла и повышение его химической стойкости за счет удаления натрийсодержащих компонентов [9].

В серии ранее выполненных исследований [10, 11] была показана возможность регулирования функционального состава и гидрофильно-гидрофобных характеристик поверхности стекла. Например, оптимизация параметров обработки стекла под воздействием ускоренных электронов приводит к повышению содержания гидроксильных групп с определенными кислотно-основными свойствами и регулированию краевого угла смачивания и поверхностной энергии. Это позволило осуществить прививку используемых в электрохроматографии функциональных слоев на поверхность модифицируемого стекла.

В данной работе изучено влияние обработки поверхности применяемого для изготовления МФЧ боросиликатного стекла плавиковой кислотой и кислотой Каро, а также раствором пероксида водорода Н₂О₂ (не реагирующего непосредственно со стеклом, но модифицирующего функциональный состав поверхности) на поверхностную энергию и гидрофильно-гидрофобные свойства материала.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследуемые материалы. Объектами исследования в настоящей работе были боросиликатные стекла промышленной марки SCHOTT BOROFLOAT ® 33 (состав, мас. %: 81SiO₂, 13B₂O₃, 4Na₂O/K₂O, 2Al₂O₃) размером 10 × 10 мм и толщиной 1.0 ± 0.1 мм.

Реактивы. Для обработки и модифицирования поверхности кварцевого стекла использовали ацетон (“ч. д. а.”, ГОСТ 2603-79, ООО “Нева-Реактив”), изопропанол (“х. ч.”, ТУ 2632-181-44493179, АО “ЭКОС-1”), плавиковую кислоту (46–49%-й раствор, "ос. ч.”, ТУ 2612-007-56853252-2010, ООО “Нева-Реактив”), серную кислоту (95.6%-й раствор, “х. ч.”, ГОСТ 4204-77, ООО “Нева-Реактив”), пероксид водорода (37%-й раствор, “х. ч.”, ГОСТ 177-88, ООО “Нева-Реактив”).

Методы подготовки и обработки образцов. Подготовка контрольных образцов для сравнения. Предварительно было установлено, что для стабилизации характеристик поверхности исследуемых материалов необходимо непосредственно перед травлением (после обезжиривания) подвергать их термостатированию, которое проводили в течение 2 ч при температуре 80°С, что позволило получить образцы с воспроизводимыми и стабильными во времени значениями краевых углов смачивания (табл. 1).

В отсутствие такой подготовки, а также при меньших значениях температуры и времени выдержки наблюдался недопустимый разброс значений краевых углов смачивания исследуемых образцов в диапазоне от 30° до 55°, что свидетельствовало о крайней неоднородности состояния (гидратации) их поверхности.

Приведенные в табл. 1 данные для кондиционированных образцов, не подвергавшихся дополнительному модифицированию, использовали в качестве контрольных значений для сравнения с результатами, получаемыми для модифицированных образцов стекол.

Модифицирование поверхности образцов. Перед модифицированием все образцы обезжиривали погружением в ацетон на 8 мин, после чего промывали дистиллированной водой, погружали в изопропанол на 5 мин и снова промывали дистиллированной водой.

Перед последующим травлением образцы промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 80°С в течение 2 ч, аналогично рассмотренным выше контрольным образцам.

Модифицирование осуществляли с использованием следующих реагентов:

– кислоты Каро, приготовленной смешением исходных растворов перекиси водорода (37%) и серной кислоты (98%) в соотношении 1 : 2 (об.),

– 25% (об.) раствора плавиковой кислоты HF, полученного соответствующим разбавлением исходной концентрированной кислоты,

– 37%-го раствора пероксида водорода H₂O₂.

По 15 образцов исследуемых стекол подвергали обработке в следующих условиях:

– погружением в раствор HF на 5 мин;

– погружением в кислоту Каро на 5 мин с последующей промывкой водой и погружением в раствор HF на 5 мин;

– погружением в раствор пероксида водорода.

Все эксперименты проводили в стандартных чашках Петри.

Измерение краевых углов смачивания и определение поверхностной энергии. Для измерения краевых углов (θ) смачивания водой и глицерином поверхности боросиликатных стекол применяли гониометрический метод фотографической регистрации изображения лежащей на поверхности капли, реализованный с помощью лабораторной установки, аналогичной прибору DSA14 (“Kruss”, Germany), в соответствии с методикой, описанной в [12]. Измерения проводили на двух сторонах пластин стекла для 8–10 капель на каждой стороне пластины, усредненные краевые углы смачивания определяли с погрешностью ±1°.

Полярную (σ_p) и дисперсионную (σ_d) составляющие поверхностной энергии исследуемых материалов определяли, решая систему уравнений [12]:

где σ_в, σ_вp и σ_вd – полное поверхностное натяжение воды и его полярная и дисперсионная составляющие (соответственно 47.8, 25.0 и 72.8 мДж/м²), а σ_г, σ_гp и σ_гd – аналогичные значения для глицерина (соответственно 59.4, 22.4 и 37.0 мДж/м²)

На основании полученных результатов рассчитывали полную поверхностную энергию исследуемых образцов (σ_Σ = σ_p + σ_d), определяющую общую активность поверхности, а также соотношение между полярной и дисперсионной составляющими поверхностной энергии (σ_p : σ_d), характеризующее ее гидрофильность.

С целью проверки стабильности изменений состояния поверхности, измерения краевых углов смачивания проводили как непосредственно после модифицирования, так и через неделю после нее.

Исследование морфологии поверхности образцов. Морфологию поверхности исходных и модифицированных образцов исследовали методом атомно-силовой микроскопии с использованием прибора СЗМ Ntegra Aura (NT-MDT) в контактном режиме сканирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результат измерений краевых углов смачивания и расчета поверхностной энергии исследуемых образцов приведены в табл. 2.

Полученные данные показывают, что все используемые виды модифицирования поверхности стекла приводят к ее гидрофилизации – росту полярной и снижению дисперсионной составляющей поверхностной энергии и значительному увеличению соотношения между ними в сравнении с результатами для контрольных образцов, приведенными в табл. 1. Наиболее значительное и стабильное увеличение данного показателя (до 6.1 и 5.6 для двух сторон непосредственно после обработки и соответственно до 9.7 и 6.1 через неделю) наблюдается в случае последовательной обработки кислотой Каро и плавиковой кислотой. При обработке плавиковой кислотой без использования кислоты Каро указанные показатели непосредственно после обработки составляют 8.2 и 3.9, а через 7 сут – 4.4 и 2.4. В случае применения пероксида водорода наблюдается наименее выраженная гидрофилизация – рост рассматриваемого соотношения до 2.2 и 2.5 непосредственно после обработки и до 3.8 и 1.5 через неделю.

Сочетание обработки кислотой Каро и плавиковой кислотой обеспечивает наибольшее увеличение полной поверхностной энергии – до 61–64 мДж/м² в сравнении с 43–54 мДж/м² при обработке плавиковой кислотой, 39–49 мДж/м² при обработке пероксидом водорода и 35–37 мДж/м² для исходного материала. Такая активация поверхности способствует усилению ее взаимодействия с наносимыми функциональными слоями.

Следует отметить, что через 7 сут после обработки кислотой Каро в сочетании с плавиковой кислотой соотношение полярной и дисперсионной составляющих поверхностной энергии (σ_p : σ_d) несколько возрастает, а в случае обработки HF без использования кислоты Каро – значительно (почти в 2 раза) снижается. Наблюдаемое различие изменения гидрофильно-гидрофобных характеристик поверхности стекла с течением времени может быть дегидратирующим действием кислоты Каро (концентрированной серной кислоты), приводящим поверхность стекла в неравновесное состояние вызывающей дегидроксилирование поверхности стекла с последующей постепенной релаксацией поверхности с последующей постепенной регидратацией при контакте с атмосферой, что приводит к увеличению полярной и снижению дисперсионной составляющей поверхностной энергии. Обработка плавиковой кислотой может сдвигать равновесие в сторону избыточной гидрофилизации и гидратации поверхности с последующей релаксацией в противоположную сторону при хранении на воздухе.

Сравнительный анализ результатов АСМ для образцов, подвергнутых травлению плавиковой кислотой и при сочетании обработки HF и кислотой Каро (рисунок 1, табл. 3) показывает, что в обоих случаях однородность поверхности резко снижается. При последовательной обработке кислотой Каро и HF наблюдаемое снижение однородности рельефа поверхности выражено в значительно меньшей степени в отношении как шероховатости поверхности (рост величины Ra до 3.9 нм в сравнении с 4.7 нм в случае обработки HF в отсутствие кислоты Каро относительно 0.7 нм для исходного стекла), так и средней (соответственно 30.6 и 39.2 относительно 7.6 нм) и особенно максимальной (соответственно около 60 и более 90 нм относительно 16 нм) высоты неровностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволили определить эффективный способ подготовки поверхности боросиликатных стекол, основанный на последовательной обработке кислотой Каро и плавиковой кислотой и обеспечивающий значительное повышение поверхностной энергии материала, его гидрофильности и стабильности характеристик поверхности при хранении, что перспективно для последующего нанесения функциональных слоев в каналах микрофлюидных чипов.

Работа выполнена в ИАП РАН в рамках Государственного задания № 0074-2019-0013.