石英晶片表面处理方法对比

0 引言

石英晶片在工业生产、科学研究等领域中的应用十分广泛。一方面，石英晶体元器件可应用于通信、计算机、彩色电视机、音像制品、电子玩具、汽车电子设备和医用电子设备等诸多领域[1] ；另一方面，石英晶片作为固定物质的载体，广泛应用于检测仪器中，如表面等离子体共振仪（surface plasmon resonance instrument，SPRI）[2]、核磁共振成像仪（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）[3]、椭偏仪[4]、石英晶体微天平（quartz crystal microbalance，QCM）[5]等。

在石英晶片的使用过程中，表面清洗与处理是一个较重要的环节。由于晶片表面容易存在金属、颗粒以及有机物等污染物[6]，使用前必须对其进行有效清洗。目前，常用的清洗方法有化学清洗法、机械擦洗法、超声波清洗法、兆声波清洗法、旋转喷淋法、臭氧清洗法、激光清洗法等[7-9]。实验室主要采用超声清洗法与化学清洗法。化学清洗法的清洗液主要有浓硫酸/双氧水[10-12]、氨水/双氧水，以及浓盐酸/双氧水[13]等。其清洗作用主要包括2个方面：一方面是去除表面污染物；另一方面是对表面进行亲水化处理，在晶片表面形成大量羟基，为晶片与其它分子连接提供结合位点。目前，对石英晶片表面的处理方法已有较多报道[13-16]，但对不同方法处理的效果没有详细的研究与比较。本文对石英晶片表面处理的几种常用方法进行比较，以优化石英晶片的最佳表面处理条件。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyl triethoxysilane，APTES）购自Sigma公司；荧光标记IgG蛋白购自上海晶天生物科技有限公司；二氧化硅晶片由国防科学技术大学提供；丙酮、浓硫酸、浓盐酸、过氧化氢、氨水、戊二醛均为分析纯。KQ-500DB型超声波清洗器和视频光学接触角测量仪，均由德国Dataphysics公司生产；GenePix4100A生物芯片扫描仪由德国Axon公司生产。

1.2 实验

为去除石英晶片表面污染物，先用物理方法作前期处理：将晶片分别用丙酮、无水乙醇、双蒸水超声处理5min，超纯水冲洗干净，纯氮吹干备用。

将去污后的石英晶片用4种不同方法作亲水化处理：第一种用V（浓H2SO4）:V（H2O2）=7:3的溶液，第二种用V（浓HCl）:V（H2O2）:V（H2O）=1:1:5的溶液，第三种用 V（NH3·H2O）:V（H2O2）:V（H2O）=1:1:6的溶液，第四种是传统的RCA（radio corporation of america）清洗。为考察处理时间对亲水化效果的影响，前3种方法中溶液浸泡处理时间分别为5, 10,20, 30, 45 min。第四种方法具体步骤为：先在100～130℃下用浓硫酸/过氧化氢处理30 min，再在65～80 ℃下用氨水/过氧化氢处理30 min，然后在20～25 ℃下用氢氟酸/过氧化氢处理30 min，最后在65～80 ℃下用浓盐酸/过氧化氢处理30 min。

亲水处理后，石英晶片表面会产生羟基。用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液浸泡亲水处理后的石英晶片40 min，超纯水清洗，纯氮吹干。然后将晶片在110℃下烘30 min，放入质量分数为5%的戊二醛中浸泡120 min，分别用磷酸缓冲液和超纯水冲洗，纯氮吹干备用。在经过上述处理的石英晶片表面用荧光标记IgG蛋白点样，在37 ℃下湿盒温浴2h，分别用磷酸盐缓冲液和超纯水冲洗，纯氮吹干，用芯片扫描仪进行荧光检测。

2 结果与讨论

2.1 超声清洗结果

将石英晶片依次在丙酮、无水乙醇和超纯水中超声5 min，超声前后的接触角如图1所示。从图可以看出，超声前后接触角有明显改变，由53.1°变为38.0°。这表明经过丙酮、无水乙醇、超纯水超声清洗后，石英晶片表面的污染物（特别是有机污染物）被物理去除，石英晶片表面的亲水性增强，这为石英晶片的后续处理与使用打下了基础。

2.2 亲水化处理结果

超声后的石英晶片分别用1.2节中3种不同的氧化体系进行亲水化处理，使晶片表面产生羟基。3种溶液处理后接触角与时间的关系如图2所示。

图1 超声前后的接触角对比
Fig.1 The contact angle of quartz crystal surface before and after ultrasonic treatment

图 2 不同亲水化处理的接触角与时间的关系
Fig.2 The relationship of contact angle and treating time under different hydrophilic treatment for quartz crystal surface

从图2可知，经过浓H2SO4溶液浸泡的石英晶片，其接触角明显小于另外2种溶液处理后的接触角。这表明经浓H2SO4溶液处理后，晶片表面产生了更多的羟基，这有利于它与其他分子的连接。因此，用浓H2SO4溶液处理的方法优于另外2种处理方法。

另外，从图2还可以看出，石英晶片经浓H2SO4溶液处理30 min后，接触角达到最小值，再延长浸泡时间，接触角没有明显的变化。这表明晶片表面的羟基随处理时间的增加而增多，30min后达到饱和。因此，最佳的处理时间为30min。

传统的RCA清洗方法得到的接触角为12°，这与用浓H2SO4溶液处理后的接触角相近，但从操作方面考虑，用浓H2SO4溶液处理是最佳的亲水处理方法。

2.3 氨基硅烷表面修饰检验

为了证明亲水处理后表面羟基的存在以及亲水化处理方法的可行性，采用APTES自组装修饰石英晶片。APTES的烷氧基通过水解与晶片表面的羟基结合，从而在晶片表面形成APTES单分子层。图3为APTES修饰前后石英晶片表面接触角对比。

图3APTES修饰前后的接触角对比
Fig.3 The contact angle of the quartz crystal surface before and after APTES modification

从图3可以看出，APTES修饰后，晶片表面的接触角增大，由修饰前的13.2°增大到28.3°。这是因为，APTES与晶片表面羟基发生反应时，1个APTES分子与3个羟基反应，反应后APTES分子中只有1个氨基裸露在外面，相当于3个亲水羟基被1个亲水氨基替代，造成亲水基团减少，亲水性降低。这也说明APTES与晶片表面羟基已成功结合。

2.4 蛋白质荧光扫描检验

为进一步验证晶片处理效果，在APTES修饰的晶片表面结合荧光蛋白，通过荧光扫描进行验证，结果如图4所示。

从图4可以看出，荧光蛋白通过戊二醛已与APTES的氨基成功结合，显示出较强的荧光，荧光强度值达到1 000。这也进一步证实了石英晶片经浓H2SO4溶液亲水化处理后，表面带有大量羟基，它可进一步与其它分子（如DNA、蛋白质等）有效结合。

图4 晶片表面结合蛋白的荧光图
Fig.4 Fluorescence image of quartz crystal surface binding protein

3 结语

本文对石英晶片的表面处理方法进行了比较。石英晶片经物理超声后，表面污染物被去除，接触角减小。分别用浓H2SO4、浓HCl 和NH3·H2O 溶液以及RCA清洗法进一步亲水化处理，以浓H2SO4溶液处理后石英晶片的接触角减小最多，且处理30min后效果最佳。处理后的晶片通过APTES修饰后与荧光蛋白质结合，具有较强的荧光信号。因此，用浓H2SO4溶液处理石英晶片表面是亲水化处理的最佳方法。