国家自然科学基金标书-集成微流控芯片纳米材料制备与分析应用研究

集成微流控芯片纳米材料制备与分析应用研究

申请人: ***

摘要

本项目提出用流体动力学聚焦法在集成微流控芯片的微管道中合成金属, 有机导电聚合物及它们的核/壳结构的纳米颗粒, 并在线对纳米颗粒表面进行修饰与功能化. 然后用于样品标记, 实现在这一集成芯片上完成纳米颗粒合成, 修饰, 标记, 样品分析.

Abstract

The project proposes synthesizing various nanoparticles (NPs) such as metal

NPs, conducting polymer NPs, and core/shell NPs in the microchannel of an

integrated microfluidic chip by means of hydrodynamic focusing and on-line

functioning those synthesized NPs. Then the use of these functionalized NPs

directly to label the analyte of interest from samples and completing

synthesis, modification, labeling and detection on the integrated microfludic

system.

重要意义

本项目利用微流控芯片合成纳米颗粒并在同一芯片上集成纳米材料合成系统与样品分析系统,实现同一芯片完成纳米材料合成, 在线标记与样品检测. 将纳米分析技术与微流控芯片分析有机结合, 由于纳米材料的独特的功能与性质, 从而大大提高了芯片分析的灵敏度, 同时不失芯片分析具有的其他优点. 本项目提出的微流控芯片集成电分析化学技术将实现该芯片分析仪的微型化, 可携带并可用于现场分析. 本项目提出的利用流体动力学原理调控纳米材料的合成等方面的基础研究, 对于纳米材料的形成机制及其结构特征也将富有成果. 因此, 本项目的研究将为促进新一代微流控芯片分析的出现和发展有积极和重要意义.

目前研究现状

集成微流控芯片, 通称为芯片实验室, 是指把生物, 环境和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成在一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术.1, 2 它是在1990年提出的微全分析系统概念的基础上发展起来的.3 目前,

芯片实验室分析已成为一个非常热门的研究领域.4-9 它之所以倍受人们关注是因为其特点所决定的: (一), 集成性.10 集成的单元部件越来越多，集成的规模也越来越大,

功能也越来越强; (二), 分析速度极快;11 (三), 高通量;10, 11 (四), 微型化可携带, 适于即时, 在线与现场分析; (五), 能耗低，物耗少，污染小因而非常廉价，安全, 被人为是一种环境友好的分析方法与“绿色”技术. 因此，芯片实验室研究显得非常重要. 例如, 在生物医学领域, 它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降; 在化学领域它可以使以前需要在一个实验室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析和合成，将在一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验;在分析化学领域，它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪，将大大节约人力与物力资源和能源.

在环境领域, 它使现场分析及遥控环境分析成为可能.

芯片实验室是一个跨多学科的研究领域, 它涉及物理, 化学, 工程, 医学等. 因而研究的范围非常广泛. 不同的学科研究的侧重点可能不一样. 分析化学家侧重于把芯片实验室用做全分析系统, 而有机化学家则把它用作微反应器用来化学合成. 目前,

芯片实验室主要用于分析,4-7 分离12, 13与化学合成14等领域. 芯片实验室 本身的一些理论和应用基础研究,3 制作工艺研究,15, 16 适用新型材料开发等也在发展之中. 例如, 以芯片制作工艺而言, 芯片制造已由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚紫外激光直接刻蚀微通道方向发展, 同时其他技术如, 模板技术(Soft Lithography)10等也广泛应用起来; 芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段. 芯片实验室所用材料由最初的价格较为昂贵的玻璃和硅片，发展成以便宜的聚合物为材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基异丁烯酸（PMMA）及其他各种塑料等. 芯片实验室在分析与合成研究方面最为广泛. 芯片实验室分析研究主要集中在以下几个方面: 检测技术;17, 18分离技术12, 13与样品制备技术包括取样与进样, 样品处理等; 及分析应用研究等.19, 20目前, 芯片实验室最常用的检测器是荧光21和电化学检测器.18, 22, 23 荧光法的灵敏度高. 但现阶段其体积仍然偏大. 芯片的驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小, 因此, 人们正努力追求将这两部分做到最小. 电化学检测由于其体积较小 且灵敏度高，可制成便携式分析仪在尺寸上和芯片实验室的概念匹配，所以在芯片实验室分析中的应用研究较多。电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上，采用安培或电导法进行检测. 但是一些因素, 如电泳分离电压对检测电流的干扰等, 是电化学检测需要克服的。另外, 其它检测方法也在进入这一领域，如质谱(MS),24 不需标记的SPR检测25、核磁共振(NMR),快速阻抗谱（FIS）检测、NIR时间分辨荧光检测等. 分离技术以芯片毛细管电泳方法研究最多且最为成功, 其他方法也在不断的探索之中. 目前, 与分离, 和检测相比, 在芯片上的样品制备方面的研究还不见多.

但是也在发展中, 如芯片完成取样, 过滤等已见报道.20 芯片实验室分析在许多领域已有应用. 根据统计资料, 在近五年, 芯片实验室分析85%集中于 生物医学领域. 如临床血细胞分析,26核酸分分析,27蛋白质分析,28与药物分析29等; 10%于环境领域30,

如重金属分析31, 化学毒气及爆炸物等; 少于5% 用于食品及其他领域.

芯片实验室用于化学合成1, 14也有广泛研究与报道.如常 PCR扩增 .32目前,

制备和开发纳米材料, 如纳米颗粒, 引起了人们的广泛兴趣, 因为这些纳米材料已经在超灵敏分析, 药物释放等显现出了广泛的应用前景. 微流控芯片现在也开始应用于纳米颗粒的合成. 33-36已见的报道有: 硅纳米颗粒,34 半导体纳米颗粒,33, 36 导电聚合物纳米颗粒等. 芯片实验室用于纳米颗粒合成显出它的优势, 即在微管道里容易创造纳米大小的反应空间. 因而反应物在受现的空间里生成纳米颗粒.

在现有研究的基础上, 我们提出一种新方法即应用流体动力学聚焦法在微流控心芯片上合成纳米材料如纳米颗粒, 并实现在同一芯片上完成纳米材料合成, 在线标记与样品检测. 这一方法有其优势: 该方法非常简单, 制作工艺也不复杂. 并且实现在同一芯片上完成多项功能包括纳米材料在线合成, 修饰与功能化, 样品纳米颗粒标记与分析; 在这里想特别指出的是: 以前的芯片实验室研究基本上是把分析和合成分割开来. 事实上, 只要找到好的切入点, 则可以把化学合成和分析结合起来, 使化学合成在芯片上为分析服务. 我们在这里提出的微流控芯片材料合成与分析应用就是把合成与分析有机结合起来, 在同一芯片上集成纳米材料合成系统与样品分析系统. 并在微流控芯片分析中引入纳米分析技术, 这将大大提高芯片分析的灵敏度,从而, 促进微流控芯片分析在实际样品分析中的应用. 事实上, 检测技术的灵敏度度是目前芯片实验室分析的重要挑战之一, 这是由于它只用微量样品的结果. 我们在微流控芯片中应用纳米分析技术, 有助于此问题的解决.37

研究方法与技术路线

流体在微流管道里的流动特性可用以下公式来表征:

Re =LVavg /

式中Re雷诺数, L为长度, 为流体的粘度系数, 为流体的密度, Vavg为流体平均流速. 对于多数微管道, L 为4A/P (这里, A为微管道横截面积, P为管道的润湿参数).

由于微管道的小尺寸, 雷诺数通常大大小于100 甚至小于1.0. 在这个范围, 流体的流动完全是层流状的(见图1), 湍流不会发生. 只有当雷诺数大于2000时, 过渡到湍流才会发生. 因而, 在微管道流体的层流特性为我们提供了一种可以预测和调控子传输迁移的手段.

正是由于流体在微管道中具有这种特性, 我们提出用调控流体动力学的方法,

即流体动力学聚焦法来创造纳米尺寸的反应空间, 让不同的分子通过扩散进入这一纳米空间进行化学反应.由于受限的空间, 纳米颗粒被制备出来. 图2 显示了调控流体动力方法控制反应区间的基本原理. 利用流体动力学原理, 在主管道两侧对称地通入两流体, 通过调控各流体的流动参数, 如流速等, 在主微管道里可形成大小可调控的反应空间(Wf). 这个大小可调控至纳米范围. 因而反应物在受限的纳米空间生成纳米大小的颗粒.另外, 纳米颗粒的大小还可通过控制流体流动的距离d 来控制. 纳米颗粒的大小应与反应物流动的距离成正比. 当然, 这流动距离d 也不能太长. 根据需要可通过实验确定最佳的d值.

我们将用PDMS为材料, 利用Soft lithography 技术(见图3)制备集成微流控芯片. 它有多步组成. 我们将设计和制备含有两层微通道的芯片. 在这一芯片中, 其中下层的微通道为主通道, 用于运输样品. 上层的微通道为控制通道,用于控制主通道的样品运输, 具有开和关的功能. 正是在这集成芯片中设有控制通道, 为我们调制芯片上各功能单元提供了条件. 我们将用气压为控制通道提供动力, 在控制通道中装有少部分水. 而流动通道中的动力来自水压或气压.

图1. 在不同雷诺数下流体在管道中的流动特性.