银纳米粒子的SERS效应和SEF效应在微流控芯片光学检测中的应用

银纳米离子的SERS技术和SEF技术的信号检测灵敏度非常高,可以用在微流控芯片的定量分析中。为了提高微流控芯片光学检测技术的检测精度,提出一种在微通道中添加银纳米粒子来增强SYBR GreenⅠ拉曼和荧光信号的方法,并对该方法的原理和增强效果进行了研究。首先,利用准分子激光器在PMMA基板上直写刻蚀出宽200 μm、深68 μm的微通道,接着将制备的银前体溶液加入微通道,通过加热制备出表面增强拉曼（SERS）和表面增强荧光（SEF）基板,接下来对添加银纳米粒子前后的拉曼和荧光信号分别进行对比,进一步研究了微通道中不同浓度银纳米粒子对SYBR GREEN I的拉曼和荧光信号增强效果。添加银纳米粒子后,表面增强拉曼（SERS）实验的增强因子为3.5×10³,添加银纳米粒子的样品的荧光信号强度与不含银纳米粒子样品的荧光信号强度相比,约增加了1倍。结果表明,在微通道中检测SYBR Green I时通过增加银纳米粒子显著地增强了拉曼和荧光信号,这种方法可以用在以SYBR GreenⅠ做染料的微流控芯片检测技术中。     

微流控等离子体:新型过程强化技术

作为一种新型高效的过程强化技术,微流控等离子体具备微流控及等离子体技术优势,能够提高反应过程的均一性及稳定性,控制反应接触界面,在增加活性物质的密度的同时避免物种的快速猝灭。介绍了微流控等离子体中的活性组分及相应的表征手段,归纳了几种反应器结构并对比了优缺点。系统阐述了微流控等离子体过程强化技术在化学合成、表面改性、材料制备、污染物检测和生物医学领域中的应用,并立足于当前研究现状对该技术的发展趋势进行讨论与展望。     

液相等离子体及其在纳米材料制备中的应用

液相等离子体是冷等离子体的一个新分支,具有温度低、传质传热快、常压操作、反应活性高等特点。基于液相等离子体的过程强化技术在纳米材料制备、挥发性有机物降解、杀菌消毒、化学合成等领域有广泛的应用前景。以液相等离子体中纳米材料的制备为研究对象,介绍了反应体系可能存在的活性粒子、检测方法和反应机理;对常见的反应器结构进行归纳整理,按照放电是否在电解液内部进行将其分为非浸没式和浸没式液相等离子体两大类,并列举了几种典型的反应器结构;介绍了几类利用液相等离子体技术制备纳米材料的典例,并对该领域的研究现状做了总结;对该领域亟需解决的问题与发展方向进行讨论与展望。     

微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

基于变截面微通道的黏弹性流体内颗粒高效分离研究

黏弹性流体广泛存在于自然界中,如人体中的血液等。实现黏弹性流体中不同尺寸微颗粒的高效分离对于生命科学和临床医学等领域有着重要的意义。本文基于对黏弹性流体中的微颗粒先富集再分离的思想,首先通过渐缩截面微通道,改变弹性升力的方向,并增强微颗粒在微通道中的受力,实现不同微颗粒的高效富集。而后,利用不同粒径微颗粒在层流状态下的运动特性差异,进一步实现对不同尺寸微颗粒的高效分离。实验结果表明,在维森伯格数Wi为17.5至34.9的范围内,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)黏弹性流体中10 μm与4 μm两种微颗粒可实现完全分离。此外,本文还研究了不同流动参数和通道几何结构对黏弹性流体中颗粒分离的影响。与其他用于黏弹性流体中微颗粒分离的微流控技术相比,本文提出的颗粒分离方法具有分离精度和效率高、通道长度短等优点。基于此方法的微流控芯片技术在生物医学等领域有着巨大的应用潜力。     

微流控芯片系统中测温及控温装置的研制

报道了一种结构简单、成本低、操作方便、应用于微流控芯片系统中温度测量及温度控制的装置。该系统以CCD摄像机、荧光显微镜及图像采集卡构成的非接触荧光指示剂测温装置,实现了微流体空间温度分布测量以及随时间变化的温度测量。提出了以透明氧化铟锡薄膜玻璃作为加热元件,采用PID控制算法的温度控制平台,稳态时温度控制精度可达到±0.1 ℃。采用该测温和控温装置研究了玻璃微流控芯片微通道内溶液温度在空间上和随时间的变化情况,结果表明该方法简单、有效,可达到μm级的空间分辨率和ms级的时间分辨率。     

磁性纳米材料的生物医学应用

自本世纪初科学家实现高单分散纳米氧化铁的可控制备以来,基于高生物学安全性的纳米氧化铁或者掺杂纳米铁氧体磁性材料的生物医学应用研究出现了爆发式增长,成为目前纳米生物学和纳米医学领域前沿热点之一,特别是其独特的磁学性质,使得磁性纳米材料能够介导外磁场产生纳米尺度的物理效应,并作用于微纳尺度的生物靶点。通过多学科交叉研究,有望建立基于磁性纳米材料的可控、组织可穿透、安全和精准的疾病诊断和治疗新模式,提高疾病的治疗疗效并改善预后。文章综述了近年来氧化铁颗粒在生物医学应用中的一些最新进展,主要集中讨论了磁性纳米材料在新型磁共振成像对比剂、肿瘤磁热治疗和磁力生物调控等应用方向的机遇与发展。     

仿生微流控的发展与应用

仿生微流控技术将仿生结构设计应用到微流体装置中,具有很强的学科交叉性.本文提出了通过仿生手段突破微流控的技术瓶颈,从而提高微流控器件的抗污染性能,告别单一功能的微流控系统应用的局限性,实现微尺度下通道的智能化及动态环境变化下的高适应性等.本文提出了仿生微流控的概念,重点介绍了仿生微流控在器件抗污染、器件智能化、生物学和医药方面的最新研究进展,从仿生设计导入应用前景,并探讨了所涉及的物理问题和关键技术,以期为智能微流控芯片的设计开发和应用提供新思路,并为软物质的开发应用、多功能型智能化仿生器件的设计、制备及应用提供参考.     

基于双波长像面数字全息显微的微通道检测

针对微流控芯片通道三维形貌的可视化测量需求,搭建了一套反射式离轴双波长像面数字全息显微测量系统。首先,利用分辨率靶和标准样片对系统的横向、纵向分辨率和放大倍数进行标定实验,结果表明双波长全息显微系统在横向宽度及纵向深度测量中具有较好的准确性和可行性。然后,利用该系统分别对由PDMS材料制成的直通道、圆形小室结构微流控芯片以及硅基底微流控芯片通道进行三维形貌检测,并得到定量结果：直通道结构深度为48.6μm,宽度为75.8μm;圆形小室微通道深度为48.5μm,宽度为76.6μm;硅基底微流控芯片测量得到通道深度为61.6μm。上述结果与白光干涉仪的测量结果具有良好的一致性,说明双波长全息显微系统具有较高的可靠性和准确性,可为微流控芯片微通道检测提供新的成像检测方法。     

电化学刻蚀制备的荧光碳纳米颗粒

以纯石墨作电极、乙二胺四乙酸二钠溶液作电解液制备了具有荧光性质的碳纳米颗粒。利用紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计分析了碳纳米颗粒的光吸收和荧光发射特征,利用透射电镜和电子能谱分析了碳纳米颗粒的尺寸、晶体状态和成分。结果表明,碳纳米颗粒仅有几纳米,呈分散状态;在325 nm附近具有强的光吸收并表现出强的蓝光发射特征。研究了电解质溶液的种类、浓度等对碳纳米颗粒荧光发射的影响,讨论了碳纳米颗粒的荧光发射机理。     

微纳加工领域新著--《微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用》

微纳加工领域是从事物理学研究与应用开发人员,特别是从事纳米材料与器件研究的物理工作者十分关注和重视的领域。这是由于人们在对纳米材料性能的研究中发现,性能与材料的微观结构尺寸的变化关系密切。例如,随着材料尺度的减小,由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响,材料的物理性能和采用该材料制作的器件特性等都可能表现出与宏观体相材料和相关器件特性显著不同的特点。这些特点是材料性能对微观结构尺寸变化的敏感性所导致的结果。正是由于这种敏感性,使得无论在纳米材料科学问题研究还是在纳米器件发展应用中,对材料生长控制和微加工的精确程度都提出了极为苛刻的要求。所以,需要纳米、甚至原子、分子层次的微纳加工技术,以探索材料与器件的新特性。可见,基础科学的研究发展往往需要技术科学提供强有力的支持,要想探索在纳米尺度下物质的变化规律、新的性质和器件功能及可能的应用领域,同样离不开相应的技术手段。微纳加工技术作为当今高技术发展的重要领域之一,是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳加工,人们可以按照需求来设计、制备具有优异性能的纳米材料或纳米结构及器件与装置,发展探测和分析纳米尺度下的物理、化学和生物等现象的方法和仪器,准确地表征纳米材料或纳米结构的物性,探索纳米尺度下物质运动的新规律和新现象。     

丹酰氯SiO2纳米发光标记物的制备

通过合成丹酰氯的荧光单体硅酯前驱物,采用油包水的反相微乳液法,以丹酰氯的荧光单体硅酯前驱物为核材料,成功地制备了丹酰氯的荧光纳米颗粒,克服了传统方法制备核壳荧光纳米颗粒中存在的荧光染料泄漏问题.通过透射电子显微镜表征该纳米粒子呈球形,大小均匀,直径为40nm左右.所制得纳米颗粒荧光性质稳定,受外界环境的影响小,且潜在生物亲和性,是一种新型的荧光标记物.     

基于微流控技术的水的太赫兹吸收特性研究

很多生物大分子的特征振动模式和转动模式都位于太赫兹波段范围内,且太赫兹波的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以可以采用太赫兹技术来鉴别生物样品。在许多研究中,生物样品都是溶液状态,溶液中水和其他分子之间的相互作用涉及很多生物现象,所以研究水的太赫兹特性就显得至关重要。众所周知,水分子是十分常见的极性分子,分子间氢键会与太赫兹波发生强烈的相互作用,从而使得水对太赫兹波有很强的吸收作用,导致利用太赫兹技术研究水溶液中生物样品的动态特性变得相当困难。为了解决这一难题,可以引入微流控技术。微流控技术以能精确操控微尺度流体而著称,其沟道深度可以达到50μm甚至更小。由于微流控技术减小了太赫兹波在流体中的传播距离,从而极大地减小了水对太赫兹波的吸收。本研究采用对太赫兹波具有高透过率的Zeonor 1420R材料制成了夹心式微流控芯片,芯片上微沟道的长度、宽度和深度分别为3 cm,4 mm和50 μm,太赫兹探测区的直径为3 mm。在制作微流控芯片时,利用厚度为50μm的强黏性双面胶代替传统夹心式微流控芯片中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,使微流控芯片在加热过程中不再有漏液现象。另外,设计了一个温控系统,它由加热片、温度传感器和温控仪构成,该温控系统能够以0.1 ℃的精度控制温度。利用该系统对微流控芯片中的去离子水进行加热,从20～90 ℃每隔5 ℃进行一次太赫兹透射测量,通过对实验数据的分析,发现随着温度升高,水的太赫兹透过率不断减小,说明水对太赫兹波的吸收随着温度的升高而变大。此结果为未来在不同环境温度下利用微流控技术研究液态样品的太赫兹吸收特性提供了先决条件,为未来太赫兹的应用与发展提供技术支持。     

微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。     

毫米量级TMPTA空心泡沫微球的微流控法制备

利用微流控技术实现了毫米量级多元丙烯酸酯(TMPTA)空心泡沫微球的制备。通过对微流体通道的设计与流场分析,获得了具有最佳流场均匀性分布的Y型微流控通道;利用软模板技术实现了Y型通道微流控芯片的组装,并开展了TMPTA泡沫微球的结构控制研究。研究结果表明:在模板尺寸一定的情况下,能够通过调节各相流速实现对微球壁厚和直径的有效控制;微球壳层密度可通过控制单体浓度来调节。通过优化控制条件,实现了密度20~100mg/cm3、直径大于3mm的空心泡沫微球的制备。     

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制

生物分析是微流控芯片分析最具进一步发展及商品化前景的分支领域之一。报道了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制。采用简易热压法自制的PMMA芯片,以小型光纤式激光诱导荧光为检测器,以四触点可切换1 800 V高压电源为电驱动系统,以2%羟乙基纤维素(HEC)为筛分介质,通过用于DNA分析的TO-PRO-3荧光染料和激光诱导荧光检测器670 nm截止滤光片的选择,构建了微流控芯片DNA分析系统。芯片凝胶电泳分离φX174-HaeⅢRF DNA片段, 以603 bp片段计算理论塔板数n为1.14×106·m-1, 271/281 bp的分离度R为1.2。建立的PMMA微流控芯片DNA分析系统具有制作和运行成本低,芯片可重复使用,分析重现性好等特点。该研究可用于制作微型化便携式DNA分析仪,应用于临床诊断、疾病筛查等领域。     

功能纳米材料的可控制备及性能研究

功能纳米材料以其独特的结构和优异的性能在催化、能源、传感等领域具有广泛的应用前景.通过控制其制备和组装过程,可以有效地调节其性能.文章介绍了作者所在实验室在新型纳米材料合成方面的研究进展,深入探索了纳米晶体、生物络合高分子和生物分子-无机杂化纳米结构的可控性制备过程,对金属-半胱氨酸生物络合高分子的自组装与超结构手性进行了系统的研究和探讨.另外,文章作者还发现了无机杂化纳米结构的可逆光开关荧光效应,该效应在光信息记录方面具有潜在的应用价值.     

卟啉纳米技术:探索生物光子学新视角

我们最新发现了卟啉纳米,第一种集多种功能与优良光学特性于一身、全部有机的纳米颗粒。这种纳米颗粒通过卟啉脂质自组装形成一个约100nm的类脂质体结构,该颗粒上极高的卟啉密度(>80 000每颗粒)使其能够高效吸收光能并转换成热能,成为理想的光热治疗以及光声成像的载体,也能够进行荧光成像以及光动力治疗。此外,卟啉纳米也可通过螯合金属离子进行PET和MRI成像。通过改变卟啉脂质组装,开发了一系列不同尺寸和生物光学功能的卟啉纳米和微米颗粒,如卟啉纳米碟、卟啉纳米微泡、卟啉微反应器、卟啉-金纳米颗粒等。有别于传统"搭积木"式的多功能纳米载体,卟啉纳米内在的多功能特性和超简单的结构代表了一种全新的纳米颗粒设计概念,具有临床转化的前景。     

纳米尺度下的局域场增强研究进展

金属纳米颗粒的等离激元共振引起的局域场增强效应,对显微成像、光谱学、半导体器件、非线性光学等诸多领域都具有极大的应用潜力。尤其是在光学纳米材料领域,通过亚波长金属纳米颗粒与电介质的组合引起局域场增强效应,提高了纳米材料的光学性能,并促进纳米材料在光学领域的应用。本文主要综述几种常见纳米结构所产生的局域场增强效应及其应用,详细介绍并总结了金属纳米材料的不同结构参数与局域场增强的关系及局域场增强在非线性光学、光谱学、半导体器件等领域的应用。未来,随着对金属纳米材料的研究愈发深入,局域场增强的应用将更加广泛,这将对诸多领域的发展产生重要影响。     

微流控光学器件与系统的研究进展

微流控技术作为微全分析系统的关键与核心,一直是MEMS领域中的一个研究重点。随着微流控技术水平的不断提高以及与其它学科的不断渗透与融合,近年来已经涌现出一批令人注目的研究热点,其中微流控光学器件就是其典型代表。微流控技术与光学器件的融合,为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。叙述了一些基于微流控技术的可变焦光透镜、显示器件、光开关、以及可调光纤光栅等新型光学器件的近期研究成果和应用背景。