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。     

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。     

用于微流控液滴检测的共焦激光诱导荧光检测系统

以发射波长为473nm的二极管泵浦激光器为激发光源,搭建适于微流控液滴检测的共聚焦激光诱导荧光检测系统.系统玻璃芯片采用简易加工技术加工而成.并用2%十八烷基三氯硅烷将微通道处理为具有强疏水性质.荧光素钠溶液在T形通道交叉处被十四烷剪切形成液滴,液滴流经检测点时被激光诱导荧光系统检测.荧光素钠的检出限为1.1×10<'...     

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。     

基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究

本文基于层流液体的对流扩散效应,提出了一种新型的具有渐变折射率分布特性并且可以实现调节的微腔流体透镜.利用有限元法分析微腔中芯层与包层流体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分度,即混合流体的折射率分布,结果表明,分别调节芯层与包层流体的流速,微腔中的流体可以实现不同的渐变折射率分布.同时,本文还分析了即使考虑腔壁与流体之间的黏滞阻力因素,芯层与包层流体的流速组合依然是混合流体折射率分布的决定因素.应用微腔流体透镜的这种调节效果,可以实现不同要求的光束聚焦、分束、偏转等功能,在微流控光学检测系统以及微成像系统中有重要的应用.     

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。     

真菌鉴别和检测的SERS光谱技术研究进展

真菌是一种广泛存在于自然界的病原微生物,具有细胞核、细胞壁等结构,可以引起动、植物和人类的多种疾病.真菌感染是临床上常见的感染性疾病之一,使得近年来针对真菌的高效检测及真菌相关领域的研究备受关注.目前真菌的传统检测方法主要有培养、镜检与分子生物学检测法等,均具有操作复杂、耗时等缺点.表面增强拉曼散射(SERS)技术以其...     

基于耦合微流控芯片的可逆式铵检测及其影响因素研究

铵（NH+₄）的光谱检测有着重要的意义,随着微流控领域的发展,以快速性、便携性以及多组分检测为目标的微流控光谱分析成效卓著。但是分析中存在的指示剂浪费问题一直没有得到解决。锌卟啉作为一种天然的自发光分子,能够实现NH+₄的可逆性检测,解决这一问题,但却存在选择性低的缺点。针对这些问题,实验设计了一种耦合微流控芯片,由反应芯片、气体扩散芯片和检测芯片组成。其中反应芯片用于将NH+₄转化为NH₃,由聚二甲基硅氧烷制成;气体扩散芯片使NH₃扩散进入待测溶液,由上下两片玻璃芯片及夹在中间的一层PDMS材质的气体透过膜制成;而检测芯片则通过多层结构将指示剂固定在其中。指示剂是通过将锌卟啉永久染色在离子交换树脂上制作而成的,在遇到NH₃分子时会产生由绿到紫的变化,而当周围变成纯水环境时,又能够实现从紫到绿的逆向变化。以此耦合芯片为分析平台,搭建了一套小型化的光谱检测系统,以便携式光谱仪为分析器件,通过测量450 nm处的透射光谱强度变化,实现了NH+₄的定量检测,同时研究了影响检测结果的三个参数：气体透过膜厚度,流速和指示剂用量。首先通过光谱强度随时间的变化,我们证明了指示过程的可逆性,因而解决了指示剂浪费的问题,时间响应也说明了指示过程的快速性;接着通过与对照实验的对比,说明检测过程具有很高的选择性,能够排除干扰物的影响,光谱变化仅仅是因为NH₃的存在;通过改变气体扩散芯片中气体透过膜的厚度,得到了膜厚和光谱强度变化之间的关系,膜的厚度增加使得检测效果变差,但当膜厚小于10 μm时效果基本不变,考虑到机械强度,选择了10 μm作为膜的最佳厚度;随即研究了耦合芯片中流速对于光谱强度变化的影响,发现流速的增加会使得光谱强度变化减小,但流速小于5 μL·min-1时效果基本不变;最后又研究了指示剂用量对于光谱强度变化的影响,证明指示剂过多和过少都会影响检测效果,以5 mg为最佳。这套以耦合芯片为平台的光谱分析系统具有体积小,经济性高,响应迅速的特点,能够实现NH+₄高选择性、可逆性的定量测量。     

基于微流控芯片的电解质溶液太赫兹吸收特性研究

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段,且太赫兹波具有电子能量低（约4 meV）,不会破坏待测样品的特性,因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性,需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响,以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收,因此,探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成,现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响,既减少了水和太赫兹波的作用距离,又探究了电解质对水分子间氢键的作用。在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质,通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。部分电解质促进氢键的缔合,而另一部分则破坏氢键的形成,在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大,光谱强度减弱;若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱,光谱强度增加。研究结果发现：在水中加入KCl和KBr时,太赫兹光谱强度增加,表明二者对氢键有破坏作用,使得光谱强度变大;然而当加入MgCl₂和CaCl₂时,太赫兹光谱强度减弱,表明二者对氢键有缔合作用,从而使光谱强度变小。利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl,KBr,MgCl₂和CaCl₂这四种不同浓度的电解质溶液特性,发现它们只会对光谱强度造成一定影响,不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。这对于研究诸如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、研究待测样品的光谱信息、探究其生物特性,而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。     

不同形貌金纳米粒子的制备及其表面增强拉曼散射效应的研究

不同形状的金纳米粒子在表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)中有不同的增强效果,多面体金纳米粒子具有多角结构,显示出比金纳米板更为明显的增强效果,近年来对其合成和性质的研究备受关注。该研究探究了十二面体,二十面体,三角板,球形四种形状的金纳米粒子在SERS中不同的增强效果。分别采用硼氢化钠还原法和以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为还原剂制备金三角纳米片和二十面体金纳米粒子,又以二十面体金纳米粒子为种子制备出十二面体金纳米粒子,并分别以以上三种不同形貌的金纳米粒子及球形金溶胶为基底,4-巯基吡啶,对巯基苯甲酸为探针分子检测了其在不同激发波长下的增强效果。透射电子显微镜结果表明金三角纳米板的平均边长为130nm,二十面体和十二面体金纳米粒子的粒径分别为100和120nm。三者的紫外可见吸收峰分别在589,598和544nm处。表面增强拉曼散射结果表明金多面体比金三角纳米板表现出更好的增强效果。     

基于表面增强拉曼的三聚氰胺在线检测

采用多巴胺化学还原法制备了分散性良好的金溶胶,在硅片表面组装成膜,并应用其作为表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman scattering,SERS)基底在线检测牛奶中的三聚氰胺。通过场发射扫描电镜与原子力显微镜表征金膜形貌,金颗粒的平均粒径约为100~200nm,形成的金膜均匀致密,表面粗糙度为51.705nm,适合作为SERS基底。应用搭载该金膜的流动检测装置,实现了对溶液及牛奶中三聚氰胺的实时检测。     

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...     

可调微流控光学变焦透镜

设计了一种可调微流控光学变焦透镜,采用液压控制,主要结构包括微流道和微流体腔,由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料结合软光刻工艺制成.利用COMSOL仿真软件展示了不同液压下微流体腔变形形成的双凸透镜和双凹透镜.利用ZEMAX进行光学仿真,得到各种透镜的焦距及光路图.提出了一种校正双凸透镜球差的方法.     

基于微流控芯片的钾盐溶液太赫兹光谱特性研究

许多生物分子的振动及转动能级都在太赫兹波段,因此太赫兹时域光谱技术可以用来探测生物分子。并且由于太赫兹波的光子能量较低,仅为毫电子伏量级,在探测过程中不会破坏生物样品,所以太赫兹时域光谱技术在未来生化检测等研究领域具有非常广泛的应用前景。研究表明,大多数生物分子需要在液体环境中才能充分发挥其生物活性,然而水溶液中的氢键在太赫兹波段会产生强烈的吸收。另外,水分子是极性分子,太赫兹波对极性分子也有很强的共振吸收,这使得利用太赫兹时域光谱技术检测液体环境中的活性生物分子非常困难。因此,许多研究团队将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合,以减少各种因素对生物分子检测的影响。微流控技术是通过减小微流控芯片中液体池的深度来减少液体样品与太赫兹波的作用距离,从而减少水溶液对太赫兹波的吸收。使用对太赫兹波的透过率高达95%的环烯烃共聚物(COC:Zeonor 1420R)为材料制作了双层微流控芯片,该微流控芯片内部液体池的长度和宽度均为4 cm,深度为50μm。此外,由于在电解质溶液中存在大量自由移动的阴阳离子,所以为了探究电解质溶液中自由移动的阴阳离子对太赫兹透射特性的影响,使用外加电场装置对注入液...     

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。     

金纳米粒子的制备及其表面增强拉曼散射效应的研究

采用多巴胺化学还原法制备了分散性良好的纳米金溶胶,并检测了其作为表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)基底的性质。粒度和透射电子显微镜测试结果表明金溶胶为平均粒径30nm左右的球形颗粒,并且紫外-可见特征吸收峰出现在520nm,为典型的金纳米颗粒特征吸收峰。以罗丹明6G(R6G)为探针分子证明了金溶胶良好的SERS增强效果,用金溶胶对除草剂敌草快(DQ)进行检测,最低检测限可达1×10-7 mol/L。结果表明所制备的金溶胶具有良好的表面增强拉曼散射活性。     

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。     

基于微流控装置制备聚丙烯腈靶用微胶囊

对惯性约束聚变靶用聚合物微胶囊的制备方法进行了研究,设计了一种基于双T型结构的微通道乳化装置,用于制备稳定的双重乳液。使用玻璃毛细管作为中间相溶液的微通道,可以提高三相流速的调节范围,从而加大乳液尺寸分布范围。三相溶液密度差异小,因此乳液的同心度可以逐渐自发调整。通过调节不同的固化转速,发现在55 r/min下微球的同心度达到最佳,超过98.7%。使用扫描电镜对靶丸进行形貌和X射线能量色散谱分析表明,超临界干燥方法可以同时满足去除内部溶剂和保持靶丸结构不受破坏的要求。最终成功制得了粒径300～1000 m、壁厚20～300 m的聚丙烯腈空心微胶囊。     

PDMS微流控芯片中焦耳热效应的数值研究

用数值模拟的方法对矩形通道微流控芯片中由于焦耳热效应而产生的温度场分布进行了分析.通过求解耦合的动量以及能量方程,得到了PDMS/PDMS芯片中温度场的瞬态发展过程.对稳定状态下不同缓冲溶液浓度,底片材质以及厚度的芯片中的温度场分布也做了比较和分析.结果表明,相比于PDMS/PDMS芯片,相同条件下PDMS/玻璃芯片中的焦耳热效应会减小很多,而缓冲溶液浓度以及芯片厚度对缓冲溶液的出口平均温度也有显著影响.最后提出了减小焦耳热效应的方法.