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。     

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.     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

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。     

聚合物微流控芯片的简易热压制作及其应用

提出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控分析芯片的一种简易热压制作法,研究了采用外径为180μm的毛细管作为压制微通道"模具"时的条件及相应的PMMA基片的热封合条件。采用扫描电镜(SEM)对PMMA芯片的微通道及其横截面形貌进行了表征,并测定了PMMA芯片电渗流,其电渗流值与文献报道值基本一致,上述结果表明本方法实现了热压封接。另外,芯片电泳-激光诱导荧光及共聚焦荧光显微镜检测技术表明该方法制作的PMMA芯片能稳定且均一地固定蛋白固定相,并成功实现色氨酸对映体的手性分离,两者的有效踏板数分别为450000和19000m-1。     

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。     

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。     

基于双层电极的介电电泳微流控芯片的设计和制备

设计了快速实现微粒操纵的介电电泳微流控芯片的制作方法,利用光刻工艺在玻璃基底上制备和集成了双层金属电极,通过控制底层电极上的电场,实现了顶层电极上微粒的介电电泳物理捕获,模拟分析和实验结果一致.     

Microbubble characteristic in a T-junction microchannel in microfluidic chip

Formation characteristic of microbubble in a T-junction microchannel in polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chip is investigated. Microbubble formation experiments are carried out to investigate the effects of liquid flow rate, gas pressure and gas channel width on the detachment volume and formation time of microbubble. The growth process of the bubble is described by the form of force analysis, and the definition of the bubble detachment distance is introduced. The equivalent spherical theoretical model of bubble detachment diameter prediction is established, and the numerical solution of the model is obtained by the fourth-order Runge–Kutta method. The prediction results of theoretical model correlate well with the experimental data.     

微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷基片的微流道中,采用沿光纤轴向光抽运、消逝场激励染料分子的方式,在基片微流道中获得均匀的荧光辐射.实验发现,荧光辐射的强度随光纤轴向距离的增加而衰减,光纤包层溶液折射率越大,荧光沿光纤轴向的衰减越突出;包层溶液中染料浓度越大,荧光沿光纤轴向的衰减也越突出;通过选择适当的包层溶液折射率以及染料浓度可以获得沿光纤轴向接近均匀的荧光辐射.用消逝波激励荧光的辐射理论计算了荧光光强沿光纤轴向的变化,计算结果与实验符合较好.在此基础上,设计并制作了一种具有三个通道的聚二甲基硅氧烷基片,通过在三个微流道中分别注入染料浓度均为0.1 mmol的罗丹明640、罗丹明B及罗丹明6 G的乙醇染料溶液,采用沿光纤轴向消逝波光激励方式,在一块聚二甲基硅氧烷基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射.     

超声电铸提高金属微流控芯片模具的均匀性

利用微电铸技术制作的微流控芯片模具往往存在沉积厚度不均匀的缺陷,这种缺陷会影响模具的尺寸精度及使用性能,并增加模具的制作成本。为了制得厚度均匀的微流控芯片模具,研究了超声电铸对模具均匀性的影响。首先,采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微流控芯片模具的微电铸模型,分析电铸2 h后的模具的厚度分布。并根据该仿真结果,设计掩模版。然后,在自主搭建的超声电铸装置中进行一系列电铸实验,来研究超声搅拌对模具均匀性的影响。实验结果表明：电铸过程中添加超声搅拌可以改善微流控芯片模具的均匀性。超声功率为200 W时,超声频率改善模具均匀性的程度为200 kHz＞80 kHz＞120 kHz。超声频率为200 kHz时,超声功率改善模具均匀性的程度为500 W＞200 W＞100 W。当超声的频率和功率分别为200 kHz和500 W时,与无超声电铸相比,模具的均匀性提高约30%。     

Water-assisted femtosecond laser ablation for fabricating three-dimensional microfluidic chips

When the femtosecond laser focused in the water, the breakdown will be induced. The generated high-speed jet and shock wave can be used to etch silica glass for fabricating three-dimensional (3D) microfluidic chips. We present a simple and practical method to produce 3D multilayer microfluidic chips in silica glass. This method offers high design flexibility and fabricating feasibility. We also introduce a convenient cleaning method for diluting and ejecting the ablated debris from microchannel. Therefore, the femtosecond laser induced high-speed jet and shock wave can be used to fabricate complex microfluidic chips in silica glass. Experimental results show that the diameter of microchannel is uniform and the complexity of the microfluidic chip is under control. As a proof of principle, we demonstrate the feasibility of the fabricating process by using the water-assisted femtosecond laser ablation.     

A microfluidic pumping mechanism driven by non-equilibrium osmotic effects

A mechanism is presented which drives a fluid flow using two chemically reacting molecular species and osmotic effects. For concreteness the mechanism is discussed in the context of a tube which at each end has a capping membrane which is permeable to the fluid but impermeable to the two molecular species. The chemical reactions occur at sites embedded in the capping membrane. Labeling the two chemical species A and B, at one end the reactions split each molecule of species B into two molecules of species A. On the other end two molecules of species A are fused together to form a single molecule of species B. A mathematical model of the solute diffusion, fluid flow, and osmotic effects is presented and used to describe the non-equilibrium steady-state flow rate generated. Theoretical and computational results are given for how the flow rate depends on the relative diffusivities of the solute species and the geometry of the system. An interesting feature of the pump is that for the same fixed chemical reactions at the tube ends, fluid flows can be driven in either direction through the tube, with the direction depending on the relative diffusivities of the solute species. The theoretical results are compared with three-dimensional numerical simulations of the pump.     

单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明：激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm²时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.     

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象，分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征，以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑，小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化，在非晶层外面基体以可恢复的(111)［110］滑移结构存储弹性形变能.在射入过程，基体发生压缩弹性形变；颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量. 关键词： 碰撞 纳米粒子 单晶硅表面 分子动力学模拟     

On‐chip laser processing for the development of multifunctional microfluidic chips

In the development of microfluidic chips, conventional 2D processing technologies contribute to the manufacturing of basic microchannel networks. Nevertheless, in the pursuit of versatile microfluidic chips, flexible integration of multifunctional components within a tiny chip is still challenging because a chip containing micro‐channels is a non‐flat substrate. Recently, on‐chip laser processing (OCLP) technology has emerged as an appealing alternative to achieve chip functionalization through in situ fabrication of 3D microstructures. Here, the recent development of OCLP‐enabled multifunctional microfluidic chips, including several accessible photochemical/photophysical schemes, and photosensitive materials permiting OCLP, is reviewed. To demonstrate the capability of OCLP technology, a series of typical micro‐components fabricated using OCLP are introduced. The prospects and current challenges of this field are discussed.

     

Investigation of the dissociative adsorption for cyclopropane on the copper surface by density functional theory and quantum chemical molecular dynamics method

The dissociative adsorption of cyclopropane on the copper surface was studied using quantum chemical molecular dynamics method with “Colors-Excite” code and density functional theory by Amsterdam Density Functional program (ADF2000). The excited state of cyclopropane was used as adsorbate to simulate the dissociated adsorption under an irradiation energy of ca. 10 eV. One of the C-C bonds in cyclopropane was broken and the two new bonds between cyclopropane and copper surface were formed. The electrons transferred from the copper atoms to cyclopropane with a value of about 0.2e. The shorter distances between the carbons and surface copper atoms showed the existence of strong interaction. Consistently, the results indicated metallacyclopentane was the most possible intermediate species in dissociative adsorption by ADF2000 and “Colors-Excite” method.