國家自然科學基金標書-集成微流控芯片納米材料制備與分析應用研究

1、集成微流控芯片納米材料制備與分析應用研究申請人:*摘要本項目提出用流體動力學聚焦法在集成微流控芯片的微管道中合成金屬,有機導電聚合物及它們的核/殼結構的納米顆粒,并在線對納米顆粒表面進行修飾與功能化.然后用于樣品標記,實現在這一集成芯片上完成納米顆粒合成,修飾,標記,樣品分析.AbstractTheprojectproposessynthesizingvariousnanoparticles(NPs)suchasmetalNPs,conductingpolymerNPs,andcore/shellNPsinthemicrochannelofanintegratedmicrofluidicchi

2、pbymeansofhydrodynamicfocusingandon-linefunctioningthosesynthesizedNPs.ThentheuseofthesefunctionalizedNPsdirectlytolabeltheanalyteofinterestfromsamplesandcompletingsynthesis,modification,labelinganddetectionontheintegratedmicrofludicsystem.重要意義本項目利用微流控芯片合成納米顆粒并在同一芯片上集成納米材料合成系統(tǒng)與樣品分析系統(tǒng),實現同一芯片完成納米材料合成,

3、在線標記與樣品檢測.將納米分析技術與微流控芯片分析有機結合,由于納米材料的獨特的功能與性質,從而大大提高了芯片分析的靈敏度,同時不失芯片分析具有的其他優(yōu)點.本項目提出的微流控芯片集成電分析化學技術將實現該芯片分析儀的微型化,可攜帶并可用于現場分析.本項目提出的利用流體動力學原理調控納米材料的合成等方面的基礎研究,對于納米材料的形成機制及其結構特征也將富有成果.因此,本項目的研究將為促進新一代微流控芯片分析的出現和發(fā)展有積極和重要意義.目前研究現狀集成微流控芯片,通稱為芯片實驗室,是指把生物,環(huán)境和化學等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離檢測等基本操作單位集成或基本集成在一塊幾平方厘米

4、的芯片上，用以完成不同的生物或化學反應過程，并對其產物進行分析的一種技術.1,2它是在1990年提出的微全分析系統(tǒng)概念的基礎上發(fā)展起來的.3目前,芯片實驗室分析已成為一個非常熱門的研究領域.4-9它之所以倍受人們關注是因為其特點所決定的:（一）,集成性.10集成的單元部件越來越多，集成的規(guī)模也越來越大,功能也越來越強;（二）,分析速度極快;11（三）,高通量;10,11（四）,微型化可攜帶,適于即時,在線與現場分析;（五）,能耗低，物耗少，污染小因而非常廉價，安全,被人為是一種環(huán)境友好的分析方法與“綠色”技術.因此，芯片實驗室研究顯得非常重要.例如,在生物醫(yī)學領域,它可以使珍貴的生物樣品和試劑

5、消耗降低到微升甚至納升級，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降;在化學領域它可以使以前需要在一個實驗室花大量樣品、試劑和很多時間才能完成的分析和合成，將在一塊小的芯片上花很少量樣品和試劑以很短的時間同時完成大量實驗;在分析化學領域，它可以使以前大的分析儀器變成平方厘米尺寸規(guī)模的分析儀，將大大節(jié)約人力與物力資源和能源.在環(huán)境領域,它使現場分析及遙控環(huán)境分析成為可能.芯片實驗室是一個跨多學科的研究領域,它涉及物理,化學,工程,醫(yī)學等.因而研究的范圍非常廣泛.不同的學科研究的側重點可能不一樣.分析化學家側重于把芯片實驗室用做全分析系統(tǒng),而有機化學家則把它用作微反應器用來化學合成.目前,芯片實驗室主要用

6、于分析,4-7分離12,13與化學合成14等領域.芯片實驗室本身的一些理論和應用基礎研究,3制作工藝研究,15,16適用新型材料開發(fā)等也在發(fā)展之中.例如，以芯片制作工藝而言，芯片制造已由手工為主的微機電（MEMS）技術生產逐漸朝自動化、數控化的亞紫外激光直接刻蝕微通道方向發(fā)展,同時其他技術如,模板技術（SoftLithography）10等也廣泛應用起來;芯片實驗室的驅動源從以電滲流發(fā)展到流體動力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段.芯片實驗室所用材料由最初的價格較為昂貴的玻璃和硅片，發(fā)展成以便宜的聚合物為材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基異丁烯酸（PMMA）及其他各種塑料等.芯片實驗

7、室在分析與合成研究方面最為廣泛.芯片實驗室分析研究主要集中在以下幾個方面:檢測技術;17,18分離技術12,13與樣品制備技術包括取樣與進樣,樣品處理等;及分析應用研究等.19,20目前,芯片實驗室最常用的檢測器是熒光21和電化學檢測器.18,22,23熒光法的靈敏度高.但現階段其體積仍然偏大.芯片的驅動源和檢測裝置是芯片實驗室儀器的主要組成部分，其體積的大小直接決定了芯片分析儀的大小,因此,人們正努力追求將這兩部分做到最小.電化學檢測由于其體積較小且靈敏度高，可制成便攜式分析儀在尺寸上和芯片實驗室的概念匹配，所以在芯片實驗室分析中的應用研究較多。電化學檢測器的一般做法是將電極集成到芯片上，采

8、用安培或電導法進行檢測.但是一些因素,如電泳分離電壓對檢測電流的干擾等,是電化學檢測需要克服的。另外，其它檢測方法也在進入這一領域，如質譜(MS),24不需標記的SPR檢測25、核磁共振(NMR),快速阻抗譜(FIS)檢測、NIR時間分辨熒光檢測等.分離技術以芯片毛細管電泳方法研究最多且最為成功,其他方法也在不斷的探索之中.目前,與分離,和檢測相比,在芯片上的樣品制備方面的研究還不見多.但是也在發(fā)展中,如芯片完成取樣,過濾等已見報道.20芯片實驗室分析在許多領域已有應用.根據統(tǒng)計資料,在近五年,芯片實驗室分析85%集中于生物醫(yī)學領域.如臨床血細胞分析,26核酸分分析,27蛋白質分析,28與藥物

9、分析29等;10%于環(huán)境領域30,如重金屬分析31,化學毒氣及爆炸物等;少于5%用于食品及其他領域.芯片實驗室用于化學合成1,14也有廣泛研究與報道.如常PCR擴增.32目前，制備和開發(fā)納米材料,如納米顆粒,引起了人們的廣泛興趣,因為這些納米材料已經在超靈敏分析,藥物釋放等顯現出了廣泛的應用前景.微流控芯片現在也開始應用于納米顆粒的合成.33-36已見的報道有:硅納米顆粒,34半導體納米顆粒,33,36導電聚合物納米顆粒等.芯片實驗室用于納米顆粒合成顯出它的優(yōu)勢,即在微管道里容易創(chuàng)造納米大小的反應空間.因而反應物在受現的空間里生成納米顆粒.在現有研究的基礎上,我們提出一種新方法即應用流體動力學

10、聚焦法在微流控心芯片上合成納米材料如納米顆粒,并實現在同一芯片上完成納米材料合成,在線標記與樣品檢測.這一方法有其優(yōu)勢:該方法非常簡單,制作工藝也不復雜.并且實現在同一芯片上完成多項功能包括納米材料在線合成,修飾與功能化,樣品納米顆粒標記與分析;在這里想特別指出的是:以前的芯片實驗室研究基本上是把分析和合成分割開來.事實上,只要找到好的切入點,則可以把化學合成和分析結合起來,使化學合成在芯片上為分析服務.我們在這里提出的微流控芯片材料合成與分析應用就是把合成與分析有機結合起來,在同一芯片上集成納米材料合成系統(tǒng)與樣品分析系統(tǒng).并在微流控芯片分析中引入納米分析技術,這將大大提高芯片分析的靈敏度,從

11、而,促進微流控芯片分析在實際樣品分析中的應用.事實上,檢測技術的靈敏度度是目前芯片實驗室分析的重要挑戰(zhàn)之一,這是由于它只用微量樣品的結果.我們在微流控芯片中應用納米分析技術,有助于此問題的解決.37研究方法與技術路線流體在微流管道里的流動特性可用以下公式來表征:Re=LVavgP式中Re雷諾數,L為長度，卩為流體的粘度系數,p為流體的密度,V為流體平均流速對于多數微管道,L為4A/P（這里,A為微管道橫截面積,P為管道的潤濕參數）.由于微管道的小尺寸，雷諾數通常大大小于100甚至小于1.0.在這個范圍，流體的流動完全是層流狀的（見圖1）,湍流不會發(fā)生.只有當雷諾數大于2000時，過渡到湍流才會

12、發(fā)生.因而，在微管道流體的層流特性為我們提供了一種可以預測和調控子傳輸遷移的手段.20004000htniaartrsositioDal圖1.在不同雷諾數下流體在管道中的流動特性.正是由于流體在微管道中具有這種特性，我們提出用調控流體動力學的方法,即流體動力學聚焦法來創(chuàng)造納米尺寸的反應空間，讓不同的分子通過擴散進入這一納米空間進行化學反應由于受限的空間，納米顆粒被制備出來.圖2顯示了調控流體動力方法控制反應區(qū)間的基本原理利用流體動力學原理，在主管道兩側對稱地通入兩流體,通過調控各流體的流動參數，如流速等，在主微管道里可形成大小可調控的反應空間（Wf）.這個大小可調控至納米范圍.因而反應物在受限

13、的納米空間生成納米大小的顆粒.另外，納米顆粒的大小還可通過控制流體流動的距離d來控制.納米顆粒的大小應與反應物流動的距離成正比當然，這流動距離d也不能太長.根據需要可通過實驗確定最佳的d值.我們將用PDMS為材料，利用Softlithography技術（見圖3）制備集成微流控芯片.它有多步組成.我們將設計和制備含有兩層微通道的芯片.在這一芯片中，其中下層的微通道為主通道,用于運輸樣品.上層的微通道為控制通道，用于控制主通道的樣品運輸，具有開和關的功能.正是在這集成芯片中設有控制通道,為我們調制芯片上各功能單元提供了條件我們將用氣壓為控制通道提供動力，在控制通道中裝有少部分水.而流動通道中的動力

14、來自水壓或氣壓.SideSevlloflvtlurfaceF斶睜制妳創(chuàng)u酯C齢Fphqlomak”ibryeplMaffrSIExposeonSiwtaf-urDevelopCBtPDMSprEpolymerCijrswJPDMSwdhchannelimpnm站Ti*fBervoirgph出醐h(huán)e罟pnicallydefinedfewpheter自泅圖2流體力學控制反應區(qū)間示意圖圖3.微流控芯片制作程序我們將應用SEM,TEM,XPS,FTIR,熒光顯微鏡，電化學工作站等儀器來研究合成的納米顆粒將微電極與微流控芯片集成，用電分析化學方法來完成對樣品的檢測.整個研究項目可分成多步完成.即先用微流

15、控芯片完成各個單元研究,成功后在把各個單元集成，最終實現在集成微流控芯片完成納米顆粒合成，修飾，樣品標記與電化學檢測.研究內容芯片設計與制備我們將根據不同的要求設計不同的芯片.以PDMS為材料用圖3顯示的方法來制備不同需要的芯片.金屬納米顆粒制備用微流控芯片研制合成金，銀，銅等常規(guī)金屬納米顆粒.方法是將金屬離子溶液流入主通道，還原試劑溶液從兩側流入.通過調節(jié)流體參數，可實現納米金屬顆粒的合成.一些半導體納米顆粒即量子點的合成也可通過一系統(tǒng)實現.有機導電納米顆粒制備用微流控芯片研制合成有機導電聚合物納米顆粒例如，聚毗咯，聚苯胺等.方法也是將單體溶液流入主通道,氧化試劑溶液從側通道流入.通過調節(jié)流

16、體參數，有機導電聚合物納米顆粒將在微管道中生成，從而制備機導電聚合物納米顆粒.功能化納米顆粒的合成我們進一步提出用微流控芯片及前面談到的原理實現多步反應，即將合成的納米顆粒在同一芯片上實現表面修飾與功能化在圖2的基礎上，在主通道上下游適當地點增加另一對側通道，用于流入修飾試劑溶液，則可在線實現對前面合成的納米顆粒表面功能化圖4(A)顯示了這一微流控芯片的示意圖.這些功能化集團可以是DNA,蛋白質，也可以是熒光團，胺基，竣基及聯(lián)合劑集團等(見圖4(B).NanoparticlePEG圖4.(A)微流控芯片圖.(B)合成的功能化的納米顆粒.核/殼納米顆粒制備我們進一步提出用微流控芯片及前面談到的原

17、理制備核/殼納米顆粒.即將合成的納米顆粒在同一芯片上進一步均勻沉積一層其它物質.這在原理上是可行的.因為新生成的反應產物要首先成核結晶,由于在這一納米反應器里,存在大量的前面合成的納米顆粒.所以反應產物將附作在納米顆粒表面成核結晶.最終生成核/殼結構納米顆粒.方法是在圖2的基礎上,在主通道上下游適當地點增加另一對側通道,用于通入制備殼的反應物溶液.原則是這些反應溶液不能與前面的溶液參與化學反應.這樣則可在線制備核殼結構的納米顆粒并且納米顆粒表面沉積的厚度可控.如果想使核/殼表面功能化,可用前面同樣的方法在主通道上下游適當地點在增加另一對側通道用于流入修飾試劑溶液.納米顆粒在線標記與分析應用我們

18、首次提出利用微流控芯片實現納米顆粒在線合成,修飾,標記與分析.圖5顯示了這一集成微流控芯片的示意圖.我們將根據選擇的納米材料而選用相應的分析方法.電分析法和熒光分析法與我們的條件比較適合.例如,如果標記的納米顆粒具有熒光,則我們可選用熒光分析法.但是,熒光分析法一般比較貴,且不易與微流控新片集成并最終實現微型化,可攜帶化目標.我們提出應用納米顆粒于微流控芯片的放大分析,提高分析的靈敏度.微流控芯片使用的樣品量很小,因而提高微流控芯片分析的靈敏度度是至關重要的.納米顆粒標記已成功應用于放大的生物分析.但在微流控分析上的應用還很少.我們可用電分析化學技術實現樣品的分析檢測.這樣圖5.微流控芯片納米

19、顆粒在線合成，修飾，標記與分析示意圖微流控裝置將與電極有機集成，實現電化學檢測.事實上，目前，電化學分析是微流控芯片分析應用和研究最多的方法之一這是由于以下的原因：(1)目前的微加工技術很容易實現電極與微流控裝置的集成.(2)電化學分析簡單,費用底，非常節(jié)能.(3)電化學裝置已微型化，這與微流控芯片非常相配.因而實現整個分析裝置的微型化，自動化，可攜帶化.最終可實現即時，在線，與現場分析.這里著重談一下標記方法.可用兩種方法:(1)直接標記分析對象，以蛋白質分析為例，我們可在納米顆粒表面修飾NHS集團(見圖3中功能化納米顆粒)，該集團能與蛋白質的胺基生成肽鍵而將納米顆粒標記在靶分子上.(2)間

20、接標記，以免疫分析為例，我們可將納米顆粒標記在第二個抗體上.用抗體/抗原/抗體Sandwich結構，實現對抗原的分析.總之，可根據實際需要而選用適當的標記方法.在電極表面修飾特定分子，該分子能選擇性的識別靶分子.由于靶分子上標記有電活性的納米顆粒，從而可實現用電化學技術靈敏地分析樣品中的靶分子.研究目標(1) 在集成流控芯片完成合成各種不同類型的納米顆粒，如無機納米顆粒(金，銀，銅等)，有機導電納米顆粒(聚吡咯，聚苯胺等)及核/殼納米結構.(2) 弄清納米材料在微通道中受控環(huán)境下的形成機制.(3) 多功能集成并實現各功能單元的有機聯(lián)結.在同一芯片上完成納米材料合成,修飾，在線標記并實現電化學檢

21、測.(4) 應用納米技術，提高芯片分析的靈敏度與選擇性.(5) 將研制的集成微流控芯片用于生物分析或環(huán)境分析技術.(6) 實現集成微流控芯片高通量與靈敏檢測并應用于實際的生物樣品和環(huán)境樣品的分析.本項目的創(chuàng)新性1. 提出在微流控管道中利用調控流體動力學方法,即流體動力學聚焦法創(chuàng)造納米反應空間,合成各種類型（如金納米顆粒,聚吡咯納米顆粒）的納米材料及包/殼結構納米材料.2. 將化學合成與分析結合起來,并在線實現合成納米顆粒為分析服務.3. 實現在同一芯片上納米材料在線合成,修飾與功能化,樣品納米顆粒標記與分析;4. 在微流控芯片分析中引入納米分析技術,從而提高芯片分析的靈敏度本項目須解決的關鍵問

22、題1. 芯片上各個功能單元的有機聯(lián)接2. 微管道的鈍化,即防止分析物及納米顆粒在管道壁上的物理吸附.我們將利用PEG來修飾管道壁以減少非特意性吸附.本項目可行性本項目申請人系中南民族大學教授,曾有在海外留學和工作經歷.長時間從事生物傳感器/生物芯片的開發(fā)與研究工作.特別是在制備和開發(fā)功能化納米材料方面卓有成績.申請人在微流控芯片方面也有相當長的研究經歷.并擁有相關專利.申請人提出的集成微流控芯片制備導電聚合物納米線曾引起國際上的關注并特邀參加了美國Sandia國家實驗室舉辦的集成微流控芯片國際會議.中南民族大學將投入大量資金建立實驗室包括微加工與超凈實驗室等.另外,本校建有部級的材料化學重點實

23、驗室,大量儀器設備可供本項目研究之用.初步研究成果1. 利用流體力學法合成導電聚合物納米顆粒2.圖6(a)微流控芯片聚吡咯納米顆粒合成平面示意圖.(b)圖通過流體動力學聚焦法在微流控芯片管道中合成的聚吡咯納米顆粒SEM圖像.我們用PDMS為材質制備了了初級的微流控芯片(見圖6a).并利用這一芯片成功合成了聚吡咯納米顆粒.圖6(b)顯示了這種納米顆粒的SEM圖像.從此圖可以看出,聚吡咯顆粒的直徑約20納米并且大小分布基本均勻.通過調控流體參數,將可獲得更均勻顆粒.我們將進一步優(yōu)化和設計新的微流控芯片以滿足更復雜與多元集成的需要.3.集成微流控芯片制備導電聚合物納米線我們已初步設計了集成微流控芯片

24、裝置用于電化學合成導電聚合物納米線.該裝置把微流控管道與微電極陣列有機組裝在一起.圖7A顯示了該裝置部分示意圖.該裝置由微管道及電化學池組成.這微通道由兩部分組成,一是樣品流入通道(主通道);一是控制通道,它有幾個閥門,用于控制主通道流速.電化學系統(tǒng)由電化學池及三電極系統(tǒng)組成(微電極陣列為工作電極,鉑片為對電極,銀/氯化銀線為參比電極,它位于工作電極附近).將有機導電聚合物的單體溶流入管道,并在某一微電極上施加氧化電位.由于電化學技術能控制電極表面聚合物的結晶及晶核的生長，因而能制備電聚合物納米線.圖7B顯示了該方法在電極表面合成的制備的大量的聚吡咯納米線.由該圖可見聚吡咯納米線的直徑約50納

25、米左右,聚吡咯納米線也非常均勻，并且納米線的長度可達幾個微米.圖7(A)集成微流控芯片用于聚吡咯納米粒合成部分平面示圖像.(B).通過流體力學聚焦法在微流控芯片管道中合成的聚吡咯納米線的SEM圖像.4.微流控芯片蛋白質熒光標記與細胞分析我們設計并制備了一種微流控芯片用于蛋白質熒光標記并用這種蛋白質標記物來識別細胞極其活性(見圖8A).該芯片由合成反應室，四個細胞固定室組成.它能依序完成標記,細胞固定已及細胞成像.在合成室里有三個閥門,它們不斷地依次打開和關閉，造成反應物溶液在管道中流動并混合.紅色標識為控制管道，淺綠色標識為樣品溶液流入管道.我們選用蛋白質為EpidermalGrowthFac

26、tor(EGF)，它們能識別在細胞表面含有EFG接受器的細胞.選用熒光物ALEXA標記EGF.首先ALEXA與EGF在合成室反應，然后將選用的細胞分別在固定在下面的四個室里;打開控制管道,讓標記了ALEXA的蛋白質EGF分別流入細胞固定室并反應一段時間.用緩沖溶液沖洗細胞室.然后這個芯片可在熒光顯微鏡下成像.圖8B顯示了兩種細胞的熒光圖像和白光圖像.從該圖8B可以看出A431細胞表面有EGF接受器，而3T3細胞則沒有.這個實驗結果證明我們制備的微流控芯片能提供一個平臺，在這個平臺上能完成多步功能和反應包括樣品標記，細胞固定與在線，即時分析.圖8(A)芯片結構圖.紅色標識為控制管道，淺綠色標識為

27、樣品溶液流入管道.(B)與熒光標記的蛋白質作用后，兩種細胞的白光顯微成像(上部)與熒光顯微成像(下部).研究計劃本項目計劃用三年時間完成.2007,1-2007,12.設計,制備各種微流控芯片并用于各種納米顆粒的合成,表征.合成條件的優(yōu)化與芯片設計的優(yōu)化.微管道納米顆粒形成機制研究.2008,1-2008,12.具有多功能的集成微流控芯片設計,制備與納米顆粒合成,修飾與功能化，樣品標記與分析應用納米顆粒標記用于DNA分析,蛋白質分析;功能化納米顆粒用于環(huán)境樣品富集與分析.2009,1-2009,12.集成微流控芯片設計,制備與生物分析與環(huán)境分析應用.本課題計劃在三年內發(fā)表10-15篇高質量論文

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