期刊：Lab on a Chip (IF=5.4)
發(fā)表日期：2025年10月10日
DOI：10.1039/d5lc00772k
浙江大學(xué)胡國(guó)慶教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于微流控技術(shù)的納米顆粒操控方法，通過(guò)結(jié)合電場(chǎng)和非牛頓流體的粘彈性特性，實(shí)現(xiàn)了高通量、精準(zhǔn)的納米顆粒聚焦和富集。該方法通過(guò)優(yōu)化電場(chǎng)強(qiáng)度、流速和聚合物濃度等參數(shù)，克服了傳統(tǒng)方法的局限性，并通過(guò)溫度控制有效解決了高電場(chǎng)下的焦耳熱問題，為納米顆粒的高效操控提供了一種新的途徑，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。該研究成果以“High-throughput nanoparticle manipulation via controlled electro-elasticity and Joule heating in microchannels“為題，發(fā)表在《Lab on a Chip》期刊上。
背景知識(shí)
納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)、藥物遞送、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)納米顆粒操控技術(shù)如超速離心、超濾等方法效率低下，且難以處理低體積樣本。微流控技術(shù)因其高通量、精準(zhǔn)操控和連續(xù)操作的優(yōu)勢(shì)受到關(guān)注，但現(xiàn)有方法在操控納米顆粒時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是如何在高通量條件下實(shí)現(xiàn)納米顆粒的精準(zhǔn)聚焦。
研究方法
微流控芯片設(shè)計(jì)與制備：設(shè)計(jì)了一種直矩形微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片，通道尺寸為2cm×50μm×50μm，同時(shí)為聚焦20nm納米顆粒還設(shè)計(jì)了尺寸為2cm×20μm×20μm的微通道。芯片采用聚二甲基硅氧烷材料，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟光刻技術(shù)制備而成，通道內(nèi)嵌有空心金屬電極用于施加直流電場(chǎng)，為納米顆粒的操控提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
電彈性和焦耳熱協(xié)同操控：通過(guò)施加直流電場(chǎng)與非牛頓流體的粘彈性特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的電彈性操控。實(shí)驗(yàn)中，納米顆粒在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生滑移速度，與非均勻剪切率場(chǎng)中的聚合物應(yīng)力相互作用，產(chǎn)生升力從而實(shí)現(xiàn)聚焦。同時(shí)，為解決高電場(chǎng)下焦耳熱帶來(lái)的溫度升高問題，研究團(tuán)隊(duì)采用干冰冷卻系統(tǒng)對(duì)芯片進(jìn)行溫度控制，有效降低了焦耳熱對(duì)納米顆粒操控的不利影響。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化與納米顆粒操控：通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了電場(chǎng)強(qiáng)度、流速和聚乙二醇（PEO)溶液濃度等關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù)可以顯著改善納米顆粒的聚焦效果。在優(yōu)化條件下，驗(yàn)證了該方法對(duì)不同尺寸納米顆粒的高效操控能力。
關(guān)鍵結(jié)論
通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，100 nm納米顆粒在大尺寸微通道中實(shí)現(xiàn)了高通量聚焦，聚焦效果隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而改善。在低流速和低電場(chǎng)條件下，100 nm納米顆粒也能實(shí)現(xiàn)高效聚焦。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)增加電場(chǎng)強(qiáng)度并結(jié)合干冰冷卻，20 nm 納米顆粒也能在大尺寸微通道中實(shí)現(xiàn)高效聚焦，且在小尺寸微通道中，聚焦效果更為顯著。
圖片解析
圖1綜合展示了微通道的尺寸設(shè)計(jì)、微流控芯片的整體結(jié)構(gòu)以及納米顆粒在多物理場(chǎng)控制下的操控原理。其中，微通道為直矩形結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)滿足高通量操作需求；芯片集成有電極和流體通道，用于施加電場(chǎng)和輸送納米顆粒懸浮液。此外，圖中還通過(guò)示意圖解釋了納米顆粒在非牛頓流體中受電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合作用的遷移機(jī)制，以及不同PEO濃度溶液的流變學(xué)特性，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。
圖2呈現(xiàn)了在優(yōu)化條件下，100 nm 納米顆粒在大尺寸微通道中的高通量聚焦過(guò)程及效果。通過(guò)熒光成像技術(shù)記錄了納米顆粒從均勻分布到逐步向通道中心聚焦的動(dòng)態(tài)過(guò)程，展示了不同位置的熒光圖像，以及在不同流速和電場(chǎng)強(qiáng)度下聚焦效果的量化分析。結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)整電場(chǎng)方向和強(qiáng)度可有效驅(qū)動(dòng)納米顆粒遷移并實(shí)現(xiàn)聚焦，且聚焦效果隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而顯著提升，為納米顆粒的高效操控提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖3通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)和理論模型，深入剖析了納米顆粒在電場(chǎng)和非牛頓流體流場(chǎng)共同作用下的遷移機(jī)制。對(duì)比了純壓力驅(qū)動(dòng)流、純電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以及電場(chǎng)與流場(chǎng)耦合條件下納米顆粒的遷移行為，揭示了電場(chǎng)引起的滑移速度在非均勻剪切率場(chǎng)中引發(fā)的聚合物應(yīng)力不對(duì)稱分布是納米顆粒產(chǎn)生升力并實(shí)現(xiàn)聚焦的關(guān)鍵因素。此外，通過(guò)示意圖清晰地展示了聚合物應(yīng)力的分布特點(diǎn)及其對(duì)納米顆粒遷移方向的影響，為理解納米顆粒在復(fù)雜流場(chǎng)中的操控機(jī)制提供了理論支持。
圖4系統(tǒng)研究了電場(chǎng)強(qiáng)度、流速和PEO溶液濃度這三個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)納米顆粒聚焦效果的影響。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展示了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下納米顆粒聚焦的熒光強(qiáng)度分布和半高寬變化，表明電場(chǎng)強(qiáng)度的增加可顯著改善聚焦效果；同時(shí)，分析了不同流速和 PEO 濃度組合下的聚焦性能，發(fā)現(xiàn) PEO 濃度在一定范圍內(nèi)對(duì)聚焦效果有顯著影響，過(guò)高或過(guò)低的濃度均不利于納米顆粒聚焦。該圖通過(guò)量化分析為優(yōu)化納米顆粒操控條件提供了重要參考。
圖5聚焦于高電場(chǎng)下焦耳熱對(duì)納米顆粒聚焦的影響及其控制方法。通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)展示了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下微通道內(nèi)的溫度分布，揭示了焦耳熱引起的溫度升高對(duì)納米顆粒聚焦的潛在負(fù)面影響。進(jìn)一步通過(guò)干冰冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片溫度的有效控制，并在高電場(chǎng)條件下展示了納米顆粒的聚焦效果，證明了溫度控制策略可顯著提升納米顆粒聚焦的效率和穩(wěn)定性，為高通量納米顆粒操控提供了可行的熱管理方案。
圖6展示了在優(yōu)化的電場(chǎng)和溫度控制條件下，20 nm 納米顆粒在不同尺寸微通道中的聚焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比不同電場(chǎng)強(qiáng)度和流速下的聚焦效果，證明了該方法對(duì)更小尺寸納米顆粒的有效性。特別是在小尺寸微通道中，即使在較低電場(chǎng)強(qiáng)度下也能實(shí)現(xiàn)高效聚焦，且聚焦精度顯著提高，表明通過(guò)調(diào)整微通道尺寸和操控參數(shù)，可進(jìn)一步提升納米顆粒操控的性能，為實(shí)現(xiàn)高精度納米顆粒操控提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
總結(jié)與展望
本文通過(guò)結(jié)合電場(chǎng)和非牛頓流體的粘彈性特性，提出了一種高通量、精準(zhǔn)操控納米顆粒的新方法。該方法通過(guò)優(yōu)化電場(chǎng)強(qiáng)度、流速和聚合物濃度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的高效聚焦，并通過(guò)干冰冷卻系統(tǒng)有效解決了高電場(chǎng)下的焦耳熱問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅適用于較大尺寸的微通道，還能在小尺寸微通道中實(shí)現(xiàn)更高的聚焦效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。
未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索該方法在不同類型的納米顆粒和復(fù)雜生物樣本中的應(yīng)用潛力。此外，結(jié)合其他微流控技術(shù)可能會(huì)進(jìn)一步提升納米顆粒操控的效率和精度。同時(shí)，開發(fā)更高效的溫度控制技術(shù)和更小尺寸的微流控芯片，有望實(shí)現(xiàn)更高通量和更精準(zhǔn)的納米顆粒操控。
本文轉(zhuǎn)載自微流控信息網(wǎng)