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，通過結(jié)合電場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。該方法通過優(yōu)化電場強(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，并通過溫度控制有效解決了高電場下的焦耳熱問題，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
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)勢受到關(guān)注，但現(xiàn)有方法在操控納米顆粒時仍面臨挑戰(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，為納米顆粒的操控提供了實(shí)驗(yàn)平臺。
電彈性和焦耳熱協(xié)同操控：通過施加直流電場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，納米顆粒在電場作用下產(chǎn)生滑移速度，與非均勻剪切率場中的聚合物應(yīng)力相互作用，產(chǎn)生升力從而實(shí)現(xiàn)聚焦。同時，為解決高電場下焦耳熱帶來的溫度升高問題，研究團(tuán)隊(duì)采用干冰冷卻系統(tǒng)對芯片進(jìn)行溫度控制，有效降低了焦耳熱對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：通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了電場強(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)證了該方法對不同尺寸納米顆粒的高效操控能力。
關(guān)鍵結(jié)論
通過優(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，聚焦效果隨電場強(qiáng)度增加而改善。在低流速和低電場條件下，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，通過增加電場強(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，用于施加電場和輸送納米顆粒懸浮液。此外，圖中還通過示意圖解釋了納米顆粒在非牛頓流體中受電場和流場耦合作用的遷移機(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程及效果。通過熒光成像技術(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態(tài)過程，展示了不同位置的熒光圖像，以及在不同流速和電場強(qiáng)度下聚焦效果的量化分析。結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)整電場方向和強(qiáng)度可有效驅(qū)動納米顆粒遷移并實(shí)現(xiàn)聚焦，且聚焦效果隨電場強(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通過一系列實(shí)驗(yàn)和理論模型，深入剖析了納米顆粒在電場和非牛頓流體流場共同作用下的遷移機(jī)制。對比了純壓力驅(qū)動流、純電場驅(qū)動以及電場與流場耦合條件下納米顆粒的遷移行為，揭示了電場引起的滑移速度在非均勻剪切率場中引發(fā)的聚合物應(yīng)力不對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，通過示意圖清晰地展示了聚合物應(yīng)力的分布特點(diǎn)及其對納米顆粒遷移方向的影響，為理解納米顆粒在復(fù)雜流場中的操控機(jī)制提供了理論支持。
圖4系統(tǒng)研究了電場強(qiáng)度、流速和PEO溶液濃度這三個關(guān)鍵因素對納米顆粒聚焦效果的影響。通過一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展示了不同電場強(qiáng)度下納米顆粒聚焦的熒光強(qiáng)度分布和半高寬變化，表明電場強(qiáng)度的增加可顯著改善聚焦效果；同時，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)對聚焦效果有顯著影響，過高或過低的濃度均不利于納米顆粒聚焦。該圖通過量化分析為優(yōu)化納米顆粒操控條件提供了重要參考。
圖5聚焦于高電場下焦耳熱對納米顆粒聚焦的影響及其控制方法。通過模擬和實(shí)驗(yàn)展示了不同電場強(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納米顆粒聚焦的潛在負(fù)面影響。進(jìn)一步通過干冰冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對芯片溫度的有效控制，并在高電場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。通過對比不同電場強(qiáng)度和流速下的聚焦效果，證明了該方法對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
本文通過結(jié)合電場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。該方法通過優(yōu)化電場強(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，并通過干冰冷卻系統(tǒng)有效解決了高電場下的焦耳熱問題。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)可能會進(jìn)一步提升納米顆粒操控的效率和精度。同時，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)