溫敏聚N-異丙基丙烯酰胺整體柱操控微流體的研究.pdf

1、以微流控為技術(shù)核心的微流控芯片分析是微全分析系統(tǒng)的主要組成部分，其目標(biāo)是通過(guò)在微芯片上集成試樣前處理、引入、混合反應(yīng)、分離檢測(cè)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)室的微型化、集成化與便攜化。微流體的操縱和控制是微流控分析的基礎(chǔ)，也是目前限制微流控發(fā)展的重要瓶頸之一。開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便、低廉、易集成的微流體操控方法，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。
　　 聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)類溫敏高聚物受外界溫度變化刺

2、激時(shí)，分子構(gòu)型會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致其體積、疏水／親水性等重要物理化學(xué)性質(zhì)的可逆改變。將這種智能高聚物整體柱塞引入微通道內(nèi)，不僅可以利用其由溫度引起的體積相變來(lái)控制微流體的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)還可以影響到柱塞附近的離子電遷移、電滲流等特性。本文旨在利用溫敏高聚物這種智能特性，通過(guò)在玻璃芯片上構(gòu)建集成化的溫敏整體柱塞，研究它在微流體控制及試樣預(yù)富集分離方面的行為和分析應(yīng)用。
　　 全文共分為四章：
　　 第一章，綜述了溫敏高聚物的溫敏

3、機(jī)理和合成方法、微流控芯片系統(tǒng)中基于PNIPAAm的液流控制、基于離子橋方式的樣品預(yù)富集技術(shù)等方面的研究進(jìn)展，同時(shí)，還簡(jiǎn)要介紹了溫敏高聚物在其它方面的一些應(yīng)用。按照不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，主要將基于PNIPAAm的液流控制分為被動(dòng)閥、主動(dòng)閥、復(fù)合閥（泵）三大類進(jìn)行闡述。對(duì)于樣品預(yù)富集技術(shù)，主要從納通道、多孔膜、整體柱等三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。
　　 第二章，利用溫敏高聚物相變前后的體積變化特性，研制以溫敏高聚物為材料的集成化微閥。本文以2-羥

4、基-2-甲基-1-苯基丙酮為引發(fā)劑，水-乙醇混合體系為溶劑，通過(guò)光誘導(dǎo)聚合，在剛性基質(zhì)玻璃芯片通道內(nèi)選擇性區(qū)域快速制備PNIPAAm整體柱塞。系統(tǒng)考察了聚合條件對(duì)整體柱塞閥的形態(tài)和性能的影響。優(yōu)化后的聚合時(shí)間僅需1min。在此基礎(chǔ)上，以微型注射泵驅(qū)動(dòng)液流，用微型半導(dǎo)體加熱-制冷器Peltier控制溫控柱塞微閥的定時(shí)啟／閉，研究建立了一個(gè)芯片上基于時(shí)間采樣的集成化單溫控閥流動(dòng)注射分析模型。利用鎂離子與熒光探針o，o二羥基偶氮苯(DHAB)

5、的配位熒光反應(yīng)，表征溫控微閥的控流效果。結(jié)果表明，微型流動(dòng)注射熒光檢測(cè)Mg2+離子的精密度可以達(dá)到3.4％(n=5)。
　　 第三章，在第二章的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制了玻璃芯片上的集成化溫敏微閥陣列，成功實(shí)現(xiàn)了以溫控定體積采樣為基礎(chǔ)的化學(xué)發(fā)光流動(dòng)注射分析。國(guó)內(nèi)外有關(guān)微流控芯片中PNIPAAm溫控微閥的報(bào)道，一般是單閥或雙閥系統(tǒng)，用以操控比較簡(jiǎn)單的液流系統(tǒng)。本章以兩個(gè)Peltier半導(dǎo)體器件對(duì)芯片上的兩組閥體進(jìn)行加熱或致冷，實(shí)現(xiàn)它們的

6、協(xié)調(diào)開(kāi)與關(guān)，閥開(kāi)與關(guān)的響應(yīng)時(shí)間分別為3s與7s。兩組閥的協(xié)調(diào)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了采樣與進(jìn)樣操作的相互切換。配合注射泵的動(dòng)作，在集成了多閥采樣系統(tǒng)的芯片上成功實(shí)現(xiàn)了以鐵氰化鉀為催化劑的魯米諾與過(guò)氧化氫的化學(xué)發(fā)光，并應(yīng)用于過(guò)氧化氫的在線檢測(cè)。系統(tǒng)對(duì)過(guò)氧化氫的采樣體積為6nL，檢測(cè)的線性范圍為0～2mmolL-1，對(duì)2mmolL-1過(guò)氧化氫的檢測(cè)精密度可達(dá)到0.6％(n=11)。
　　 第四章，首次提出了基于PNIPAAm的溫控離子富集及釋放現(xiàn)

7、象。該章節(jié)較為詳細(xì)地研究了在一定電場(chǎng)下，PNIPAAm整體柱塞對(duì)熒光素鈉異硫氰酸酯(FITC)的溫控富集及釋放現(xiàn)象，并提出，低溫時(shí)，F(xiàn)ITC富集現(xiàn)象源于以電遷移為主的離子選擇滲透性機(jī)理；而高溫時(shí)，電滲流的作用引起了富集帶的釋放?；赑NIPAAm整體柱塞的溫控離子富集與釋放效應(yīng)，我們進(jìn)一步將其應(yīng)用于玻璃芯片單通道中FITC的預(yù)富集及電泳分離檢測(cè)，并初步研究了富集區(qū)帶的不同釋放方向?qū)﹄娪痉蛛x性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，富集3min時(shí)，溫敏柱塞對(duì)