一种用于研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置

本发明属于微流控芯片，具体涉及一种用于研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置，即基于微流控技术构建一种研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置。

背景技术：

1、多孔膜，也可称为多孔介质，是一类含有孔隙(空隙)的材料。材料的骨架是固体，而孔隙通常充满液体或气体。多孔介质应用广泛，从过滤膜到生物反应器再到多相催化。此外，许多地质和生物环境都是多孔的。纳米颗粒在多孔介质中的输运是环境科学、聚合物科学及生物医学应用中具有广泛意义的主题，如纳米颗粒在土壤环境中的扩散和迁移、聚合物膜中纳米颗粒运动及纳米药物在生物组织中的递送。探究纳米颗粒在多孔介质中输运规律对于信息传递、药物输运、石油开采、地下水回灌及器官芯片的模型研究非常重要。

2、目前，由于微流控技术具有耗材少、成本低、精确控制和操纵流体运动等优点，被广泛用于建立微流控模型，实现对多孔介质中的流动和输运现象的深入研究。为观察多孔结构内部状况，多采用透明软体制备多孔介质，例如以下发明：基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法(申请号：cn201811194119.1)，基于3d打印的内脏动脉瘤介入手术操作模型及制作方法(申请号：cn202111420548.8)；然而实际中的多孔介质的骨架材料一般是非透明的且结构复杂，直接观测其内部的流动特性较为困难，为研究带来了很大挑战。为实现可视化的单粒子运动，需要对不透明的多孔介质进行折射率匹配，然而目前进行折射率匹配的液体大多是不常见和化合物，并且对人体有一定的危害，例如以下专利：一种折射率匹配液(申请号：cn201910247620.8)，折射率匹配液和玻璃的光学检测方法(申请号：cn202110581473.5)，故而没有得到广泛应用。此外，也没有能够基于对多孔材料的简单描述来预测纳米颗粒或大分子在多孔介质中的输运的通用模型。近年来，纳米粒子追踪技术的发展允许以纳米空间和毫秒时间分辨率重建单粒子轨迹，可以无接触地提供细节的位移信息以便进行统计分析。

3、基于此，本发明提出了一种用于研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置。即基于微流控技术构建了一种于微流控通道内部制备多孔介质并改变周围温度的微流控装置。基于紫外光固化技术制备多孔介质，采用与多孔介质的折射率匹配流体对不透明的多孔介质进行折射率匹配，利用纳米粒子追踪技术测量纳米颗粒在多孔介质内部的运动。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种环境温度可控、无接触地制备多孔介质的微流控装置。通过流速泵调节流速，令多孔介质溶液在多孔介质的形成通道中沿着微柱阵列缓慢流动至充满通道，使用便携式紫外光固化装置照射溶液以生成不透明结构的多孔介质，采用蔗糖水溶液对不透明的多孔介质进行折射率调节，利用含银环氧树脂对微流控通道的温度进行控制，可采用荧光显微成像的单粒子追踪法测量纳米颗粒在多孔介质的扩散运动。

2、本发明中，装置由微流控芯片、温度控制系统及多孔介质构成。相较于其他模拟装置，本发明中具有高导电性的含银环氧树脂对称地位于多孔介质两侧，保证了温度的均匀稳定；在微通道内部直接生成多孔介质，避免了其被污染的可能；无毒、透明的蔗糖水溶液对多孔介质的折射率进行匹配，使纳米颗粒在多孔介质中的运动可视化；采用纳米粒子追踪技术无接触地提供细节的轨迹信息。基于上述四点，本发明装置可实现低成本、无污染的多孔介质制备并探究不同环境下纳米颗粒在多孔介质的输运情况。

3、本发明的技术方案：

4、一种用于研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置，所述微流控装置由微流控芯片和温度控制系统组成。

5、所述的微流控芯片包括载玻片1和pdms基底2；所述的pdms基底2粘于载玻片1上表面；所述的pdms基底2内部刻蚀竖向布置的入口孔洞a3、入口孔洞b4、出口孔洞a5和出口孔洞b6，以及横向布置的的温度控制通道7和中间微流控通道8，形成对称结构，其中入口孔洞a3和出口孔洞a5各两个，每个入口孔洞a3对应一个出口孔洞a5，入口孔洞b4和出口孔洞b6各一个，相对应。

6、所述的中间微流控通道8为对称结构，其内部中心有两排微柱阵列8-4，与pdms基底2为一体结构，两排微柱阵列8-4之间的间隙构成多孔介质的形成通道8-2，多孔介质的形成通道8-2的两侧空间分别为微流控通道a8-1和微流控通道b8-3；微流控通道a8-1的两端分别与其中一组入口孔洞a3和出口孔洞a5连通，微流控通道b8-3的两端分别与另一组入口孔洞a3和出口孔洞a5连通，多孔介质的形成通道8-2的两端分别与入口孔洞b4和出口孔洞b5连通；所述的入口孔洞a3、入口孔洞b4、出口孔洞a5、出口孔洞b5均贯穿整个pdms基底2，外部导管从上表面的开口插入孔洞，以输入或输出液体。

7、所述的温度控制通道7有两个，对称布置在中间微流控通道8的两侧；所述的温度控制通道7为u型通道，其两端分别为温度控制通道开口a7-3-1和温度控制通道开口b7-3-2。

8、所述的温度控制系统包括含银环氧树脂7-1以及位于pdms基底2外部的滑动变阻器7-2、可控直流电压稳压源9；所述含银环氧树脂7-1充满温度控制通道7内部，在pdms基底2上表面，从中间微流控通道8两侧的温度控制通道开口a7-3-1和温度控制通道开口b7-3-2处引出导线并相连；温度控制通道开口b7-3-2连接可控直流电压稳压源9的负极，温度控制通道开口a7-3-1引出的导线与滑动变阻器7-2一端连接，另一端连接可控直流电压稳压源9的正极；可控直流电压稳压源9提供稳定的直流工作电压。温控电路的工作原理为：含银环氧树脂7-1可看作可以导热并具有一定阻值的电阻，通过调节滑动变阻器7-2改变含银环氧树脂7-1两端的分压，进而影响其温度的变化，基于此可以在模型装置中实现温度恒定和温度变化的控制。

9、进一步地，含银环氧树脂7-1是将液态金属银和环氧树脂按照1:1～1:2的质量比混合，当二者充分混合均匀后可作为一种可导电、导热的液态材料，经过一段时间后该材料可固化成为固体，其对称的位于中间微流控通道8的两侧，用以实现对中间微流控通道8的加热。

10、进一步地，所述的微流控通道a8-1和微流控通道b8-3的结构相同，均包括蛇形通道和直通道，两个蛇形通道的一端分别与直通道的两端连通，两个蛇形通道的另一端分别与入口孔洞a3和出口孔洞a5连通；其中，蛇形通道与多孔介质的形成通道8-2具有一定的倾斜角度，蛇形通道采取蛇形回路有利于消除溶液进入通道后发生的抖动；直通道的总长度为l1，蛇行通道总长度为l2，微流控通道a8-1和微流控通道b8-3的宽度均为w1，多孔介质的形成通道8-2的宽度为w2，整个通道深度为h，l1、l2、w1和w2为厘米级，h为百微米级。

11、进一步地，所述的多孔介质的形成通道8-2中形成多孔介质薄膜的过程如下：从入口孔洞a3注入空气或多孔介质不互溶的油，如橄榄油、矿物油等，空气或多孔介质不互溶的油分别通入微流控通道a8-1和微流控通道b8-3；同时从入口孔洞b4注入多孔介质溶液，两排微柱阵列8-4引导多孔介质溶液沿着多孔介质的形成通道8-2流动，同时保证其不会流入微流控通道a8-1或微流控通道b8-3；然后通过紫外光固化技术，多孔介质溶液在多孔介质的形成通道8-2形成不透明的多孔介质薄膜；在微流控通道8内部生成多孔介质薄膜，可以避免多孔介质因暴露于空气中而导致污染。所述的多孔介质溶液为可进行光固化的水凝胶溶液，如聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯(pegda)、甲基丙烯酸酐化明胶(gelma)等。

12、进一步地，研究纳米颗粒跨膜输运时，入口孔洞a3注入混有纳米颗粒的蔗糖水溶液，其中，蔗糖水溶液的中蔗糖的质量分数为10％～40％，蔗糖水溶液中纳米颗粒的体积分数为10-7-10-5％％，纳米颗粒的直径为200-500nm，通过调节纳米颗粒直径使其在通道中的运动可视化。入口孔洞a3注入混有纳米颗粒的蔗糖水溶液时，通过流速泵进行控制，实现流速可控。

13、进一步地，所述的微流控装置还包括计算机10、高速相机11和荧光显微镜12和流速泵13，所述的流速泵13分别通过外部导管与入口孔洞a3和入口孔洞b4相连，用来控制溶液输入微流控通道的流速；所述的计算机10与高速相机11相连，高速相机11与荧光显微镜12相连，以便可以从计算机显示器中直接观看具体现象；荧光显微镜12置于微流控芯片正上方；荧光显微镜12观测纳米颗粒在多孔介质薄膜的跨膜输运情况，将观测结果输送至高速相机11，高速相机11将拍摄的照片传输至计算机10。

14、本发明的有益效果：

15、本发明提供的一种温度可控、流速可控、多孔不透明的用于研究纳米颗粒跨膜输运的微流控装置，将微流控技术和紫外光固化技术巧妙的结合，实现直接在微流控通道内部生成多孔介质，避免多孔介质暴露于空气中而被污染，设计巧妙、操作便捷；含银环氧树脂既可作为加热设备又可充当电阻，实现对温度的稳定控制；同时采用蔗糖水溶液对不透明的多孔介质进行折射率匹配，结合纳米颗粒追踪技术，允许直接可视化从单孔到宏观长度尺度的各种多孔材料内的纳米颗粒运动，在膜污染、地下水回灌、石油开采、基础生物医学研究和临床快速检测等方面具有重要应用。