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加州大學河濱分校杜可課題組 基于3D打印的液態(tài)核心光流體

更新時間：2022-09-22點擊次數(shù)：794
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液態(tài)核心（liquid-core）光波導是光流體學的主要系統(tǒng)之一，由液態(tài)核心層與固態(tài)包層組成。其液態(tài)核心可同時實現(xiàn)液態(tài)樣品之傳輸與光導功能。近來隨著微機電技術的廣泛應用，該裝置可微型化而便于攜帶甚至可模塊化以適應不同應用進行組裝。常見應用于以熒光探測為基礎的生物感測器、吸收光譜與生物醫(yī)學的相關研究。一般來說，材料的折射系數(shù)(refractive index)對光導的性能具有關鍵影響，當液態(tài)核心的折射系數(shù)高于包層的系數(shù)，方有機會實現(xiàn)全反射。而此參數(shù)在設計上有兩種常見方法：一為直接選用適合的材料以提高核心與包層的數(shù)值差異；二則是設計復合式包層。第二種復合式方法更為靈活。因為一般核心層的折射系數(shù)受限于受測物質的需求，因此包層的材料選擇也比較受限。近來，微納米結構形成的疏水表面被許多科研機構采用，由于該結構之間有許多微小氣泡，整體包層的復合有效折射系數(shù)將降低許多，對于裝置中液態(tài)核心層本身折射系數(shù)偏低相對有利。

在此基礎上，加州大學河濱分校的杜可教授團隊針對以微型結構為基底的液態(tài)核心光波導進行了研究，并采用近年受到矚目的面投影微立體光刻技術取代了先前基于黑硅(black silicon)的平板式封裝設計。傳統(tǒng)上，微機電制作的晶片偏向二維平板式設計，較難實現(xiàn)三維立體的特殊結構，且需要有良好封裝。然摩方精密的面投影微立體光刻技術能夠克服上述兩點限制。該團隊提出了幾種不同的微結構設計，搭配疏水表面涂層（PTFE），實現(xiàn)了一體成形不需封裝且具有微結構的液態(tài)核心光波導。該研究探討了結構的機械強度、光波導截面幾何與有效包層范圍內的優(yōu)化對整體設計的影響。報告中也展示了后期應用于病毒檢測（CRISPR）的研究。未來有機會輔助CRISPR相關研究甚至實現(xiàn)三維打印的生物體內偵測裝置設計。相關成果以“On-Demand Fully Enclosed Superhydrophobic−Optofluidic Devices Enabled by Microstereolithography”為題發(fā)表在《Langmuir》期刊上。

 

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圖1. (a) 微光柵結構、(b) 微針結構、(c) “T 形”結構和 (d) “傘形”結構的 SEM 圖像和光學顯微照片。 （e）“T 形”光流控裝置的橫截面。 固體/水/空氣界面用黃色虛線標記。 （f，g）在 Teflon AF 涂層之前（f）和 Teflon AF 涂層之后（g）的平面樣品的靜態(tài)水接觸角測量。 (h) 顯示由兩個間隙較大的“T”形結構支撐的液滴的照片。 (i) 在固體/水/空氣界面處反射的光束，入射角為 35°。 (j) 裝置與平臺的實際圖像，其中光與液芯共享相同的路徑。 液體通過嵌入的微管泵入液芯。 插圖中描繪了裝置中的流體流動方向。

 

 

 

 

報告中展示了由多種常見微結構組成的不同芯片裝置，如圖1。其中“T 形”結構在平板上的疏水效果可由圖1(h)得知，即便在大間隔的情況下，液滴下方仍然存在空氣隔間。實際上整體的光學平臺搭置如圖２所示，可根據(jù)不同激發(fā)光需求替換激發(fā)光源。 “T 形”結構在不同激發(fā)光波長下有最佳的工作效能且有較強的機械強度（相較微針結構與微光柵結構）。團隊更進一步針對基于“T 形”結構的芯片進行了截面幾何與有效包層范圍內的固體材料比例的探討。結果顯示在合理的機械強度下，“T 形”結構的芯片可往低材料厚度、適中結構寬度與圓形截面來進一步優(yōu)化。


 

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圖2. (a) 光學測量裝置示意圖。不同光流體芯片在不同激發(fā)光波長之下的光傳輸顯示于(b) 405、(c) 490、(d) 595 和 (e) 1100 nm。 誤差線代表每個相應樣本的標準偏差。 每個數(shù)據(jù)點代表三個測量值的平均值。

 

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圖3. (a) 固體包層厚度分別為 400 和 600 μm 的無結構光流控芯片的透射測量。 (b) 損失機制在固體/水/空氣界面示意圖。 (c) 各種“T 形”結構和不同入射角的透射測量。T-1顯示出最佳性能。 每個數(shù)據(jù)點代表三個測量值的平均值。

 

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圖4. (a) 通過輸入 1.6 nM 量子點的各種光流控平臺的未校正熒光發(fā)射光譜。 插圖為熒光溶液照片。 光從右向左傳播。 (b) 集成熒光信號隨著量子濃度從 0 增加到 6.3 nM。 每個數(shù)據(jù)點代表三個測量值的平均值。

 

該設計被進一步應用于熒光測量的CRISPR-病毒檢測。在熒光量測中，“T 形”結構的芯片有最佳的量測效能與預測結果一致。而在CRISPR系統(tǒng)中，目標DNA將與CRISPR-Cas12a結合并使單鏈 DNA 探針變性，致使散布在溶液中的量子點將不與單鏈 DNA 探針結合。這些量子點可經(jīng)過分化過程從上清液中取出并放入芯片中測量。該結果顯示團隊提出之原型設計能夠與CRISPR相關檢測系統(tǒng)整合，甚或成為生物體內檢測相關裝置原型開發(fā)的參考。

 


 

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圖5. (a) 規(guī)律間隔成簇短回文重復序列(CRISPR) 與關聯(lián)蛋白 (Cas) 結合用于簡單和靈敏的核酸檢測示意圖。 (b) DNA 目標為 0.1、1 和 10 nM 的樣品的熒光強度。 陰性對照（無目標）標記為 NTC。 每個數(shù)據(jù)點代表三個測量值的平均值。