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温敏聚N-异丙基丙烯酰胺整体柱操控微流体的研究

李志明

  以微流控为技术核心的微流控芯片分析是微全分析系统的主要组成部分,其目标是通过在微芯片上集成试样前处理、引入、混合反应、分离检测等功能模块,实现分析实验室的功能转移,最终实现分析实验室的微型化、集成化与便携化。微流体的操纵和控制是微流控分析的基础,也是目前限制微流控发展的重要瓶颈之一。开发一种简便、低廉、易集成的微流体操控方法,是当前微全分析系统发展的重点。 聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)类温敏高聚物受外界温度变化刺激时,分子构型会发生突变,导致其体积、疏水/亲水性等重要物理化学性质的可逆改变。将这种智能高聚物整体柱塞引入微通道内,不仅可以利用其由温度引起的体积相变来控制微流体的流动状态,同时还可以影响到柱塞附近的离子电迁移、电渗流等特性。本文旨在利用温敏高聚物这种智能特性,通过在玻璃芯片上构建集成化的温敏整体柱塞,研究它在微流体控制及试样预富集分离方面的行为和分析应用。 全文共分为四章: 第一章,综述了温敏高聚物的温敏机理和合成方法、微流控芯片系统中基于PNIPAAm的液流控制、基于离子桥方式的样品预富集技术等方面的研究进展,同时,还简要介绍了温敏高聚物在其它方面的一些应用。按照不同的驱动机理,主要将基于PNIPAAm的液流控制分为被动阀、主动阀、复合阀(泵)三大类进行阐述。对于样品预富集技术,主要从纳通道、多孔膜、整体柱等三种结构进行介绍。 第二章,利用温敏高聚物相变前后的体积变化特性,研制以温敏高聚物为材料的集成化微阀。本文以2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮为引发剂,水-乙醇混合体系为溶剂,通过光诱导聚合,在刚性基质玻璃芯片通道内选择性区域快速制备PNIPAAm整体柱塞。系统考察了聚合条件对整体柱塞阀的形态和性能的影响。优化后的聚合时间仅需1 min。在此基础上,以微型注射泵驱动液流,用微型半导体加热-制冷器Peltier控制温控柱塞微阀的定时启/闭,研究建立了一个芯片上基于时间采样的集成化单温控阀流动注射分析模型。利用镁离子与荧光探针o,o -二羟基偶氮苯(DHAB)的配位荧光反应,表征温控微阀的控流效果。结果表明,微型流动注射荧光检测Mg2+离子的精密度可以达到3.4%(n=5)。 第三章,在第二章的基础上,进一步研制了玻璃芯片上的集成化温敏微阀阵列,成功实现了以温控定体积采样为基础的化学发光流动注射分析。国内外有关微流控芯片中PNIPAAm温控微阀的报道,一般是单阀或双阀系统,用以操控比较简单的液流系统。本章以两个Peltier半导体器件对芯片上的两组阀体进行加热或致冷,实现它们的协调开与关,阀开与关的响应时间分别为3s与7s。两组阀的协调动作实现了采样与进样操作的相互切换。配合注射泵的动作,在集成了多阀采样系统的芯片上成功实现了以铁氰化钾为催化剂的鲁米诺与过氧化氢的化学发光,并应用于过氧化氢的在线检测。系统对过氧化氢的采样体积为6 nL,检测的线性范围为0-2 mmol L-1,对2 mmol L-1过氧化氢的检测精密度可达到0.6%(n=11)。 第四章,首次提出了基于PNIPAAm的温控离子富集及释放现象。该章节较为详细地研究了在一定电场下,PNIPAAm整体柱塞对荧光素钠异硫氰酸酯(FITC)的温控富集及释放现象,并提出,低温时,FITC富集现象源于以电迁移为主的离子选择渗透性机理;而高温时,电渗流的作用引起了富集带的释放。基于PNIPAAm整体柱塞的温控离子富集与释放效应,我们进一步将其应用于玻璃芯片单通道中FITC的预富集及电泳分离检测,并初步研究了富集区带的不同释放方向对电泳分离性质的影响。研究发现,富集3 min时,温敏柱塞对FITC的最大富集倍率可达到26。同时,通过凝胶柱塞的温控开关切换,将其应用于玻璃芯片单通道内微量混合氨基酸样品的在线预富集和电泳分离检测,实现了低浓度氨基酸的富集和分离检测。……   
[关键词]:聚N-异丙基丙烯酰胺;温敏高聚物;微流控芯片;温控微阀;微流动注射分析;定体积采样;温控离子富集和释放
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2010年