摘 要 針對限制液晶微滴生物傳感響應(yīng)性能的微滴尺寸不均一的問題,設(shè)計(jì)了流動(dòng)聚焦微流控芯片結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了單分散液晶微滴光學(xué)探針的制備方法及傳感響應(yīng)特性。 以向列型液晶為分散相,十二烷基硫酸鈉/ 聚乙烯醇混合液為連續(xù)相,通過控制流動(dòng)聚焦時(shí)兩相流速來調(diào)節(jié)影響液晶微滴生成的不同流動(dòng)模式。 測試并分析了兩相流速、 連續(xù)相粘度、 孔口寬度等參數(shù)對液晶微滴尺寸的影響及其內(nèi)在機(jī)制。 利用不同尺寸的液晶微滴為傳感探針,檢測并分析了肝腸疾病的潛在標(biāo)志物脫氧膽酸。 結(jié)果表明,當(dāng)液晶微滴尺寸從38μm增加到 77 μm時(shí),脫氧膽酸的檢出限從(383±23.6) μmol / L降低到(140 ± 14.1) μmol / L。

液晶是一種對外界刺激響應(yīng)靈敏的軟材料,液晶微滴表面積/ 體積比大、 響應(yīng)迅速、 靈敏度高,在生物傳感領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 采用雙親性分子修飾液晶微滴可制備光學(xué)探針,待測物在微滴表面與修飾物的相互作用會(huì)引起微滴中液晶分子取向改變。 借助液晶的雙折射特性,很容易在偏光顯微鏡下觀察到此變化,從而將分子間的相互作用轉(zhuǎn)換為宏觀可見的光學(xué)信號(hào),實(shí)現(xiàn)生化分子的傳感檢測。 在液晶微滴表面修飾特定靶分子,通過偏光顯微鏡觀測和記錄待測物與之相互作用引起的液晶分子取向的轉(zhuǎn)變過程,已實(shí)現(xiàn)了有機(jī)磷農(nóng)藥、 重金屬離子、 蛋白質(zhì)、 葡萄糖和膽汁酸等的傳感檢測。 研究表明,表面錨定和微滴尺寸是決定液晶微滴中液晶分子取向的重要因素,特別是微滴尺寸對傳感性能有極大影響。

常用的超聲分散法制備的液晶微滴尺寸均勻性不佳,基于此的液晶微滴光學(xué)探針的傳感響應(yīng)穩(wěn)定性和一致性都不理想,限制了其在生物傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。 因此,尺寸均一的液晶微滴的制備成為獲得準(zhǔn)確定量傳感響應(yīng)信號(hào)的前提,很多研究者進(jìn)行了不同嘗試,如 Gupta 等采用二氧化硅微球模板法制備了單分散液晶微滴,然而,其使用的氫氟酸腐蝕性很強(qiáng)且實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜。 近年來,隨著微流控技術(shù)的發(fā)展,能實(shí)現(xiàn)液滴精確操控的液滴微流控技術(shù)為高效穩(wěn)定制備單分散液晶微滴提供了重要手段。 用于液滴制備的流動(dòng)聚焦微芯片結(jié)構(gòu)因其控制性和穩(wěn)定性優(yōu)異而備受關(guān)注。 基于流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu), Bao 等以脂質(zhì)分子為連續(xù)相,液晶分子為分散相,制備了直徑(16.7±0.2) μm 的脂質(zhì)修飾液晶微滴,在偏光顯微鏡下觀察由抗菌肽與液晶微滴表面脂質(zhì)分子的相互作用引起的液晶分子取向變化,實(shí)現(xiàn)了對抗菌肽的傳感檢測。 Khan 等利用流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu),以向列型液晶分子 4-氰基-4′-戊基聯(lián)苯(5CB)為分散相,嵌段共聚物高分子為連續(xù)相,制備了尺寸單分散嵌段共聚物修飾的液晶微滴,觀察液晶微滴在不同pH值條件下構(gòu)型的變化,實(shí)現(xiàn)了pH值檢測。 雖然基于流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)的單分散微滴制備已被廣泛研究,但由于不同液滴制備所需分散相材料不同,流動(dòng)模式及參數(shù)條件也不盡相同,很難直接移植到單分散液晶微滴制備中。 在基于流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)的單分散液晶微滴制備中,不同參數(shù)對微滴尺寸及穩(wěn)定性的影響也鮮有報(bào)道。

在流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)中,連續(xù)相流體在兩相流交匯處擠壓分散相流體,由于界面張力引起流體失穩(wěn),進(jìn)而在粘性力等的作用下夾斷分散相流體形成微滴。 已有研究表明,通道的幾何結(jié)構(gòu)、 流體流速和流體性質(zhì)等對流動(dòng)聚焦結(jié)構(gòu)中微滴生成特性有重要影響。 本研究利用液滴微流控技術(shù),基于流動(dòng)聚焦微結(jié)構(gòu),以常用于液晶生物傳感器制備的向列型液晶分子 5CB 為分散相,常用于液晶微滴光學(xué)探針修飾的雙親性分子十二烷基硫酸鈉為連續(xù)相,系統(tǒng)研究了兩相流體流速、 連續(xù)相粘度以及微通道交匯處狹窄部分孔口尺寸等參數(shù)對液晶微滴生成的影響,建立了單分散液晶微滴光學(xué)探針的制備方法。 最后,將制得的不同尺寸單分散液晶微滴光學(xué)探針用于肝腸疾病潛在標(biāo)志物脫氧膽酸的初步檢測研究,探究了微滴尺寸對檢測性能的影響。

實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

URE-2000 / 25 紫外光刻機(jī)；微注射泵；數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱；等離子清洗儀；真空干燥箱；水浴鍋；電子天平；偏光顯微鏡。

負(fù)性光刻膠 SU-8 3050； 聚二甲基硅氧烷及固化劑( PDMS, Sylgard184); 乙醇(75%); 聚二甲基二烯丙基氯化銨、 聚苯乙烯磺酸鈉; 聚乙烯醇; 4-氰基-4′-戊基聯(lián)苯; 脫氧膽酸; 磷酸鹽緩沖液。 實(shí)驗(yàn)用水為 Milli-Q 系統(tǒng)制得的超純水。

芯片設(shè)計(jì)及制備

本研究用于制備單分散液晶微滴的流動(dòng)聚焦微結(jié)構(gòu)如圖 1A 所示。 微結(jié)構(gòu)中通道寬度為 125 μm,連續(xù)相和分散相交匯處狹窄孔口長度為 60 μm,通道深度為 50 μm。 芯片加工采用傳統(tǒng)軟光刻技術(shù)。首先,將 PDMS 預(yù)聚體與固化劑按質(zhì)量比 10 ∶ 1 混合均勻,抽真空 30 min 以消除氣泡。 然后,將得到的PDMS 混合物旋涂于 SU-8 陽模上, 80 ℃固化 30 min,得到 PDMS 圖案層。 將 PDMS 圖案層從模具上剝離,用打孔器在進(jìn)口和出口位置打孔。 利用氧等離子體對 PDMS 圖案層及洗凈的載玻片處理 3 min 后,將其粘合在一起。 最后,將鍵合好的芯片置于 150 ℃熱板上插管、 封膠, 3 min 后取下,冷卻至室溫,得到實(shí)驗(yàn)用芯片(圖 1B)。

圖 1 流動(dòng)聚焦微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖(A)和芯片實(shí)物圖(B)

實(shí)驗(yàn)方法

1. 微通道表面修飾

利用聚電解質(zhì)層層自組裝方法對微通道壁進(jìn)行表面修飾。 由于氧等離子體處理可將微結(jié)構(gòu)表面在一定時(shí)間內(nèi)保持活化狀態(tài),在 PDMS 圖案層與載玻片鍵合后,立即將帶正電荷的 PDADMAC、 水和帶負(fù)電荷的 PSS 聚電解質(zhì)溶液以 1100 μL / h 的流速依次通入微通道中,并保持 30 min。 最后,將修飾后的微通道充滿水,待用。

2.單分散液晶微滴制備

利用聚焦流微通道,以 5CB 作為分散相,以含有 5 mmol / L SDS 的 PVA 溶液作為連續(xù)相,通過注射泵調(diào)節(jié)兩相流體的流速,以調(diào)控液晶微滴的生成。 采用不同濃度 PVA 溶液調(diào)節(jié)連續(xù)相粘度,并利用顯微攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察記錄1. 3. 3 DCA 的檢測。利用 PBS 緩沖液配制 DCA 待測液。 分別取 10 μL 不同尺寸的液晶微滴懸液于洗凈的載玻片上,然后滴加一定濃度的 DCA 溶液。 在偏光顯微鏡下觀察加入 DCA 后液晶微滴的構(gòu)型變化。

結(jié)果與討論

1. 微通道潤濕性對液晶微滴生成的影響

連續(xù)相對通道壁良好的潤濕性是微滴穩(wěn)定產(chǎn)生的前提。為了制備W/ O型液晶微滴,需要對PDMS 微通道壁進(jìn)行親水處理。 當(dāng)采用表面未修飾的微通道制備液晶微滴時(shí),發(fā)現(xiàn)液晶微滴難以穩(wěn)定生成(圖2A)。 借助液晶的雙折射特性,可在偏光顯微鏡下觀察到分散相在通道中的分布情況。 圖 2B為表面未修飾的微通道中生成液晶微滴的偏光顯微鏡圖像,可以明顯觀察到作為分散相的 5CB 粘附在通道壁上,無法穩(wěn)定生成微滴。主要原因是鍵合時(shí)經(jīng)氧等離子體處理的微通道僅具有短暫親水性,隨著時(shí)間推移,微通道表面會(huì)逐漸恢復(fù)疏水性從而影響液晶微滴的穩(wěn)定生成。 研究表明,利用層層自組裝技術(shù)將聚電解質(zhì)通過靜電相互作用修飾氧等離子體處理的微通道壁, 可使其具有持久親水性。 圖2C和2D為PDADMAC / PSS 修飾的微通道中制備液晶微滴。以8和40 μL / h的速度將5CB和SDS / PVA 溶液分別注入通道后,通道中形成了尺寸均一的液晶微滴。 微滴在偏光顯微鏡下為十字狀(圖 2E),明場下中心有明顯缺陷(圖 2F),表明其為“射線型”構(gòu)型。 這是由于在微滴形成過程中,連續(xù)相中的 SDS 在 5CB 表面吸附,將疏水性烷基鏈伸入液晶相中,引起 5CB 分子呈現(xiàn)出垂直微滴表面的排列。 但是,僅使用 SDS 溶液作為連續(xù)相制備的液晶微滴穩(wěn)定性差。 加入的 PVA 可包裹在微滴表面,促進(jìn) SDS 在微滴表面吸附,從而增加液晶微滴的穩(wěn)定性(圖 2G)。

圖 2 明場(A、 C)和偏光場(B、 D)下未經(jīng)表面修飾(A、 B)和經(jīng)過表面修飾(C、 D)的流動(dòng)聚焦微通道制備液晶微滴的顯微圖像; 所生成的液晶微滴在(E)偏光和(F)明場下的顯微圖像; (G)生成的液晶微滴構(gòu)型示意圖

2. 流體流速對液晶微滴生成的影響

改變連續(xù)相和分散相流速,可以觀察到微通道中液晶微滴生成時(shí)存在 4 種流型(圖 3)。 通常,分散相流體被剪斷生成微滴的過程受剪切力和界面張力等因素的影響,其相互關(guān)聯(lián)成為表征微通道內(nèi)流體狀態(tài)的無量綱參數(shù),如雷諾數(shù) Re和毛細(xì)管數(shù) Ca。 當(dāng)連續(xù)相和分散相流量都較小時(shí),如連續(xù)相流量 Qc= 40 μL / h,分散相流量 Qd= 35 μL / h,液晶微滴在微通道中的流型為擠壓型(圖 3A和 3B)。 分散相首先向下游延展,界面逐漸生長并阻塞孔口,從而增加上游壓力,使得連續(xù)相開始擠壓界面形成頸縮,并最終剪斷分散相。 在連續(xù)相剪斷分散相之前,由于通道寬度大于孔口寬度,使得分散相流過孔口后壓力降低,速度隨之降低,導(dǎo)致上游高流速的分散相在下游低流速區(qū)域累積從而體積逐漸增大,生成的液晶微滴在通道內(nèi)為棒狀而非球狀。 此流型下連續(xù)相毛細(xì)管數(shù) Cac較低,粘性力不足以剪斷微滴,通道結(jié)構(gòu)對微滴生成起主要作用。隨著 Qc 增大, Cac 隨之增大。 當(dāng)Qc= 300 μL / h, Qd= 3 μL / h 時(shí), Cac(Cac>0.01)較大,高流速使得分散相無法填滿整個(gè)孔口區(qū)域,從而使流型從擠壓流變?yōu)榈瘟?圖3C和3D)。 此時(shí),分散相前端延伸并保持在兩相管道交匯處, Rayleigh毛細(xì)不穩(wěn)定性是液晶脫離分散相形成微滴的主要作用力。提高任意一相的流速均可引起液晶微滴流型的轉(zhuǎn)變。 當(dāng)保持 Qc 不變,增大 Qd 時(shí),流型可從滴流變?yōu)樯淞?圖3E和3F)。 由于對流不穩(wěn)定性,液晶微滴一般在下游生成。 當(dāng)分散相的慣性力和連續(xù)相的剪切力足以克服界面張力時(shí),分散相在達(dá)到液晶微滴斷裂脫落所需臨界值前被拖向下游,伴隨有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生。當(dāng)Qd與Qc均較大且相近時(shí), Cac與Red均較大(Cac>0.01, Red>0.02)。此時(shí)分散相在整個(gè)通道上拉長變?yōu)楣軤盍?無微滴生成(圖3G和3H)。 將 Qd 和 Qc 分別控制在 3 ~ 60 μL / h和100 ~ 1000μL / h范圍內(nèi)可生成穩(wěn)定均一的液晶微滴。

圖 3 明場(A、 C、 E、 G)和偏光場(B、 D、 F、 H)下不同流速所生成的流型圖: (A、 B)擠壓流; (C、 D)滴流; (E、 F)射流; (G、 H)管狀流; 比例尺為 200 μm

圖 4 不同流速下制備的液晶微滴在偏光(A、 C、 E)和明場(B、 D、 F)下的顯微圖像。 比例尺為 100 μm

圖 5 (A)連續(xù)相流量為 200 μL/ h 時(shí),微滴尺寸與分散相流量的關(guān)系; (B)分散相流量為 30 μL/ h 時(shí),微滴尺寸與連續(xù)流量的關(guān)系

連續(xù)相粘度對液晶微滴生成的影響

連續(xù)相粘度會(huì)通過影響毛細(xì)管數(shù) Cac 對生成微滴尺寸產(chǎn)生影響,可采用不同濃度PVA 調(diào)控連續(xù)相粘度。 當(dāng)連續(xù)相和分散相的流量分別為 200 μL / h和 16 μL / h時(shí),不同 PVA 濃度下所生成液晶微滴尺寸的變化如圖6A 所示,隨著 PVA 濃度增加,連續(xù)相粘度增加, Cac 增大,分散相受到連續(xù)相的粘性剪切力增大,使得液晶微滴生成尺寸減小。當(dāng)PVA含 量從0增加到1%時(shí),微滴尺寸從(102±1.05) μm緩慢減小為(97±1 98) μm。當(dāng)PVA含量從1%增加到 2.5% 時(shí),微滴尺寸陡降到(36±1.25) μm。 PVA含量不高于1%時(shí),微滴生成流型為射流; 當(dāng)PVA含量高于2.5%時(shí),微滴生成流型為滴流。滴流下生成的液晶微滴尺寸明顯小于射流,表明可以通過調(diào)控連續(xù)相粘度調(diào)控流型,從而在更大范圍內(nèi)調(diào)控生成微滴的尺寸。 當(dāng) PVA 含量進(jìn)一步增加到 10% 時(shí),分散相出現(xiàn)回流現(xiàn)象,無液晶微滴生成。

圖 6 (A)液晶微滴生成尺寸與連續(xù)相粘度的關(guān)系; (B)不同 Qc/ Qd(a: 200 / 3; b: 200 / 8; c: 200 / 30)下液晶微滴尺寸與孔口寬度的關(guān)系

2. 4 孔口寬度對液晶微滴生成的影響

兩相流體交匯處狹窄孔口形狀決定了局部流場變化,從而影響微滴的形成。 固定連續(xù)相與分散相流速分別為200和3μL / h,當(dāng)孔口尺寸從30μm 增加到60μm 時(shí),液晶微滴尺寸從(56 ± 0.83) μm增加到(90±2.20) μm(圖6B)。 當(dāng)改變連續(xù)相和分散相流速比時(shí),液晶微滴尺寸同樣隨著孔口尺寸增加而增加(圖6B)。 當(dāng)孔口尺寸足夠?qū)挄r(shí),連續(xù)相對分散相的壓力難以累積,需要更長時(shí)間才能將分散相剪斷。 因此,對于固定的兩相流速,孔口尺寸寬的通道所形成微滴尺寸更大。

2. 5 DCA 檢測研究

SDS 修飾的 5CB 微滴常用于肝腸疾病潛在標(biāo)志物膽汁酸的傳感檢測。膽汁酸分子在 5CB 微滴表面吸附可以擾亂SDS排列,引起微滴內(nèi)液晶分子取向變化。 通過偏光顯微鏡觀察此變化引起的液晶微滴構(gòu)型從“射線型”到“雙極型”的轉(zhuǎn)變,可以實(shí)現(xiàn)膽汁酸分子的檢測。 選取3種不同尺寸的液晶微滴(77、70 和38μm)探究微滴尺寸對傳感性能的影響。加入200μmol / L DCA后, 77μm的液晶微滴構(gòu)型在1 min內(nèi)完全從“放射型”構(gòu)型變?yōu)椤半p極型”構(gòu)型(圖7A和7D),而38 μm的液晶微滴依然保持“放射型”構(gòu)型(圖7C和7F)。 70 μm液晶微滴中“放射型”構(gòu)型中心缺陷出現(xiàn)了向微滴表面遷移的現(xiàn)象(圖7B和7E),形成“放射型”到“雙極型”的過渡態(tài)。將觀測時(shí)間固定為 1 min,探究了3種液晶微滴(38、 70 和 77 μm)對 DCA 的檢出限(定義為液晶微滴構(gòu)型從“放射型”變?yōu)椤半p極型”的微滴數(shù)量百分比大于 30% 所 對 應(yīng) 的 樣 本 濃 度 )。3種液晶微滴的檢出限分別為 ( 383 ± 23.6 ) μmol / L、(183 ± 23.6) μmol / L 和(140±14.1) μmol / L(圖 7G),檢出限隨液晶微滴尺寸的增大而減小。 研究表明,液晶微滴尺寸通過影響決定微滴中液晶分子取向的 Saddle-splay(K24 )項(xiàng)表面彈性自由能,從而對微滴構(gòu)型產(chǎn)生影響。 當(dāng)微滴尺寸減小時(shí),微滴傾向于呈現(xiàn)“放射型”構(gòu)型,因而,較大尺寸液晶微滴更容易引起液晶微滴構(gòu)型改變。

圖 7 不同尺寸 PVA/ SDS-5CB 微滴在加入 200 μmol / L DCA 后 1 min 內(nèi)的偏光顯微圖像(A ~ C)和相應(yīng)的明場(D ~F)顯微鏡圖像: (A、D)77 μm, (B、E)70 μm, (C、F)38 μm; (G)不同尺寸液晶微滴對DCA 的檢出限。比例尺為100μm

結(jié)論

采用流動(dòng)聚焦微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究了單分散液晶微滴的生成方法,并對不同尺寸液晶微滴的傳感響應(yīng)進(jìn)行了初步研究分析。 通過調(diào)節(jié)連續(xù)相和分散相的流量、 粘度比以及微通道的孔口寬度,可以獲得10 ~ 145μm穩(wěn)定且尺寸均一的液晶微滴。 研究表明, 微通道中 兩 相 流 量 均 較 小時(shí)為擠壓流模式; 增大連續(xù)相流量,減小分散相流量后會(huì)變成滴流。 在滴流中,增大分散相流量,流型將從滴流變?yōu)樯淞鳌?進(jìn)一步增加分散相流量,射流會(huì)變成管狀流。 當(dāng)連續(xù)相流量一定時(shí),液晶微滴的尺寸隨分散相流量增加而增大; 分散相流量固定時(shí),隨著連續(xù)相流量增大,液晶微滴尺寸減小。連續(xù)相粘度越大,分散相受到的粘性剪切力越大,液晶微滴尺寸越小。 微通道孔口尺寸越大,液晶微滴尺寸越大。比較流速比、連續(xù)相粘度以及孔口寬度3個(gè)因素對液晶微滴尺寸的影響發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)流速比,液晶微滴的尺寸差約可達(dá)90μm; 改變連續(xù)相粘度,液晶微滴的尺寸差約可達(dá)70μm; 而孔口寬度從30μm變?yōu)?5μm時(shí),液晶微滴的尺寸差約為50μm。利用3種尺寸(38、70和77μm)的單分散液晶微滴進(jìn)行DCA檢測時(shí)發(fā)現(xiàn),越大的液晶微滴的檢出限越低。 當(dāng)液晶微滴尺寸從38μm增加到77μm時(shí),液晶微滴對脫氧膽酸的檢出限從(383±23.6 ) μmol / L降低到(140±14.1) μmol / L。

免責(zé)聲明：文章來源doi: 10.19756/j.issn.0253-3820.210443  以傳播知識(shí)、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨。 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除。