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加州(zhou)大(da)學河濱分(fen)校杜可(ke)課題組(zu) 基(ji)於3D打印的液態(tai)核心(xin)光(guang)流(liu)體

更(geng)新時(shi)間：2022-09-22

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液態(tai)核心(xin)（liquid-core）光(guang)波(bo)導(dao)是光流(liu)體學的主(zhu)要系統(tong)之(zhi)壹(yi)，由(you)液態(tai)核心(xin)層(ceng)與(yu)固態(tai)包(bao)層組(zu)成(cheng)。其(qi)液態(tai)核心(xin)可(ke)同時(shi)實現(xian)液態(tai)樣品(pin)之(zhi)傳(chuan)輸與(yu)光(guang)導(dao)功能。近來隨著(zhe)微(wei)機電(dian)技(ji)術(shu)的廣(guang)泛應用(yong)，該(gai)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)微(wei)型(xing)化(hua)而便於攜(xie)帶甚至(zhi)可(ke)模塊化(hua)以(yi)適(shi)應不同應(ying)用(yong)進行組(zu)裝(zhuang)。常(chang)見應用於(yu)以(yi)熒光探(tan)測(ce)為基(ji)礎的生(sheng)物(wu)感測(ce)器(qi)、吸收(shou)光譜(pu)與(yu)生(sheng)物(wu)醫學的相(xiang)關研(yan)究(jiu)。壹(yi)般(ban)來說(shuo)，材(cai)料(liao)的折射(she)系數(refractive index)對光(guang)導(dao)的性(xing)能具有(you)關鍵影(ying)響，當液態(tai)核心(xin)的折射(she)系數高於(yu)包(bao)層的系(xi)數，方(fang)有(you)機會(hui)實現(xian)全(quan)反(fan)射(she)。而此參數在設(she)計(ji)上(shang)有兩(liang)種常見方(fang)法(fa)：壹(yi)為直(zhi)接(jie)選用適(shi)合的材(cai)料(liao)以(yi)提高核(he)心(xin)與(yu)包(bao)層的數值(zhi)差(cha)異(yi)；二(er)則(ze)是設計(ji)復合式包(bao)層。第(di)二(er)種(zhong)復合式方(fang)法(fa)更(geng)為靈(ling)活。因(yin)為壹(yi)般(ban)核心(xin)層(ceng)的折射(she)系數受限於受測(ce)物(wu)質的需求(qiu)，因此包(bao)層的材(cai)料(liao)選擇(ze)也(ye)比較受(shou)限。近來，微(wei)納米結(jie)構形成(cheng)的疏(shu)水表面(mian)被(bei)許多科(ke)研(yan)機構采用(yong)，由(you)於(yu)該(gai)結(jie)構之(zhi)間有(you)許多微(wei)小氣(qi)泡(pao)，整(zheng)體包(bao)層的復(fu)合有效折射(she)系數將降(jiang)低許多(duo)，對於(yu)裝(zhuang)置(zhi)中液態(tai)核心(xin)層(ceng)本(ben)身折射(she)系數偏(pian)低相對有(you)利。

在(zai)此基礎上(shang)，加州(zhou)大(da)學河濱分(fen)校的杜可(ke)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊(dui)針(zhen)對以(yi)微(wei)型(xing)結(jie)構為基(ji)底的液態(tai)核心(xin)光(guang)波(bo)導(dao)進行了研(yan)究(jiu)，並(bing)采用(yong)近(jin)年受(shou)到(dao)矚目的面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻技(ji)術(shu)取(qu)代了先前基(ji)於(yu)黑(hei)矽(gui)(black silicon)的平(ping)板式封(feng)裝(zhuang)設(she)計(ji)。傳(chuan)統(tong)上(shang)，微(wei)機電(dian)制(zhi)作的晶(jing)片偏(pian)向(xiang)二(er)維(wei)平板式設(she)計(ji)，較難實現(xian)三(san)維立(li)體的特(te)殊(shu)結(jie)構，且需要有良(liang)好封(feng)裝(zhuang)。然(ran)摩方(fang)精密(mi)的面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻技(ji)術(shu)能夠(gou)克(ke)服(fu)上(shang)述(shu)兩(liang)點限制(zhi)。該(gai)團(tuan)隊(dui)提出(chu)了幾(ji)種不同的微(wei)結(jie)構設(she)計(ji)，搭配疏水表面(mian)塗層（PTFE），實現(xian)了壹(yi)體成(cheng)形不需封(feng)裝(zhuang)且具有(you)微(wei)結(jie)構的液態(tai)核心(xin)光(guang)波(bo)導(dao)。該(gai)研(yan)究(jiu)探(tan)討(tao)了結(jie)構的機械(xie)強(qiang)度、光(guang)波導(dao)截(jie)面(mian)幾(ji)何與(yu)有(you)效包(bao)層範(fan)圍(wei)內(nei)的優(you)化(hua)對整(zheng)體設(she)計(ji)的影(ying)響。報告(gao)中(zhong)也(ye)展(zhan)示(shi)了後(hou)期應(ying)用(yong)於(yu)病毒檢測(ce)（CRISPR）的研(yan)究(jiu)。未(wei)來有機會(hui)輔(fu)助CRISPR相關研(yan)究(jiu)甚(shen)至(zhi)實現(xian)三(san)維打印的生(sheng)物(wu)體內(nei)偵測(ce)裝(zhuang)置(zhi)設計(ji)。相關(guan)成(cheng)果以(yi)“On-Demand Fully Enclosed Superhydrophobic−Optofluidic Devices Enabled by Microstereolithography”為題(ti)發表(biao)在《Langmuir》期刊(kan)上(shang)。

圖(tu)片

圖(tu)1. (a) 微(wei)光柵結(jie)構、(b) 微(wei)針(zhen)結(jie)構、(c) “T 形”結(jie)構和(he) (d) “傘(san)形”結(jie)構的 SEM 圖(tu)像(xiang)和(he)光學顯(xian)微(wei)照片。（e）“T 形”光流控(kong)裝(zhuang)置(zhi)的橫截(jie)面(mian)。固體/水/空氣(qi)界面(mian)用(yong)黃色虛線標記(ji)。（f，g）在 Teflon AF 塗層之(zhi)前（f）和(he) Teflon AF 塗層之(zhi)後（g）的平(ping)面(mian)樣品(pin)的靜(jing)態(tai)水接(jie)觸角(jiao)測(ce)量。 (h) 顯(xian)示(shi)由(you)兩(liang)個間(jian)隙(xi)較(jiao)大(da)的“T”形結(jie)構支撐(cheng)的液滴(di)的照片。 (i) 在(zai)固體/水/空氣(qi)界面(mian)處(chu)反射(she)的光(guang)束，入(ru)射(she)角(jiao)為 35°。 (j) 裝(zhuang)置(zhi)與(yu)平(ping)臺的實際(ji)圖(tu)像(xiang)，其(qi)中光與(yu)液芯(xin)共享相(xiang)同的路(lu)徑(jing)。液體通(tong)過嵌入(ru)的微(wei)管泵入(ru)液芯(xin)。插(cha)圖(tu)中描(miao)繪(hui)了裝(zhuang)置(zhi)中的流(liu)體流(liu)動(dong)方(fang)向(xiang)。

報告(gao)中(zhong)展(zhan)示(shi)了由(you)多(duo)種(zhong)常(chang)見微(wei)結(jie)構組(zu)成(cheng)的不(bu)同芯(xin)片(pian)裝(zhuang)置(zhi)，如圖(tu)1。其(qi)中“T 形”結(jie)構在(zai)平板(ban)上(shang)的疏(shu)水效果可(ke)由(you)圖(tu)1(h)得(de)知(zhi)，即(ji)便在大(da)間(jian)隔的情(qing)況下(xia)，液滴(di)下方(fang)仍然(ran)存(cun)在(zai)空氣(qi)隔間。實際(ji)上(shang)整體的光(guang)學平(ping)臺搭置如圖(tu)２所示(shi)，可(ke)根據(ju)不同激(ji)發光(guang)需求(qiu)替換激(ji)發光(guang)源(yuan)。 “T 形”結(jie)構在(zai)不同激(ji)發光(guang)波長(chang)下有(you)最佳(jia)的工(gong)作(zuo)效能且有較(jiao)強(qiang)的機械(xie)強(qiang)度（相(xiang)較微(wei)針(zhen)結(jie)構與(yu)微(wei)光柵結(jie)構）。團(tuan)隊(dui)更(geng)進壹(yi)步(bu)針(zhen)對基(ji)於“T 形”結(jie)構的芯(xin)片(pian)進行了截(jie)面(mian)幾(ji)何與(yu)有(you)效包(bao)層範(fan)圍(wei)內(nei)的固體材(cai)料(liao)比例的探(tan)討(tao)。結(jie)果顯(xian)示(shi)在合理的機械(xie)強(qiang)度下(xia)，“T 形”結(jie)構的芯(xin)片(pian)可(ke)往低材(cai)料(liao)厚(hou)度、適(shi)中結(jie)構寬(kuan)度與(yu)圓(yuan)形截(jie)面(mian)來進壹(yi)步(bu)優(you)化(hua)。

圖(tu)2. (a) 光學測(ce)量裝(zhuang)置(zhi)示(shi)意圖(tu)。不同光(guang)流(liu)體芯(xin)片(pian)在不同激(ji)發光(guang)波長(長)之(zhi)下的光(guang)傳(chuan)輸顯(xian)示(shi)於(b) 405、(c) 490、(d) 595 和(he) (e) 1100 nm。誤差線代表每(mei)個相(xiang)應(ying)樣本的標(biao)準(zhun)偏(pian)差。每(mei)個數據(ju)點代表三個測(ce)量值(zhi)的平(ping)均值(zhi)。

圖(tu)片

圖(tu)3. (a) 固體包(bao)層厚(hou)度分(fen)別為 400 和(he) 600 μm 的無結(結)構(構)光流(liu)控(kong)芯(xin)片(pian)的透(tou)射(she)測(ce)量。 (b) 損失(shi)機制(zhi)在固體/水/空氣(qi)界面(mian)示(shi)意圖(tu)。 (c) 各種(zhong)“T 形”結(jie)構和(he)不同入(ru)射(she)角(jiao)的透(tou)射(she)測(ce)量。T-1顯(xian)示(shi)出最(zui)佳性能。每(mei)個數據(ju)點代表三個測(ce)量值(zhi)的平(ping)均值(zhi)。

圖(tu)片

圖(tu)4. (a) 通過輸入(ru) 1.6 nM 量子點的各(ge)種光(guang)流(liu)控(kong)平(ping)臺的未(wei)校正(zheng)熒光發射(she)光譜(pu)。插(cha)圖(tu)為熒光溶液照片。光(guang)從右(you)向(xiang)左(zuo)傳(chuan)播。 (b) 集(ji)成(cheng)熒光信號隨著(zhe)量(liang)子濃(nong)度(du)從(cong) 0 增(zeng)加到(dao) 6.3 nM。每(mei)個數據(ju)點代表三個測(ce)量值(zhi)的平(ping)均值(zhi)。

該(gai)設(she)計(ji)被進壹(yi)步(bu)應(ying)用(yong)於熒光測(ce)量的CRISPR-病毒檢測(ce)。在熒光量測(ce)中，“T 形”結(jie)構的芯(xin)片(pian)有最佳的量(liang)測(ce)效能與(yu)預測(ce)結(jie)果壹(yi)致(zhi)。而在CRISPR系統(tong)中，目(mu)標DNA將與(yu)CRISPR-Cas12a結(jie)合並(bing)使(shi)單(dan)鏈(lian) DNA 探(tan)針(zhen)變性(xing)，致使(shi)散(san)布在(zai)溶液中的量(liang)子點將(jiang)不與(yu)單(dan)鏈 DNA 探(tan)針(zhen)結(jie)合。這些(xie)量子點可(ke)經過分化(hua)過程從上(shang)清液中取(qu)出並(bing)放(fang)入(ru)芯(xin)片(pian)中測(ce)量。該(gai)結(jie)果顯(xian)示(shi)團隊(dui)提出(chu)之(zhi)原(yuan)型(xing)設計(ji)能夠(gou)與(yu)CRISPR相(xiang)關檢測(ce)系統(tong)整合，甚或(huo)成(cheng)為生(sheng)物(wu)體內(nei)檢測(ce)相關(guan)裝(zhuang)置(zhi)原(yuan)型(xing)開發的參考。

圖(tu)片

圖(tu)5. (a) 規律間隔成(cheng)簇短回文重復(fu)序(xu)列(lie)(CRISPR) 與(yu)關(guan)聯蛋白(bai) (Cas) 結(jie)合用於(yu)簡單(dan)和(he)靈(ling)敏的核(he)酸檢測(ce)示(shi)意圖(tu)。 (b) DNA 目標(biao)為 0.1、1 和(he) 10 nM 的樣品(pin)的熒光強(qiang)度。陰(yin)性對照（無目標(biao)）標記為 NTC。每(mei)個數據(ju)點代表三個測(ce)量值(zhi)的平(ping)均值(zhi)。