微流控芯片制作荧光纳米材料

1.    荧光纳米材料

随着纳米技术的进步，荧光纳米材料逐渐用于分子级别的可视化分析，显著推动了生物学和医学研究的深入。为了拓展荧光纳米材料在离子检测、生物传感和信号传导等领域的应用，研发制备质量稳定、性能优良的材料至关重要。

在临床应用中，纳米材料粒径的均一性非常重要，不同粒径颗粒在生物体内的输送速度和运输机制不同，可能会被多个部位吸收，从而影响成像效果。研究表明，微流控技术可以制备形貌特定、尺寸均一且性能优越的荧光纳米材料。

2.    微流控合成系统分类

微流控技术通过精细加工在芯片或管道内构建特定微通道结构，实现流体在微尺度上的物理或化学反应，并将合成、修饰、分离等步骤集成于微小平台上。

近年来，光、电、磁等新型能量技术的进步，推动了光激发（紫外、红外、可见光）微反应器、电化学微反应器、等离子体微反应器等先进微反应结构的出现。这些能量耦合方式及微反应器的特征结构对荧光纳米材料的制备至关重要。

目前，微流控反应器按结构分类为芯片微反应器和通道微反应器（包括管式和离心式微反应器）。芯片微反应器中，传质过程主要依赖扩散，而管式和离心式微反应器的传质过程则受流体动能和流动耗散率的影响。

1)    芯片微反应器

基于普通毛细管电泳的原理和技术，通过微纳加工技术可以在硅片、玻璃片、石英片或高分子聚合物基材上构建各种微细结构，如通道和反应槽等功能单元，形成芯片微反应器。

根据流体的流动方式，芯片微反应器可分为三类：单相层流装置、多相分段流装置和基于液滴的流动装置。

a)    单相层流装置

当两股互溶流体以层流状态并行流动并发生反应时，传质过程主要依靠扩散，在垂直于流动方向上形成由高到低的浓度梯度，且浓度梯度随流动距离的增加而减小。

基于连续层流的微流控装置易于设计、操作和放大，已成功应用于药物筛选、无膜电池制备、分离分析及细胞生物学研究等领域。

b)    多相分段流微流控装置

多相分段流指的是两种互不相溶的流体在通道中平行流动，由于物理性质的差异，两相之间会形成连续液膜。与单相层流相比，多相流体的流动状态更加复杂，不仅受溶液密度、粘度等物性影响，还与流体之间的相互作用力有关。

在单相层流装置中，系统相对静态，传质过程主要受扩散控制；而多相反应可通过加入与试剂互不相溶的载液将试剂隔离，迅速形成不同条件的液段。

目前，多相分段流体主要分为液-液和气-液两种类型。

液-液分段中，离散液滴在纳升尺度上被不相溶的惰性载液包裹，以有规律的间距进行流动；

气-液分段通过离散气泡分隔液体，限制液体段中的反应，内部循环促进材料从通道壁向液体中心的转移，实现高效的对流混合和热质传递。

c)    基于液滴流动的微流控装置

微芯片液滴技术是微流控技术的重要分支，它通过调节流动剪切力或表面张力，将两种互不相溶的流体中的离散相分割成纳升尺度的微液滴。

该技术具有独特优势：微液滴占用空间小，反应物被限制在液滴内部，加快了传质速率；反应时间精确可控，操作灵活；每个液滴相当于一个独立的反应器，显著减少试剂对芯片通道的污染。根据液滴的生成方式，该技术可分为T型结构法、流动聚焦法和同轴流动共聚焦法。

2)    管式微反应器

管式微反应器相比芯片微反应器结构更为简单，易于搭建，各模块间可灵活组装，不仅提高了处理通量，还推动了微流控系统向自动化、集成化和功能化方向发展。

配备微混合器或混合区的管式反应器已被用于合成多种纳米材料，其混合性能优于芯片反应器，流动模式稳定且不易结垢，但在反应精度和可控性方面则不如芯片微反应器。

3)    离心式微反应器

大多数芯片和管式微反应器在工作时是静止的，通过流体运动或外界能量输入来驱动反应。而基于离心力驱动的微反应器则依靠微电机的圆周运动产生的离心力作为液体的驱动力。相比其他驱动方式，这种方法具有加工方便、驱动多种流体、流动无脉动、易于实现高通量分析等优势。

3.    微流控制备荧光纳米材料举例

a)    半导体纳米颗粒

半导体量子点作为一种荧光纳米材料，发射波长从紫外到近红外，广泛应用于生物成像、发光二极管（LED）和新型显示器等领域。微流控技术已经实现了多种半导体量子点的连续可控合成。

b)    碳点

碳点（CDs）是由碳核和碳壳组成的零维纳米碳材料，基于sp²-sp³杂化结构，具有与半导体纳米颗粒相似的尺寸和荧光性能，但生物毒性较低，更适合用于细胞成像、疾病监测和诊疗等领域。

c)    钙钛矿纳米颗粒

钙钛矿纳米颗粒是一种新型的光电材料，其结构通式为ABX₃，通常A为CH₃NH₃⁺、HC‐(NH₂）₂⁺或Cs⁺，B为Pb²⁺、Sn²⁺、Mn²⁺等，X为Cl^–、Br^–、I^–。这些荧光材料具有高吸收系数、高载流子迁移率和低陷阱密度，在光伏电池、LED和激光器等领域备受关注。

d)    稀土掺杂纳米颗粒

稀土元素包括钪（Sc）、钇（Y）及15个镧系元素，因其丰富的4f能级结构，能够提供从紫外到近红外范围的光发射光谱，具有较长的荧光寿命，在发光领域应用广泛。

e)    金属及氧化物复合纳米材料

金属纳米材料是指至少有一维在纳米尺度或由这些结构单元构成的材料，结合了纳米材料的独特性能和金属的物化特性，在电极表面改性和离子检测等领域有广泛应用。