基于微流控技术的功能型量子点的合成及应用

发布时间：2020-07-15 20:43

【摘要】：随着当今自然科学和工程技术的快速发展,科学家们研究的对象越来越趋近于小型微观化,其中微流控技术就为实验操作的微小化提供了可能。微流控芯片又称为“芯片实验室(Lab on a chip)”,是微机电加工技术(MEMS)的一个典型应用。微流控芯片是通过在石英、硅、玻璃或高分子聚合物等基质上加工出微米量级的通道、泵、反应器、电极等功能单元而得到的,并通过物理化学的相关理论,实现物理化学领域所涉及样品的反应、纯化、萃取、分离、检测等一系列功能。微流控芯片实验方法与传统实验室方法相比具有所占空间小、试剂用量少、反应时无气体污染、反应分析速度快、集成度高、自动化程度高及工作效率高等优点,现已成为物理,化学和生物等领域的一种被普遍研究应用的前沿实验分析方法。应用微流控芯片制备纳米材料是微流控芯片应用的一个重要研究方向。量子点(Quantum Dots,QDs)作为一种新型半导体纳米材料,是纳米生物光子学研究中一个重要的研究工具。量子点因其与传统有机荧光染料相比具有激发光谱宽,发射光谱窄且可调、荧光量子产率高、光化学稳定性高及表面易被修饰等优点,被视为是一种具有广泛应用前景的荧光信号探针材料。但由于传统的多步合成方法存在所用离子溶液浓度分布不均匀、溶液间混合效率低、反应器中温度不均匀且控制性差等缺点,无法得到重复性高、高质量的量子点材料。因此,本论文应用微流控芯片对二元CdTe和三元CuInS2量子点材料进行制备,通过微流控芯片对反应浓度、温度和混合过程进行精确控制,得到优于传统实验方法制得的量子点材料,并利用生物分子对其进行表面修饰,实现了对体外肝癌细胞和胰腺癌细胞和体内肿瘤的靶向荧光标记。本文的主要研究内容如下:1、构建应用于量子点合成的微流控芯片平台从设计,模拟仿真和制作等方面详细介绍了本论文中用于量子点合成的微流控芯片。概述了微流控芯片制作工艺的发展现状,并对相关材料的优劣势进行了对比。详细介绍了微流控芯片仿真模拟的相关理论,并通过相应理论,应用COMSOL多物理场仿真模拟软件对CdTe合成过程中微流通道所涉及到的变量参数进行了模拟研究。同时,对本论文所应用的微流控芯片的制作过程进行了详细叙述,并对基于PDMS的微流控芯片的制作工艺进行了优化,得到了制作工艺简单且可重复使用率高的微流控芯片。2、应用微流控芯片制备的生物功能型二元量子点材料及其应用应用微流控芯片通过“一步合成法”合成了牛血清蛋白(BSA)修饰的CdTe量子点。首先,应用COMSOL多物理场有限元分析法中的层流模块去设计和优化用于水性量子点合成的微流控反应通道参数(如反应温度,通道宽度和长度)。通过紫外可见分光光度计(UV-Vis Abs),荧光光谱仪(PL),傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR))和琼脂糖凝胶电泳对所制备的BSA-QDs进行表征分析,与传统方法制备的BSA-QDs胶体进行对比研究后得出,应用微流控方法制备量子点的效率高,所得到量子点的光化学性质和生物分子的结合效率要优于应用传统方法制得的。同时在生物应用方面进行了扩展研究,应用“一步合成法”制备了叶酸(Folic acids,FA)表面功能化的CdTe量子点材料。最后利用制得的生物功能型量子点材料对巨噬细胞和胰腺癌细胞进行生物荧光成像与靶向标记的研究,实现了小鼠体内的荧光成像,同时通过病理分析得出此量子点材料对小鼠的健康没有造成影响。3、应用微流控芯片制备的生物功能型三元量子点材料及其应用首次提出对微流控芯片进行合理组合后,通过“一步合成法”制备出CuInS2,CuInS2/ZnS及dBSA-CuInS2/ZnS量子点材料,之后利用生物分子对dBSA-CuInS2/ZnS量子点进行表面修饰。dBSA-CuIn S2/ZnS量子点的发射波段位于近红外,这决定了该材料能够成功应用于细胞荧光成像。通过对dBSA-CuInS2/ZnS量子点的表征分析,得出选用dBSA(denatured BSA,变质的牛血清白蛋白)作为量子点材料最外层的稳定剂可以提高其量子产率及与其他生物分子的结合效率。最后用叶酸(Folic Acid,FA)和透明质酸(Hyaluronic Acid,HA)分别对量子点进行表面修饰,实现了对胰腺癌细胞和肝癌细胞的特异性识别功能。这为应用微流控芯片合成的生物功能型量子点材料未来更好的应用于临床提供了有利的理论和实验依据。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492;O471.1
【图文】：

10）同时由于微流控芯片具有很高的平行性，可以实现多个或者高集成化的多通道多平台平行操作，提高了对于新物质，细胞筛选以及药物筛选的研究效率，并降低了研究成本。由于以上这些优点在过去的 10 多年中，微流控芯片作为微反应器在纳米材料的发展中起到了关键的作用。最早在 2002 年，英国帝国理工学院 Andrew J. deMello 实验组第一次提出应用微流控芯片合成 CdS 量子点材料[17]。在此之后越来越多实验研究组开始应用此项技术去研究合成各种量子点或者其他纳米材料。2003 年，美国加州伯克利大学的 A. Paul Alivisatos 的研究组应用微流控反应器进行了尺寸可控的 CdSe 量子点的合成研究。如图 1.1 所示，为他们所设计的微流通道和通过改变温度得到不同粒径纳米颗粒的荧光光谱[18]。

图 1.2 液滴型微流控芯片的设计和通道中液体流速对液滴产生大小的影响2007 年，美国桑迪亚国家实验室的 T. A. Michalske 小组在发表于 Lab on a ch的文章中通过对 CdS 纳米材料的合成，对通过双相汇合这种方式合成纳米材溶液混合时的状态做了详细的介绍与理论分析[21]。

图 1.4 （a）为 Andrew J. deMello 研究组应用于合成 IV VI 半导体纳米晶体的微流控装置示意图[25]（b）Fe3O4磁性纳米材料在微流控芯片中合成的状态[26]另外在 2005 年，J.Wagner[27]等人应用恒流微流控芯片直接通过氯金酸盐和还原剂合成了粒径在 5-50nm 的金纳米颗粒。经过对实验参数的优化获得了比传统实验方法要强两倍的小粒径分布。2013 年，Catherine J. Murphy[28]等人应用简单的微流控装置和方法制备出了不同形状和大小的金纳米颗粒，为今后金纳米颗粒量产和市场化提供了可能。装置如图 1.5 所示。

本文编号：2756989