（分析化学专业论文）纳米修饰pdms在微流控分析中的应用.pdf

摘要 摘要 本论文总结了近年来各种纳米结构的制作方法，在阳极氧化的基础上制备 多孔阳极氧化铝模板，用浇注该模板制得纳米结构修饰的p d m s 基片，研究了 纳米修饰p d m s 对细胞生长的影响，并用纳米结构微流控芯片对药物小分子进 行吸附富集，提高了分析检测的灵敏度。是将纳米技术与微流控分析技术相结 合的应用研究，具有较好的应用价值。 第一章论文总结了近年来兴起的一种简单，方便的微加工方法一模板法， 利用各种易得的具有纳米微结构的模板，来复制出纳米结构，并总结了近年来 纳米结构在微流控领域的应用。 第二章介绍了阳极氧化铝模板的制备方法，利用二次氧化的方法，制备出 多孔阳极氧化铝膜( a a o ) ，同时通过改变阳极氧化的时间，电压，温度，以及 电解液种类等实验条件，制得孔径大小不同的a a o 模板。并利用浇注法在聚二 甲基硅氧烷( p d m s ) 表面制作出纳米结构，借助扫描电子显微镜( s e m ) ，原 子力显微镜( a f m ) 等测试手段分析氧化铝膜和纳米修饰p d m s 的表面微观形 貌。 第三章研究了在纳米结构修饰的p d m s 表面，牙周膜成纤维细胞的生长状 况。其在治疗口腔疾病上扮演着重要的角色。但在常规的体外培养中成活率和 细胞活性较低，提高其生物活性将有对口腔疾病的治疗有重要的意义。用噻唑 蓝( m t t ) 细胞活性检验、细胞计数、r 啶橙碘化丙啶( a o p i ) 双染色法来 表征细胞特性。纳米修饰p d m s - 与单纯的p d m s 相比，从细胞的贴壁时间，以及 生长状态，成活率等方面进行对比，均起到提高生物活性的目的。 第四章在纳米结构修饰p d m s 的基础上，用简便方法制作出表面含有纳米结 构的p d m s 微流控芯片。以诺氟沙星位代表来验证纳米结构与药物小分子之间的 吸附、富集作用。与未做任何修饰的p d m s 芯片比较后，纳流控芯片内荧光信号 有很大的增强，表面的纳米结构使p d m s 的比表面积增大，为药物小分子的吸附 摘要 提供了更多的位点。这种微纳结合的微流控芯片将为药物的筛选提供一个简 单、便捷的分析工具。 单纯的物理修饰没有改材料的化学性质，物理修饰后的p d m s 对分析物没有 特异性的选择，可采用与化学修饰相结合的方法对p d m s 进行表面特异性的改 性，使p d m s 对分析分离的物质有选择性的吸附。同时可调节表面亲疏水性质， 使p d m s 对亲水性物质、疏水性物质、不同性质的蛋白质分子等都可以进行研究， 为微流控和生物学领域的交叉发展搭建良好的平台。 关键词：纳米结构；模板法；微流控芯片；细胞培养；荧光检测；表面修饰 i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys u m m a r i z e dm e t h o d si nt h ef a b r i c a t i o no fn a n o s t n l c t u r ef o r n a n o f l u i d i ca p p l i c a t i o n sd u r i n gt h el a s tf e wy e a r s f a b r i c a t et h ea n o d i ca l u m i n u m o x i d em o l db yt w o - s t e pa n o d i z a t i o n n a n o p a t t e r n e dp d m sw a sf a b r i c a t e dw i t h a n o d i z e da l u m i n u mo x i d e ( a a o ) m e m b r a n ea sat e m p l a t e t h en a n o - p d m sw a s u s e di n c e l lc u l t u r ef o rp e r i o d o n t a ll i g a m e n tf i b r o b l a s t ( p d l ) n o r f i o x a c i nw a su s e d a sad e m o n s t r a t i o nt os t u d yt h ei n t e r a c t i o no f d r u gm o l e c u l e sw i t ht h en a n om o d i f i e d p d m sc h i pa n di t se n r i c h m e n te f f e c t t h ep a p e rw a sc o m b i n e dm i c r o f l u i d i cc h i p w i t hn a n o t e c h n o l o g y , a n dh a da h i g ha p p l i c a t i o nv a l u e c h a p t e ro n ei n t r o d u c e sa na a of a b r i c a t e dm e t h o d ，a n dat w o s t e pa n o d i z a t i o n w a su s e dt of a b r i c a t et h ea n o d i ca l u m i n u mo x i d em o l d t h ea a o si n t e r p o r ed i s t a n c e a n dp o r ed i a m e t e rc a nb ee a s i l yc o n t r o l l e db ye x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ss u c ha st h e c o m p o s i t i o na n dc o n c e n t r a t i o no ft h ee l e c t r o l y t es o l u t i o n ，a n o d i z a t i o nt i m ea n d w o r k i n gt e m p e r a t u r e p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) w a sf a b r i c a t e dw i t ha n o d i z e d a l u m i n u mo x i d e ( a a o ) m e m b r a n ea sat e m p l a t et oc r e a t en a n o s t r u c t u r eo ni t ss u r f a c e t h em o r p h o l o g yo ft h en a n o - p d m sa n da a o t e m p l a t ew a so b s e r v e db ys e m ，a f m n a n o s t r u c t u r ef a b r i c a t e do np d m ss u r f a c e sh a saw i d er a n g eo fp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s t h en a n o - p d m sw a su s e d i nc e l lc u l t u r ef o rp e r i o d o n t a ll i g a m e n t f i b r o b l a s t ( p d l ) ，r e g e n e r a t i o no fw h i c hp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h et r e a t m e n to f p e r i o d o n t a ld i s e a s eb u ti sd i f f i c u l tt oc u l t u r eg e n e r a l l y f r o me x p e r i m e n t a lr e s u l t so f c e l lc o u n t i n g ，m t ta s s a ya n da o p is t a i n i n g ，p d m sw a sas u i t a b l em a t e r i a lf o rp d l c e l lg r o w i n g ；w h i l et h ec e l l sc u l t u r e do nn a n o - p d m sh a dm u c hah i g h e rp r o l i f e r a t i o n r a t e ，am o r es t r e t c h i n gm o r p h o l o g ya n dam u c hl e s sa p o p t o s i sr a t e ，w h i c hi n d i c a t e da h i g h e rm e t a b o l i ca c t i v i t yo ft h ec e l l sc o m p a r e dw i t ht h o s ec u l t u r e do np - p d m s n o r f l o x a c i nw a su s e da sad e m o n s t r a t i o nt o s t u d yt h ei n t e r a c t i o no fd r u g a b s t r a c t m o l e c u l e sw i t ht h en a n om o d i f i e dp d m sc h i pa n di t se n r i c h m e n te f f e c t c o m p a r e d w i t hm i c r o c h a n n e l sw i t h o u ti n n e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n ，t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yw a s g r e a t l ye n h a n c e d t h ei m p r o v e m e n tm a yc o m ef r o mt h eh i g hs u r f a c ea r e ao ft h e m o d i f i e ds u r f a c ew h i c hh a sm o r es i t e sf o rt h et a r g e tm o l e c u l e st oi n t e r a c tw i t h i ti s e x p e c t e dt h a ts u c had e v i c ec a nb eu s e df o rm i c r o f l u i d i cb i oa p p l i c a t i o n ss u c ha sd r u g s c r e e n i n g i tc a nt a k ef u r t h e rc h e m i c a lm o d i f i c a t i o nt oc h a n g et h ep d m ss u r f a c em o l e c u l a r s t r u c t u r e ，s ot h a tp d m sc o u l ds e l e c t i v ea d s o r bt a r g e tm o l e c u l e s t h r o u g hc h a n g i n g t h ep d m sh y d r o p h o b i cp r o p e r t y ，m a t t e r sl i k eh y d r o p h i l i cs u b s t a n c e s ，h y d r o p h o b i c s u b s t a n c e sa n dp r o t e i nm o l e c u l e sc a nb es t u d i e da n dp d m sc h i pa p p l i c a t i o n sc a nb e e x p a n d e d k e y w o r d s ：n a n o s t r u c t u r e ；t e m p l a t em e t h o d ；m i c r o f l u i d i cc h i p s ；c e l lc u l t u r e ； f l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n i v 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：声熬 签字日期：o 年弓月f 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解监姿太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 蓖氟、 签字日期： 力f 睥刁月fp 日 导师躲习酗导师签名： 蹈 签字日期：汐卜年弓月卜日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系，受国家知识产 权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利， 均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任 何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名7 琵乐、 日期：如f 。年 弓月l p e t 浙江人学硕，f ：学位论文 第一章绪论 摘要：近年来，在微流控芯片表面制作纳米结构的方法增多，纳流控芯片的概 念也逐渐引起人们的重视，本章着重总结了一种简单，方便的微加工方法一模 板法，利用各种方面易得的模板来制作纳米结构，并总结了近几年来在微流控 领域利用纳米结构在生物化学方面对各种生物分子进行分析分离上的一些应 用。 关键词：纳米结构；模板法；微纳流控芯片 1 1 引言 在芯片实验室系统中，微通道内流体流动现象得到了广泛的研究，如快速 高效的流体混合，热传输或者利用微芯片上各种结构单元实现对一些微量生物 样品的操控，这既降低了分析费用和贵重生物试剂的消耗，提高了分析效率， 也减少了对环境的污染。纳流控通常被定义为对在纳米结构内或其周围的流体 流动的应用和研究【1 1 ，而这些纳米结构只需至少一维处在纳米范围内即满足条 件，即尺寸在几纳米到几百纳米之间【2 1 。因此在微流控芯片的表面制作出纳米结 构，使流体在纳米表面相互作用，也称为纳流控芯片。纳流控在实际的应用中 有诸多优点如通道尺寸处在纳米级，在应用于芯片实验室时，可以进一步减少 反应时间、降低试剂的用量，从而降低成本；纳通道同微通道一样，可以将许 多通道组合在一片芯片上，实现高通量的检测，从而进行多种试样的同时检测； 由于纳流控系统中需要的试剂处于纳升甚至皮升级，因此可以应用于单分子或 者单细胞的检测【3 1 。在芯片实验室系统中，通道尺寸从微米降至纳米级，产生许 多特殊的流体现象，且由于蛋白质，d n a 等生物大分子的尺寸都处在纳米级， 因此纳流控与许多其它学科产生交叉，如生物学中的基因学、生理学；物理学 中流体力学、热力学、摩擦学；化学中的胶体化学、膜科学、高分子科学( d n a 、 浙江人学硕i ：学位论文 蛋白质的构象) 以及分离应用研究( 如色谱填料) 【1 1 。尽管纳流控的应用如此广泛， 但目前的发展还远远不能满足芯片实验室的需求。因此开发快速简单的纳流控 芯片加工技术具有十分重要的意义。 与微流控芯片相比，纳流控芯片对加工技术提出了更高的要求。目前国外 已有一些综述介绍了纳流控的研究进展，并对相应的加工技术进行了总结和展 望【1 。5 1 。纵观现有的各种纳米加工技术，有许多是从微加工技术改进而来，均有 其各自的优点和不足3 1 。其中应用最多的掩膜加工方法( b u l kn a n o m a c h i n i n g ) 【6 1 ， 首先在基片上通过光刻、刻蚀形成通道，然后用另一块盖片与其封合形成芯片； 这种方法原理简单，可用于复杂结构的制作；但制得的纳米通道易变形塌陷或 堵塞，且无论用何种材料，芯片的封合始终是一个难点；为了得到更小宽度的 通道，在这些方法中多使用精密的光刻技术，如电子束光刻( e l e c t r o n b e a m l i t h o g r a p h y ，e b l ) t m ，聚焦离子束光刻( f o c u s e d i o nb e a m ，f i b ) 9 , 1 0 1 ，质子束刻写 ( p r o t o nb e a mw r i t i n g ，p b w ) 1 1 - 1 3 】等，成本昂贵，且不适用于多维纳米通道的加工 制作。表面加工方法( s u r f a c en a n o m a c h i n i n g ) 1 4 也称牺牲层技术( s a c r i f i c i a ll a y e r t e c h n o l o g y ) ，是一种先形成闭合的芯片，然后除去牺牲层，在芯片中形成纳米通 道的加工技术；但这种方法步骤繁琐而且耗时，牺牲层的刻蚀时间通常达数小 时甚至数十小时。另外已报道的方法如纳米压印光刻方法( n a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h y ) 1 5 】，只能加工简单设计的芯片；掩埋通道技术( b u r i e d c h a n n e l t e c h n o l o g y ) 1 6 】制作复杂，且要用到气相沉积( c h e r n i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，c v o ) 真 空技术；化学机械抛光技术( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 1 7 】制作步骤较多，繁 琐耗时。这些加工技术在制作纳米结构时，可以根据所要分析研究的物质及需 要来制作相应尺寸、形态的纳米结构，使分析更有针对性。而且几种方法相结 合，可以取长补短，虽然繁琐也能满足分析的要求，但这样将使成本更高，因 此找到一种更简便、更低廉的方法来制作纳米通道将显得非常必要。 随着越来越多的无机纳米材料的出现，模板法应用于纳米结构的制作已越 来越广泛。在纳流控的纳通道制作中，模板法也逐渐被采用。模板法制作纳米 浙江大学硕l ：学位论文 结构以其简单的制作方式，低廉的制作成本在纳流控芯片的制作中得到越来越 广泛的应用。但是目前国内关于纳流控芯片的研究与国外相比还有很不足，关 于纳流控的进展总结的也还很少。本文主要叙述了近几年来纳流控中模板法制 作纳米通道的研究进展，主要是以氧化铝，硅材料，以及其它一些带有微通道 的物质为模板制作出纳米结构应用于纳流控。最后回顾了近几年间纳流控芯片 因其特殊的表面性质、纳米级的尺寸和特殊的电荷效应在流体力学，通道性能 的理论研究以及生物大分子的分离与检测方面等方面的研究。 1 2 模板法制作纳流控芯片 所谓模板法，即选用具有特定结构的物质作为模板，利用模板在空间上限 域和调控作用来引导纳米材料的制备合成与组装，从而把模板的结构复制到所 需要的产物中去。实现对纳米材料的组成、结构、形貌、尺寸等的控制，使制 备所得的纳米结构具备各种预期的性质【1 8 】。 模板法制作纳米结构制作方式简单，可以直接复制出模板的结构形态，无 需繁琐的加工步骤，在制作时也可避免使用一些在普通实验室难以普及的昂贵 仪器，有利于微纳流控的发展。同时由于不同的模板表面特性不同，便于表面 修饰，使纳流控的研究范围从流体拓展到整个通道。在发展之初因模板种类的 限制，模板法发展缓慢，随着纳米技术的快速发展，可利用的模板越来越多。 1 2 1 硅模板法 硅基纳米体系研究的基本理念，希望能够充分利用硅材料所拥有的上述传 统技术优势的基础上，将纳米材料的新功能与优势结合起来，设计并制造出高 度集成的硅基纳米器件【1 9 】。硅模板与纳流控的结合因其易封合、易制作、内外 表面易于修饰的特点，应用也越来越普遍，研究得越来越深入。 首先，采用由线成面的方法，由纳米线制作出纳米管。f a n 2 0 1 等在硅表面以 c v d 法用金作为催化剂在单晶硅表面制作出纳米线，然后以此纳米线为模板采 用多步氧化刻蚀的方法，制作出形态均匀一致，壁厚相同的硅纳米管，孔径为 2 0 n m ，由于高温氧化成型，具有不易变形，耐用的特点，可作为纳米通道应用 浙江火学硕j ：学位论文 于纳流控。g o l d b e r g e 一2 1 】等也用相似的方法利用氧化锌纳米线做模板，制作出 g a n 纳米管，由于硅基g a n 纳米管特殊的光学和化学性质以及透明的结构，可用 于制备发光二极管、晶体管等各种光电装置的元件，有利于纳流控与物理光学、 电学等学科的交叉研究，开发制作更为全面、更为微型的电化学检测设备，拓 展芯片实验室的应用范围。 其次，也有许多报道利用了硅的热氧化特性，自生长出不同形状的纳米结 构。w o l f r u m t 2 2 1 等在硅表面在湿条件下热氧化制得5 2 0i l l t i 厚的二氧化硅图形为模 板，再在其上面分别电子束蒸发t i ，a u ，c r 作为底部电极，然后再沉积铬牺牲 层，溅射2 0 0 n m - - 氧化硅，利用刻蚀液刻蚀二氧化硅保护层，制作顶部电极图形， 沉积金属电极，打孔，使上下金属电极导电，上下电极被溅射的二氧化硅隔离。 最后除去铬牺牲层，制作出纳米范围内的三电极体系，应用于纳流控系统，用 循环伏安法来检测儿茶酚结果显示电化学信号成数量级倍数的扩大。g a o t 2 3 】等用 阳极氧化硅芯片制作多孔硅，用h f - 乙醇溶液刻蚀，在硅片上涂上一层1 6c l t l 2 t e f l o n 单元作为后面刻蚀的模板，然后以此多孔硅为模型，在表面均匀甩涂一层 白明胶，用来检坝, i m m p 2 ( m a t r i xm e t a l l o p e p t i d a s e2 ) 中的白明胶酶，进而确定细 胞是否癌变，白明胶浓度越大，水解产物越多，进入纳米通道的水分越多，则 颜色越深，直至过量时颜色一直呈深黑色，在干燥条件下呈绿色，在湿润条件 下呈红色，而且随着浓度的增大，颜色逐渐变深，这里巧妙地利用了多孔硅的 光学性质。其它利用硅的热氧化的工作还有很多，如h a t t o r 【2 4 1 等利用硅的热氧化， 制作出双层纳米结构，应用于d n a i 均分离。p e a r s o n 2 5 】等利用e b l 技术在硅表面 成长出二氧化硅，做阻挡层，在干燥条件下利用毛细管作用和表面张力制作出 8 0 n m 宽的双通道。 也有许多研究利用多孔硅的单分散特性，制作出纳米孔，开展传感器、药 物筛选等方面的应用。如c h e n 2 6 】以单分散的硅晶体为模板制作三维有序的多孔 金膜电化学阻抗免疫传感器。首先在石英晶片上溅射2 0 0 n m 厚的金层，利用垂 直生长技术，在金表面自聚一层单分散硅，形成( 1 l1 ) 型紧密结合的晶体，在2 0 0 0 c 4 浙江火学顾i ：学位论文 氮气氛围下烧结纳米柱状晶体，消除机械张力，使硅层与硅层之间结合更紧密， 再化学沉积金层，然后用氢氟酸溶液溶解5 分钟后，就形成了高度有序，上下 贯通的孔阵列，若再在金表面进行一些化学修饰，可以作为生物传感材料。同 时因其具有较大的比表面积，在进行化学修饰时可对目标物质进行富集，使化 学活性和吸附能力增强，因此在电化学检测中有着较好的应用【2 7 1 。 1 2 2 氧化铝模板法 直流电压下，在酸性溶液中采用两步刻蚀法制作出的氧化铝( a a o ， a n o d i z e da l u m i n u mo x i d e ) 模板具有高度有序的纳米孔阵列，其孔径在5 - 2 0 0 n m 范围内可调控( 如图1 2 1 a ) ，是目前应用较多的模板。该方法可以采用不同的 阳极氧化条件和工艺条件来改变纳米孔的尺寸，间距，调节方式灵活简便，已 被应用于制作纳米管、纳米线等纳米结构。利用氧化铝模板，在纳流控中制备 高度有序的纳米结构，也已引起了人们的关注。 氧化铝模板被应用在高聚物和金属表面制作纳米微柱。c h e n 等【2 8 】利用多孔 阳极氧化铝做模板通过原位聚合浇注成型的方法，制作出高度有序的 p m m a ( p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) 纳米柱，由于通过改变实验条件，可改变氧化铝 模板孔径的大小、深度，所以可以控制微柱的直径范围。p u u k i l a i n e n 2 9 】等也用此 种方法在聚烯烃表面制作出高深宽比的纳米微柱，后又用其它的聚合物，如 c o c ( c y c l i co l e f i n sc o p o l y m e r ) 、p v c ( p o l y v i n y l c h l o r i d e ) ，浇注氧化铝膜，制得高 度有序的微柱，改变了聚合物的表面性能，具有超疏水性，使接触角变大，滑 移角变小。我们也同样用这种方法制作出p d m s ( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ) 微柱( 如图 1 2 1 b ) 。w u 3 0 】等也利用相似的方法，在硅基氧化铝膜上沉积n i 后，除去氧化 铝，制得磁性纳米结构。但目前还没有很好地实现纳米结构与微米通道的结合。 若能在微通道内利用这种方法制作出纳米微柱，将扩大通道内的表面积，利用 柱与柱之间的等距，非常适合于低含量物质的高通量分析。 图 2 - 1( a ) 高度有序的氧化铝模板( b ) 用p d m s 浇注后的纳米柱 j e e 】等用两步刻蚀法制作出a a o 膜，在多孔膜表面热沉积5 0 0 n m 厚的铝层， 再在铝层上甩涂a z l 5 1 2 光胶做阻挡层，把掩膜与其紧密贴合后，紫外曝光2 7 秒， 用氢氧化钠显影后图形转移到铝层上，用铝刻蚀剂除去铝层，再用湿浩刻蚀的 方法除去曝光部分的氧化铝膜的多孔结构结构，制得纳米通道，利用这种方法 可以根据掩膜的图形制做出不同形状的纳米通道。s c h m i t t 3 2 1 等利用氧化铝做模 板制作出纳米黑色脂质双分子膜。两步刻蚀法制作出氧化铝膜，用磷酸扩孔， 孔径为6 0 n m ，用氯化汞饱和洛液除去铝基底，在底部表面沉积2 5 r a n 的金，再用 d p p e t ( i ，2 一d i p a l m i t o y l s n g l y c e r o 一3 一p h o s p h o t h i o e t h a n 0 1 ) 对金沉积面进行功能化 修饰，经乙醇彻底清洗后，把疏水性的多孔样板垂直悬挂在t e f l o n 单元中，用于 进行阻抗分析和单通道记录。在多孔模板上滴入脂质溶剂，将会在孔道的表面 形成脂质双分子( 结构如图l2 2 ) ，在表面修饰了外膜蛋白o p m f ( o u t e r m e m b r a n e p r o t e i n ) ，可用束检测抗生素氨苄西林。 图12 - 2 在多孔材料表面滴八脂质溶剂，脂质溶剂自发形成脂质双分子层形成横跨在孔 与孔之间的薄膜 浙江人学硕上学位论文 l e e l 3 3 】等利用孔径和厚度分别为2 5 n m 和4 0 9 m 的氧化铝膜做模板，再用溶胶一 凝胶法在表面沉积硅纳米管( 厚度小于3 n m ) ，在硅内表面用醛类化合物修饰生成 硅烷，由于醛基极易与蛋白质中的氨基基团反应，这种方法制作出来的纳米管 就具有特殊的功能。如对映异构体的拆分一直是药物筛选的难题，由于手性的 蛋白质具有空间立体结构，在这种方法制作的硅纳米管的内表面修饰的醛基可 对蛋白质进行选择性的吸附，实现手性药物的分离。c r o u s e a 【3 4 】等将铝沉积在n s i 基片上，对铝进行阳极氧化，反应在铝与硅的界面终止。当采用p s i 时，由于再 高的电压，阳极氧化的溶液也不与p s i 反应，因此在沉积铝之前，沉积一层二氧 化硅，在氧化步骤时采用低电压，在硅与铝界面产生一层阻挡层，在阻挡层下 面有一些中空的部分，被铝间隔开来，这时升高温度，加大电压将会溶解附在 硅表面上的铝，阻挡层的几何形状将会转移到硅的表面，再采用湿法刻蚀的方 法，扩大孔的深度和宽度，最终在硅表面制得纳米通道。 1 2 3 其它模板法 在模板法制作纳米结构的材料中除了以硅材料和氧化铝膜作为模板外，近 几年又出现了一些其它的模板，呈现了不同的制作方式。主要有： ( 1 ) 玻璃模板法。e r v i n 等 3 5 】以玻璃毛细管为模板制作出纳米孔，采用氢焊 炬密封钠钙玻璃毛细管和p t 纳米线的末端，玻璃毛细管的末端采用冷却的方法抛 光，监测融化p t 和抛光表面的导电性，直到合适的p t 端面暴露出来后，电化学刻 蚀p t 端面直到绝缘玻璃表面产生纳米孔，未刻蚀完的p t 纳米线脱离绝缘玻璃时， 在玻璃薄膜表面造成单个的锥形孔，以此孔为模板在膜表面用高聚物修饰，使 c n 基团与溶剂接触，形成的c n 单分子层，可以阻止蛋白质的吸附，进行离子 选择性记录，而且改变了玻璃的表面性能，制作出功能性玻璃材料。z a u m s e i l 等【3 6 】利用带有图形的p d m s 芯片做模板，制作出具有二维的纳米通道芯片。首先 制作p d m s 模板，在模板上利用电子束蒸发的方法沉积金层；另外把g a a s 基片 清洗干净，除去氧化层，在辛硫醇溶液中浸泡1 2 h ，形成硫醇的单分子层；再利 用纳米转移技术将带有金层的p d m s 压印在附有硫醇的g a a s 基片上，由于硫醇 浙江人学硕i ：学位论文 和金形成的共价键作用比金层与p d m s 之间的范德华作用力强，金层就留在硫醇 单分子层上，并且形成与p d m s 图形同样的通道，用电感耦合等离子体刻蚀，形 成二维纳米通道。 ( 2 ) 胶体晶体模板法。胶体晶体( c o l l o i d a lc r y s t a l ) 是一种典型的有序胶体体 系，即单分散的胶体颗粒在胶体中形成长程有序的结构，常用的有聚乙烯胶体 和二氧化硅胶体。z e n g 3 7 】等制作的三维纳流控分子筛是利用聚苯乙烯胶体在 p d m s 微芯片通道内自组织形成，实现了微通道与纳通道的很好结合，可实现对 生物分子的分离，由于是以p d m s 芯片结构图形为模板，可制作出不同形态， 不同孔径的分子筛，实验结果证实可实现对蛋白质从只有1 0 n m 大小的分子的筛 选。 ( 3 ) 其它方法。m a r t i n 等【3 8 】以径迹刻蚀聚碳酸酯膜( t r a c ke t c hp o l y c a r b o n a t e m e m b r a n e ) 作为模板，使用化学镀的方法在膜表面沉积金层，制得金纳米通道膜， “等【3 9 1 制备了锥形的金纳米通道，在聚碳酸酯膜上进行化学刻蚀得到含锥形孔 道的膜，再采用m a r t i n 所用方法进行金的沉积，得到锥形的金纳米通道。对金 纳米通道的研究是模板法应用最充分的领域，采用不同的模板制作出金纳米通 道，应用在分析化学的不同方面。常规的刻蚀技术例如e b l ，n i l ，f i b ，r i e 直接制作纳米结构价格昂贵，往往利用这些方法制作出的纳米结构作为模板， 在高聚物表面压印出相似图形，从而实现多次利用，降低了成本。由于高聚物( 如 p d m s ，p m m a ) 具有透明、可塑性、可通气、制作简单等特性，在高聚物表面 刻蚀出纳米通道在纳流控中越来越普遍，这种模板压制方法制作出来的纳通道， 深宽比可控，结构形态可变，可应用于单分子的检测、生物传感器，化学分析、 医药诊断等方面。g u o 等【4 0 】用模板法制作出来的尺寸可控的纳米通道应用于 d n a 分子的拉伸，用荧光标记物标记d n a 分子，注入纳米通道中，观察在不 同深宽比的纳通道中，d n a 的拉伸程度，发现当深宽比为1 2 0 n m x 8 0 n m 时，d n a 的伸展长度可达到1 0 0 。l i a n g 4 1 】等也用这种制作方法，制作出具有( 1 1 5 0 ) n l l l 宽度，1 5c l t i 长的纳流控通道，用荧光标记的d n a 的拉伸、传输证明通道的连 浙江人学硕一l 学位论文 续性，为生物和化学传感器提供了一种新的制作方法。 综上所述，各种不同的模板法都有各自的特点。硅模板法材料易得，且制备工 艺较成熟，但制作不同的纳米结构时，一般需要与其它技术相结合，制作的过程 一般比较复杂。氧化铝模板法则因其本身高度有序的孔状结构，且制作方便，孔 径范围可调，是现在制作纳米结构的热点，但怎样将氧化铝模板的图形转移到芯 片上，实现纳米结构与微通道的结合，是目前需要重点研究的课题。其它的模板 法也在逐渐地引起人们的注意，转移它们自身的纳米结构到芯片中来，或者利用 它们自身的图形作为一个限制条件，制作出相似图形，这些都成为现在研究的热 点。期待更多的模板及加工方法出现在纳流控的制作中来丰富芯片实验室系统， 使纳流控在不同的领域中有更多的应用。 1 3 纳米结构在芯片实验室中的应用 根据分析物质的性质差异( 如尺寸大小、带电性质，亲水性和疏水性的差 异) ，以及纳米通道的特殊性能( 如尺寸大小，较大的比表面积，对生物大分子 的特殊作用，以及微通道与纳通道动电学差异等) ，纳流控广泛应用于生物大分 子的分离分析，以及一些生物样品的前处理。同时通过对纳通道中特殊现象的 机理研究，可以更好地控制流体，使纳流控在分析化学及相关领域中得到更全 面的发展。 1 3 1 根据电化学性质对物质进行检测或分离 t u m o r 4 2 , 4 3 , 4 4 1 等在1 9 9 5 年时就根据纳米膜的结构特点用电压控制离子流以 实现分子的分离。l i a n g 等【4 5 1 利用在纳通道中制作纳电极的方法，制作出一个即 时、无需标记的d n a 检测器。由于纳通道与d n a 的尺寸相近，当d n a 进入 纳通道时可避免d n a 的扭曲、折叠，因此可将长的纳通道作为拉伸d n a 的线， 以金属纳米阀( 只有9 n m ) 作检测器，当d n a 通过纳阀时，记录电传导率，在1 1 k b p 双螺旋结构通过通道时成功地检测到了电信号。由于在纳米通道中，在交流 电压和直流电压下，对生物大分子产生不同的作用，可以用来作为d n a 的流动 转向器，控制d n a 在通道内的流动方向。r i d m 等 4 6 1 在硅晶面上运用e b l 技术 9 浙江大学硕i ：学位论义 制作两维正交不对称的纳通道，通道直径8 0 n m 1 4 0 n m ，用r i e 方法刻蚀通道 表面，再用可熔硅盖片封合，当d n a 引入流路时，它呈直线的拉紧状态，由于 通道维度的不对称，在采用直流电压的情况下将会有一个优先的d n a 定位方向 和一个优先的传输方向，有趣的是在采用交流电压的条件下，定位的方向和传 输的方向将会扭转9 0 0 ，因此可用这种纳米结构来控制d n a 的流动方向，也可 在通道上修饰对d n a 有作用的物质，在不同的阶段对d n a 进行分析。又如， 由于0 c 一血溶素的中空结构，可使特定的生物大分子通过。g r i f f i t h s 4 7 1 等利用o c _ 血溶素制作蛋白质纳米孔，以脂质双分子层为模板，把仅一血溶素镶嵌在分子层 中，仅一血溶素的中空结构使分子层中含有两个空腔，可作为纳米孔传感器，应 用于离子、d n a 、和蛋白质的检测。 1 3 2 利用纳米结构的尺寸效应实现对生物分子的分离 由于纳米结构和通道的尺寸限制，使一些小的分子基团能通过，而一些大 分子基团被阻碍，从而实现混合物质的分离。h a t t o r i 2 4 】等利用硅材料在y 型微通 道中制作出有序的纳米微柱，使纳米柱列与列之间的距离大于同列中柱与柱之 间的距离，使所要的尺寸较大的d n a 分子只能从柱间距较大的方向流出，从而 实现了其与小d n a 分子和碎片的分离；在不同的出口连接不同的检测器便于检 测；而柱与柱之间的距离可以根据所要分离的分子大小来制作。k i m 4 8 】等利用两 步刻蚀法，制作出微纳米结合的纳流控装置，作用于含有不同物质的分析物， 利用官能团化微管实现了对分析物的分离和富集。如图3 所示目标分子在电渗 流的作用下，应向负极移动，但在电泳的作用下官能团化微管向正极移动，其 它生物分子则向负极移动，目标分子与官能团化微管相结合，电泳作用大于电 渗流作用，目标分子向纳通道方向移动，与其它生物分子实现了分离；又由于 官能团化微管分子较大，通不过纳通道，因此能够富集，从而同步实现了目标 分子的分离与富集。纳流控在单分子检测上也具有较大的潜力，m i a o 4 9 】等利用 扫描同轴电纺的方法，以润滑油为芯，二氧化硅溶胶凝胶做核，制作出内径2 0n n l 的纳米通道，与另一硅片进行封合；利用毛细管压力注入荧光燃料，通过检测 l o 浙江人学硕i ：学位论文 碘乙酰胺荧光素的原子信号进行单分子检测，使单分子检测成为现实。 a 蝌： n 岛c e n t r a 哳_ 一臻一代罄乒 t a r g e tb i o m o l e c u l e s 彩n o n t a r g e tb i o m o l e c u l e a 程l 翟戮；f u n c l l o i i z e dm k m 佃b u l e s ( m t ) 臼 e o f h + 目 图1 3 1 纳米通道左边为被分析对象包括目标分子，非目标分子，官能团修饰微管的混合物； 纳米通道右边充满缓冲溶液；官能团修饰微管能够键合特殊的目标分子，在电场的作用下 实现分离4 3 】 1 3 3 利用纳米通道的特殊性能实现对流体的控制 由于通道从宏观尺度进入纳米尺寸，在流体流经通道表面时将产生一些特 殊的性质。w a n g 5 0 】等利用纳米通道的双电子层效应，在微流控局部小区域内加 工成4 0 n m 深的纳过滤器作为离子选择性膜，利用电动富集蛋白、多肽，富集效 率达到1 0 6 1 0 8 。l e e 5 1 】等也利用纳米结构对蛋白质进行富集，比一些化学分析仪 器( 如质谱) 需要的样品量更低。d a i g u j i 5 2 】等研究了在纳米通道中离子传输的一 些特殊现象，得出3 0 n m 直径，5 1 x m 长的通道中，当通道的直径小于德拜长度时， 在纳米管内将产生带相反电荷的单极溶液。溶液中共存离子依靠静电驱动，当 通过栅电极局部改变电荷密度时，在栅下面离子浓度减少，离子流将会被显著 的抑制，这种现象可作为单极离子场效应晶体管的基础。k i m 5 2 】等制作出微纳米 混合器，根据动电学差异产生的不平衡现象使溶液在微纳通道的界面上产生巨 浙江人学硕i ：学位论文 大涡流，加速溶液混合，在1 5 0 m s l 8 使荧光物质混合均匀，通过实验观察到低电 压下，有利于溶液的混合。 1 3 4 利用生物材料表面的纳米结构在细胞培养上的应用 纳米拓扑学结构对细胞生长的影响是一个新兴起的领域，而生物分析与微 流控系统进一步整合而成的多功能基础生物学平台，将会深入地推进细胞和组 织，细胞传感器，生物及环境学的研究，纳米结构独特的小尺寸效应是他在生 物学研究中最为有利的工具，纳米结构一起独特的三维空间结构，对细胞的生 长有着较大的影响，为开发具有生物识别性的材料具有重要的意义。d a l b y l 5 4 】等 利用聚苯乙烯和聚溴代苯乙烯混合物的共聚，在聚合物表面产生的岛状纳米结 构，并利用不同纳米尺寸的结构用来培养成纤维细胞，通过调控纳米结构的大 小能够增加和减小细胞的伸展和增殖率。当纳米结构尺寸在1 3 n m 时，细胞伸展 面积达到最大，9 5 n m 时细胞伸展面积最小，细胞的丝状伪足随着纳米结构尺寸 的增大，与岛状纳米结构的相互作用也相应的增加。a n d e r s s o n 【5 5 】的纳米结构对 上皮细胞和细胞活素的影响，当细胞在半圆形纳米结构表面和步进阶梯状表面 培养是，细胞的增殖率比在平滑表面降低，且呈现较低的伸展状态，分散性较 大。而当细胞在沟槽状的纳米结构表面是，细胞呈现出较好的生长状态，实验 结果为内皮细胞的培养和细胞活素产生提供了一个良好的依据。f e r r a z 【5 6 1 等考察 了在不同孔径的生物材料阳极氧化铝表面进行细胞培养时，细胞的吸附和细胞 活性的不同。主要观察细胞形态，细胞碎片的产生，以及蛋白的表达和甲状腺 球蛋白的产生。结果发现在孔径为2 0 0 n m 的氧化铝表面e l 2 0 n m 氧化铝表面的细 胞碎片更少，而碎片的产生于细胞成长的活性有很大的关系的，细胞碎片较多 时，细胞的活性明显降低，接近凋亡状态，实验结果证是了纳米结构对生物分 子以及细胞都有很中要的影响，为研究开发新的生物材料提供了一个好的实验 依据。 1 4 小结 因为多数模板不仅可以方便地合成，同时还可以解决纳米材料的尺寸与形 浙江大学颂i ：学位论文 状控制及分散稳定性等问题1 5 7 l ，