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吴黄Cheng-Chun明刀、刀梁Jiashing Yu Po-Jen Shih, Wen-Pin施, ”铁(III)的制造和应用氧化物纳米颗粒/聚二甲硅氧烷复合锥在微流体通道”,《纳米材料, 卷。2012年, 文章的ID986454年, 10 页面, 2012年。 https://doi.org/10.1155/2012/986454
铁(III)的制造和应用氧化物纳米颗粒/聚二甲硅氧烷复合锥在微流体通道
Cheng-Chun黄,1 明刀吴,1 刀梁,1 Jiashing余,2 Po-Jen施,3 和 Wen-Pin施
1
1国立台湾大学机械工程系,10617年台北,台湾
2国立台湾大学化学工程系,10617年台北,台湾
3国立大学土木与环境工程系,高雄,高雄81148年,台湾
文摘
本文提出了铁(III)的制造和应用氧化物纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷(PDMS)锥作为组件集成在芯片上的实验室。这个组件的两个主要功能是捕获磁微磁微观流体和混合两层流液体产生干扰。铁(III)氧化物纳米颗粒/ PDMS锥是自动分配和磁塑造臆造出来的。300年连续三锥μ米在高度不对称地放置在2毫米的微通道宽度和高度1.1毫米。流传递锥Renolds数量低于有效地重新分配。Streptavidin-coated磁性微磁与生物素被成功注定被复合锥荧光显微镜下检查。制造复合锥的工艺参数。微通道的装配式锥可以应用在芯片上的实验室在未来生物测定。
1。介绍
微流体装置应用于化学和生物过程研究引起了越来越多的关注由于通用的低制造成本等优势,反应时间短,试剂消耗低。然而,微通道的层流流动的特点使它很难把两个单独的流流混合。许多混合方法已报告提高混合效率。混乱的一个流行的混合方法是生成平流利用特定的微通道的几何结构,如交错人字形图案在通道表面(1,2),三角波沿着通道侧墙的结构障碍(3),和螺旋式微通道4]。此外,PDMS多层微流控芯片三维配置已经制作简单地进行混合工作(5]。
磁珠是很受欢迎的生物操纵运营商在微流控系统的应用磁场。特别是bioanalytic过程,如分离、捕获和识别(6- - - - - -9利用磁珠)可以进行集成。在先前的研究10- - - - - -13),从外部磁场应用的设备与永久磁铁。如果产生的磁场可以在指定的地点在一个微通道,外部磁铁,因此就不需要设备将更加容易实现。
在这篇文章中,我们制造一个磁性纳米粒子/聚二甲基硅氧烷(PDMS) microcone混合液体在微流控芯片由于其三维非对称形状。装配式microcone也可以用来捕获磁珠以其内在的魅力。
2。设计和试验
图1描述了微流控芯片的设计由三个有机玻璃(PMMA)层。微流控芯片具有两个入口孔允许两种不同液体进入微通道,然后遇到micro-cone。收集到的液体可以在缓冲罐,然后通过出口孔流出。有四个定位孔在每个PMMA层精确装配的微流控芯片。
图2说明了提出的micro-cone微流控芯片的功能。让第一个流体在微通道包含粒子,不具有磁性,和颗粒C附加磁珠。第二个流体仅包含粒子B micro-cone提出独立的粒子从颗粒C B,然后混合粒子与粒子在一起。在流体通过micro-cone之前,他们是在微通道层流流动。颗粒C将被micro-cone由于磁力当第一个流体通过micro-cone。micro-cone之外,第一和第二流体可能是由于湍流混合造成的锥形状。因此,粒子A和B可以互动。捕获的粒子C micro-cone和粒子的混合物A和B可以通用的应用程序的芯片上的实验室分析。应该注意的是,提出的位置micro-cone必须偏离中央的微通道增强搅拌效果。在我们的设计中,倾斜距离是微通道宽度的10%。
3所示。制造
图3制作微流控芯片的过程细节。它是由三个PMMA层。所有的层都使用有限公司加工2激光。每一层是由散装PMMA板1毫米的厚度。组装的微流控芯片,双方的中间层是50的涂胶μ米厚度(图3(一个))。因此,微通道的总深度为1.1毫米,宽度是2毫米。
(一)
(b)
(c)
(d)
制造micro-cone, PDMS预聚物和固化剂10:1重量比准备,然后铁(III)氧化物纳米颗粒分散和混合彻底的PDMS 10分钟使用正则搅拌机。然后放入真空室混合物进行脱气。铁(III)氧化物纳米粒子(544884 - 5 g的沙粒铁(III)氧化,SIGMA-ALDRICH)主要由gamma-form菲2O3展品超顺磁的行为(14- - - - - -17]。纳米颗粒的平均直径是50 nm。脱气后,纳米粒子/ PDMS复合涌入一个注射器,然后再次进行脱气过程。自动分配器用于挤出纳米颗粒/ PDMS复合微通道。在调剂过程中,纳米颗粒的初始部分/ PDMS复合忽视以获得每一滴的恒定体积。参考板的面积定义放在样品阶段调整分发器(数字4和5)。因此,注射器针头可以精确地放置在指定区域。完成对齐后,参考板取代了微流控芯片的底层。然后一滴纳米颗粒/ PDMS复合分发到底层(见图3 (b))。调剂压力为0.25 MPa。调剂纳米颗粒/ PDMS复合后,永久磁铁放置复合(图上面3 (c))。组合成为一个锥形状由于外部磁场。锥是治愈30分钟的70°C。制造环境是在23°C和71%相对湿度。锥后治愈,微流控芯片的三层(图组装在一起3 (d))。
有两个设置,以促进制造过程。一个是自动分配系统(图4),另一个是磁平台生成的锥形状组合(图5)。自动分配系统由一个自动售货机(sr - 330 d),两个CCD摄像机和一个样品阶段。分发器是用于挤出铁(III)氧化物纳米颗粒/ PDMS复合材料。它与50三轴运动特性μm分辨率和一个控制器调整分配压力和持续时间。两个CCD摄像机帮助对齐的注射器针头衬底和监控分配过程。样品阶段是用来取代基质。磁平台包括一个垂直操作阶段,永久磁铁,CCD相机、光源、样品阶段,和热板。永久磁铁与垂直操作阶段10纳米的分辨率。的高分辨率处理阶段需要精细调整底部的磁铁之间的距离和衬底表面。CCD相机是用于监控的变形未硫化的纳米颗粒/ PDMS复合。还有一个样品对准阶段这是放置在热板,以便对齐在固化过程中不会相同。
纳米粒子的复合材料具有不同的重量比例添加到评估的PDMS制作参数。重量比预聚物:固化剂:铁(III)氧化物纳米颗粒= 40:4:1,40:4:3、40:4:5,分别。因此,复合的纳米颗粒的重量比率是2.22%,6.38%,和10.20%,分别。不同的磁场控制的距离(从底部的磁铁)应用到衬底表面。相应的磁场变异衬底和磁铁之间的距离用特斯拉计(tm - 701, KANETEC有限公司)。结果总结在表1。
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4所示。结果
滴的大小可以控制的注射器针头的直径,调剂压力和分配时间。不锈钢注射器针头其内径是0.15毫米,外直径是0.3毫米。调剂压力固定在0.25 MPa。图6显示了PDMS滴没有纳米颗粒在不同的图像分配时间5,7.5,10 s。液滴大小的变化在同一分配参数不明显前后纳米粒子添加到PDMS。这个参数研究进行获取理想的液滴直径(d)和高度(h)通过控制分配时间。由于微通道的高度是1.1毫米,最初的高度PDMS滴应该相对较小。所有的初始高度PDMS滴在我们的测试中,使用不同的分配时间小于1.1毫米,如图7(一)。平均身高是,),,毫米的7.5、5、10 s,分别。以来,在本设计中,通道宽度是2毫米和倾斜距离锥中心微通道的中央线是0.2毫米,PDMS液滴的直径应小于1.6毫米。获得锥直径图所示7 (b)。平均直径是,,,毫米的,10 s,分别。因此,最优分配时间是5 s在这个测试。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
为每一个参数在表1锥形成的图像捕获每5在60年代。2.22%的重量比为1.0毫米磁高度,6.38%的重量比与1.25毫米磁高度,和10.2%的重量比1.5毫米磁高度,纳米颗粒/ PDMS水滴立即停了下来,接触磁铁。因此,锥形成这三个特定的图像样本捕获每个1 s。图8(一个)显示了高度的增加(液滴的变形过程时间的函数。所有的数据在图8(一个)是样品的磁性纳米粒子与10.20%的高度1.5毫米,1.75毫米,2.0毫米,分别。相同的过程时间,高度增加更大的低磁高度。图的误差8(一个)代表标准偏差从五个样品。偏差是由于磁铁之间的垂直和水平对齐和液滴的中心。的非分散纳米颗粒未硫化的PDMS也可能影响锥形成的可重复性。
(一)
(b)
图的插图8(一个)显示了高度增加液滴形变的磁1.5毫米的高度。五个样品停和达到的磁铁在流程时间11日,12日,19日,20日和23个年代,分别。因为磁铁是非常接近滴,磁力强磁高度和敏感。初始液滴的变化会显著偏离的过程时间滴到磁铁。与1.5毫米的高度增加液滴磁高度和纳米颗粒的重量比率为2.22%,6.38%,和10.20%,分别如图所示8 (b)。高度增加更大更高的重量比的纳米颗粒。表2显示了高度增加加工时间的30岁,40岁,50和60年代,分别。高度增加的演变与样本的增加过程时间1.5毫米高度和2.22%的磁性纳米颗粒接近,在1.75毫米高度和10.2%的磁性纳米颗粒。
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1.75毫米的磁高度图8(一个)和6.83%的纳米颗粒在图8 (b)曲线的斜率变化分段的方式与过程。在应用磁场,斜率是陡峭的过程时间从0到5 s在图8(一个)斜率,而变得越来越小的过程时间5 ~ 25。图9(a)展示了制作微流控芯片,和图9(b)显示了微通道的横截面图像。纳米粒子/ PDMS锥成功制作微通道。micro-cone的高度是300μ米,倾斜距离中央线是0.3毫米。
5。讨论
方法形成的圆锥形状纳米颗粒/ PDMS综合利用未硫化的PDMS变形的结果被纳米粒子。铁(III)氧化物纳米粒子可以永久磁铁所吸引。他们混合在PDMS包围缠绕聚合物链。像上面的磁性纳米颗粒受到磁场的吸引,他们将向上移动和携带PDMS在一起。因为磁场的分布是双曲(图10()),纳米颗粒的中心/ PDMS复合受到一个相对强大的磁力。相反,复合的边缘受到磁力较弱。因此,纳米颗粒/ PDMS锥。
应用磁场时,纳米颗粒在复合开始聚集,形成辐射线锥表面(图10(b))18]。有更多的纳米粒子聚集的尖锥相比,边缘地区。因此,在锥尖深点的颜色。纳米粒子/ PDMS复合前治愈,纳米颗粒可以在PDMS移动。一旦PDMS治愈,纳米颗粒不能动了。这导致梯度磁场由于纳米颗粒的不均匀分布。最初,在PDMS纳米颗粒分布均匀。然后滴上的磁场吸引更接近液滴表面的纳米粒子。这些纳米颗粒向上移动,导致PDMS变形如图(11日)。纳米粒子的动量,使PDMS迅速变形,因此,初始斜率图8(一个)是陡峭的。当磁力和恢复力的聚合物链达到瞬态平衡,变形的速度变得缓慢,如图11 (b)。尽管它是在平衡在图5 s8(一个),高度增加减少磁铁之间的距离和液滴的顶部。因此,磁力施加在接近液滴表面的纳米颗粒增加。然而,纳米粒子不足以引起PDMS的快速变形。因此斜率变得越来越小的加工时间在5 ~ 25秒。由于液滴的顶部是受到一个相对强大的磁力,纳米粒子的表面液滴内部的部分将逐步积累的液滴,中心的下降,如图11 (c)。当纳米粒子是充分的和液滴达到相应的高度,液滴变形变得更加快速的过程时间在25 ~ 30年代在图8(一个)。滴的纳米颗粒继续前进,因此,PDMS液滴的变形集中在顶部,直到锥形状。纳米颗粒在PDMS越多,强磁性治愈锥。然而,较短的磁磁铁高度将导致锥联系。6.38%的1.5毫米磁性纳米粒子与高度最优参数在这项研究中使用,因此在接下来的微流控芯片的制造。
(一)
(b)
(c)
图12显示了10.2%的纳米颗粒的变形过程(0)10,20年代在图8(一个)。第一组图片(数字12(一个)- - - - - -12 (c))表明,磁高度是1.5毫米的锥形成迅速在过程的时间在20年代,但它是不稳定的。这个过程时间超出20年代图8(一个)micro-cone将接触磁铁,然后打入两部分,如(图所示12 (j))。的较小部分复合与磁铁,而大部分仍在衬底,如图12 (k)。磁高度1.75毫米的处理图像数据所示12 (d)- - - - - -12 (f)。锥正逐渐形成,但不能清楚地观察到的过程时间短于20年代。磁高度2.0毫米的处理图像数据所示12 (g)- - - - - -12(我)。复合几乎在这个磁场高度变形,因为磁力不足以克服聚合物链的恢复力。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
6。Micorchannel混合测试
为了提高混合效率,三个纳米粒子/ PDMS micro-cones微通道是捏造出来的。两种液体,去离子水和甘油,用于微通道混合测试。通道的宽度是2毫米,通道的高度是1.1毫米,计算水力直径为1.05毫米,流量设置为10毫升/小时。雷诺兹的数字,,这两种液体都列在表中3。在同等条件下通道的直径和流量,然而,主要是由于不同雷诺数变化动态粘度,。数据13(一)和13(b)去离子水的射流测试没有micro-cone,分别。由于雷诺数为2.96,这并不足够低,层流现象并不明显。不同的扩散结果在两种液体之间的界面也观察了不同雷诺数下。在图13(a)没有micro-cone,红墨水水穿过整个通道的分布宽度相对下游位置的线在图13(b)与micro-cones red-inked水穿过整个通道的分布宽度相对上游位置标记的线b。结果表明micro-cones有效提高混合效率。数据13(c)和13(d)显示甘油和雷诺数的射流测试(重新≪1)。层流现象显然可以看到在图13(c),在图13(d),虽然红墨水甘油不分发整个通道宽度在整个通道长度,流场是通过重新分配micro-cones和red-inked甘油的流动变得更广泛。
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7所示。磁性的Micro-Cones测试
链霉亲和素生物素有极高的亲和力,所以streptavidin-coated磁性粒子和荧光标记生物素结合的磁性进行micro-cones测试。50μL streptavidin-coated磁性粒子(Dynabeads m - 270链霉亲和素,表达载体,2.8μ米,直径10毫克/毫升)和1毫升用荧光标记的生物素(Biotin-4-fluorescein、分子探针,英杰公司)20μ克/毫升浓度30分钟。一开始,和完全的去离子水注入的微通道排出空气。试剂继续流入微通道在5毫升/小时流量。然后,使用去离子水清洗试剂的通道。芯片安装在荧光显微镜(BX51、奥林巴斯、日本)和CCD摄像机的图像。图(14日)显示了微通道的试剂,在显微镜下观察到没有蓝色滤光器。图14 (b)是相同的微通道的位置如图(14日)但通过显微镜观察到蓝色滤光器。micro-cone上的荧光粒子捕获。为了确认粒子是真正吸引micro-cone,使用去离子水冲洗通道。上的粒子仍micro-cone洗后,这证明了铁(III)氧化物纳米粒子/ PDMS锥具有磁性和可用于捕获磁粒子。
(一)
(b)
8。结论
方法制作3 d铁(III)氧化物纳米颗粒/ PDMS锥在微通道已被证明。6.38%的重量比纳米颗粒在PDMS使用。自动分发器被用来使复合锥微通道和控制复合液滴的直径。调剂压力为0.25 MPa,分配时间是5 s。永久磁铁连接到垂直操作阶段被用来吸引液滴形成锥形状。磁铁和PMMA基片之间的距离是1.5毫米。锥治愈通过加热在70°C,持续30分钟。
micro-cone已经成功地在微通道制作的。圆锥的高是300μm,锥的位置偏离中央的微通道是0.3毫米。锥的磁性纳米粒子的排列和可以提高混合效率。微通道的装配式锥可以应用在芯片上的实验室。
利益冲突
作者没有任何利益冲突在这个目前的工作。
承认
这项工作已经由国家科学委员会,台湾没有根据合同。:NSC - 002 - 193 - 99 - 2221 e my3。
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