基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵平台关键技术

在分析介电泳的微纳米生物粒子操纵研究现状和存在问题基础上,研究了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵的理论基础和建模仿真,给出了光诱导介电泳芯片在空间电场分布和不同高度介电泳力分布关系．在此基础上进行微操纵系统的核心部件——光电导层芯片的选材、制作工艺和性能分析测试,给出了悬浮液层分压和有效电压频谱关系图．最后,组合机器视觉检测与实时跟踪子系统,构建了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵实验平台,完成了对微纳米生物粒子快速聚集、输运、分离等操纵实验,为建立以微流控芯片为基础的重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了基础．     

基于光诱导介电泳的微粒子过滤、输运、富集和聚焦的实验研究

在继承传统介电泳技术在微纳米生物粒子操纵领域优势的同时,如何提供动态可重构微电极并降低制作成本,成为解决介电泳技术应用中的瓶颈问题,而基于光电效应原理的光诱导介电泳的提出,为解决此问题提供了可行的方案.本文在设计制造光诱导介电泳芯片的基础上,搭建了基于光诱导介电泳操纵微粒子的实验平台,并对不同尺度的微粒子进行了过滤、输运、富集和聚焦等四种操纵功能的实现,同时并对各种操纵功能的性能进行了定量分析.结果表明,光诱导介电泳的操纵功能和操控性能与缩微光学图形的形状、尺寸、移动速度,激励信号的频率以及溶液电导率等参数相关.增加光线条宽度,一般能使操纵效率提高约50%以上,且聚焦时改变光线条倾角亦会明显影响聚焦效率.粒子的输运速率与捕获光圈的内半径和厚度成正比单调增加关系.粒子的最大同步速率与激励信号频率和溶液电导率成非线性关系,且在溶液电导率范围为5×10？4~5×10？3 S/m时具有良好的操纵性能和较高操纵效率.     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

介孔有机膦酸盐材料的合成及应用研究进展

介孔有机膦酸盐材料作为一类新型的有机-无机杂化材料,凭借其独特的结构可剪裁性和丰富的化学表面性质在催化、分离与吸附、生物分子的固定等诸多领域都具有巨大的潜在应用价值,因此近几年来越来越受到人们的关注。本文系统地概述了介孔有机膦酸盐材料的发展历程及其合成和应用研究的发展现状,并对这种新型杂化介孔材料的应用前景进行了展望。     

纳米薄膜及相应三维结构的构建、特性及应用

纳米薄膜是纳米材料家族一个新兴的成员,由于其特征厚度介于原子以及微米量级之间且具有高比表面积,纳米薄膜展现出了与宏观材料不同的特殊性质.纳米薄膜可以进行人为的操控甚至从衬底上脱离成为独立的薄膜.纳米量级的厚度使得该薄膜容易图形化以及加工成为复杂的二维、三维微纳结构.本文综述了纳米薄膜研究领域近年来的研究成果,包括各类性质研究和潜在应用方面的探索.纳米薄膜及相应三维结构在电学、光学、磁学、微纳机电等领域的广泛应用前景将使其成为纳米材料与器件研究领域一个重要的研究方向.     

交流电场增强的牛副结核快速血清免疫检测

人/动物发病初期的免疫检测在疾病诊断和防治领域具有重要意义.发病初期病患血清中抗体浓度较低,而传统检测方法单纯依靠抗体自身的随机运动使之与抗原结合发生特异性免疫反应,需要数小时甚至更长的时间才能识别出阳性血清,不利于疾病的快速诊断.因此加快对血清中低浓度抗体的检测速度是提高临床诊断效率的关键因素.本文提出基于交流电热和介电泳技术的血清中低浓度抗体快速检测的新方法,搭建"硅基底非对称平行电极阵列-PDMS微通道"微流控测试平台,以牛副结核为例,通过对免疫反应过程中"电极/血清"界面双电层电容的实时测量,以单位时间内电容的相对变化率为指标,成功分辨出阴性和阳性血清,检测时间仅为2 min.结合交流电场下微流体的流动和可极化粒子的介电泳理论,分析了免疫反应加快的机理.交流电场加速了微通道内抗体分子的对流和传质,大幅度提高了免疫反应效率,结合免疫反应方程,给出了免疫检测过程中微通道内抗体浓度变化的数值仿真,在理论上证明了快速血清免疫检测新方法的可行性.     

光诱导介电泳微操纵过程中的光电旋转

本文从电路模型、有限元建模和分析及物理实验三个方面，深入理解并首次验证了在光诱导介电泳芯片中因光电增益不仅存在因亮暗分压（电场幅值非均匀分布）而产生的第一类光诱导介电泳力，而且还存在由亮暗相位差（电场相位非均匀分布）而产生的第二类光诱导介电泳力，以及因存在光致旋转电场而产生的光诱导电旋转现象，解决了目前介电泳力理论计算因采用仅考虑光致分压效应的简化电偶极矩模型而造成实际光诱导介电泳力被低估的困局．同时通过对相应过程的有限元数值模拟，以及酵母菌细胞的光控电旋转实验确认了光诱导电旋转现象的真实存在，得出了光诱导电旋转转向与微粒相对于光电极边缘的位置有关且对应旋转速率与二者相对距离成反比的一般规律，并发现在三电极式光诱导电旋转芯片结构中对应扭矩分布极不均匀且相应位置的光诱导介电泳力不利于对应微粒的定轴旋转．为此，提出了具有对称相位角分布的双层四电极式光诱导电旋转设计方案，为后续光诱导介电泳芯片实现生物粒子微操纵与介电频谱测量一体化提供了必要的理论准备及技术支撑．     

氧化铈介孔材料的研究进展

随着对介孔材料的深入研究,CeO2介孔材料因其大比表面积、规则的孔道结构和对金属的高分散性等独特的性能而备受关注。本文详细地论述了介孔CeO2的合成机理与方法,简要地介绍了介孔CeO2的性质和在燃料电池电极以及催化上的应用。最后展望了介孔CeO2的发展前景。     

离子浓差极化效应及其在微纳流控分子富集系统中的应用进展

离子选择性输运导致的离子浓差极化(ion concentration polarization, ICP)现象与微纳流控技术的结合为生物分子检测、离子分离和海水淡化等许多领域问题提供了新的解决方案,也为传统ICP问题的研究提供了新的技术平台.本文首先对ICP现象做简要介绍,对理论和仿真方面的最新研究成果进行梳理,重点介绍第二类电渗流的产生机理及其对超限定电流的决定作用.然后,对微纳通道系统,特别是哑铃型和H型微纳通道系统中的ICP现象进行解释,对基于ICP效应的带电分子富集、海水脱盐、整流等应用系统进行概述,着重介绍带电分子富集方面最新的仿真研究成果.     

耦合基质-天然裂缝渗流机理的页岩气表观渗透率

页岩储层微纳米孔隙、天然裂缝发育,不同类型孔隙中气体赋存状态和传输机理各异.本文在对天然裂缝定量表征的基础上,兼顾页岩气渗流特征和实际工程应用需要,综合考虑页岩岩芯孔-缝发育特征,基于渗透率串-并联模型建立耦合基质微纳米孔隙气体滑脱效应、扩散效应和天然裂缝渗流特征的页岩气表观渗透率模型,利用四川盆地牛蹄塘组天然裂缝发育的页岩岩样对理论模型进行验证.研究结果表明,该渗透率模型即能高度拟合天然页岩岩芯渗透率实验测量结果,又准确描述了岩芯内部基质孔隙和天然裂缝共同渗流的特点,更加符合实际渗流情况.总之,本文建立的页岩天然裂缝定量表征方法和综合考虑微纳米孔隙、天然裂缝渗流特征的表观渗透率模型不仅为页岩气藏复杂裂缝网络建模提供了一种新的手段,而且进一步推动了复杂缝网页岩气藏数值模拟研究工程应用的实现.     

纳米胶体团聚现象的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟可极化纳米胶体在非均匀电场下的介电泳情况,通过改变电场强度和系统温度,分析纳米胶体的团聚现象.常温状态下的仿真结果表明,虽然布朗力能影响纳米胶体的介电泳状况,但当纳米胶体之间的距离小于12σ时,其相互吸引力迅速增大,从而克服布朗力影响,使胶体产生团聚.当布朗力对胶体运动影响较小时,电场强度增大使得胶体所受的介电泳力增大,相应地胶体所受的吸引力也增大,最终导致胶体的聚集速度变快.仿真结果也显示系统温度的升高使得胶体所受的布朗力增大,从而影响纳米胶体的团聚.最后,采用DLVO理论对相互作用的胶体运动状态进行研究,得出胶体的位能曲线图和胶体间吸引力随胶体中心距变化的曲线图,并将后者与分子动力学方法得出的结论进行对比,发现这两条曲线的变化趋势基本相同,这说明本文的仿真模型是符合理论的.     

微纳米线材多物性参数综合表征系统的研发

微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用.由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注.本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,能够实现对微纳米线材在40~500 K范围内的精确综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数.针对上述系统,本文进行了不确定度分析,且对已知物性参数的铂(99.95%Platinum)和康铜(Constantan,60%Cu 40%Ni)细线进行了测量和对比,校验了本系统的测量精度.本文研发的表征系统填补了国际上纳米线材多物性参数测量系统的空白.     

多频原子力探针显微技术

不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像,一直以来就是原子力显微术的发展目标.目前,最可能实现这一目标的手段是近些年发展的多频原子力显微术.多频原子力显微术,即利用多频率激励和/或多频率探测微悬臂的振动信号来研究样品纳米物性的一大类AFM技术.它可以实现针尖与样品间作用非线性信息的提取,在组分探测灵敏度、时间和空间成像分辨率等方面展现了巨大的优势.文中综述了多频原子力显微术所包含的不同实现方法的基本原理,并介绍了它们在高分辨成像、纳米力学、材料、生物等方面的前沿应用实例.此外,为探索多频原子力显微术,我们提出了一种特殊的高次谐振型石英音叉微悬臂模型.最后,文章展望了多频原子力显微术的下一步技术发展和应用研究.     

微纳流体样品片上分离技术

基于微流控技术的细胞或颗粒分离是样品前处理中的一个重要步骤,近些年在生物和化学分析中引起了极大关注,随着微纳米加工技术的发展,分离技术在片上实验室系统的微环境应用中得到快速发展.基于微流体细胞或颗粒的分选技术具有很多优点,包括减少了样品量、加速了样品处理速度、高灵敏度、高空间分辨率、成本低以及便携性等.本文介绍了当前最先进的基于连续微流体细胞或颗粒分选技术,从被动式与主动式分离两方面的典型实例详细阐述了各种分选原理及其在细胞或微颗粒分选中的应用,讨论了这些技术的主要指标,如分选标记、分辨率、效率以及处理量,同时讨论了各类在微流体下的微分离方法存在的缺点.微尺度下高效的微分离技术在实现片上实验室、现场微分析设备和家庭诊断中将会起着越来越重要的作用,引起了众多学者们的研究兴趣,能够促进微分离与检测和信号读取等集成于一体,形成一个便携式的诊疗设备.     

基于微纳制造的下一代基因测序系统研究现状与展望

基因是遗传的基本单元,是DNA或RNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列,它不仅与生物体的生、老、病、死等一切生命现象直接相关,也是决定生命健康的内在因素,下一代基因测序仪的研制目标是希望能够将基因测序的成本大幅度降低,测序速度快速提高,推进基因组技术的个性化医学走向现实,基于固体纳米孔的基因测序是最有可能实现高通量的物理测序技术,但目前面临生物分子电信号的信噪比低、生物分子过孔速度太快以及生物分子在纳米孔内的输运规律缺失等挑战,设计多模式纳米孔传感器,通过多模式信号交叉对比,同时降低纳米孔长度等方法,是提高检测灵敏度的有效方法,借鉴生物纳米孔对DNA过孔速度的控制,利用磁场、声叉等外力场可以为单碱基的辨识奠定基础,当纳米通道的几何尺寸小于双电层厚度时,基于连续理论的泊松-玻尔兹曼方程和纳维-斯托克斯方程将面临挑战,建立纳通道内生物分子输运规律将丰富流体力学的研究内容。     

电活性介电弹性体的本构理论和稳定性研究进展

电活性聚合物在外加电场诱导下能够改变形状或体积,不施加电场时,它又能恢复到原来的形状或体积,具有特殊的力学及电学性能.介电弹性体是制造驱动器、传感器、振动器和能量收集器等转换器的最有潜力电活性聚合物材料之一,在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械、生物等领域都有广泛的应用潜力.本文首先简要综述了介电弹性体及其应用,然后重点介绍了介电弹性体EAP材料的理论研究进展,其中包括本构关系、机电稳定性、突跳稳定性、超大电致变形机理、许用区域描绘及其应用器件的失效分析.本文最后对介电弹性体电致活性聚合物软质材料相关研究进行了展望.     

4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的研究进展

形状记忆聚合物是一种在外界刺激条件下产生形状变化的智能材料, 4D打印是基于可变形材料和3D打印技术的一种综合性技术,可变形材料中形状记忆聚合物的应用最为广泛,目前4D打印形状记忆聚合物在各个领域都有应用,尤其是在生物医疗领域具有巨大的应用价值. 4D打印技术突破了传统医学领域个性化订制的技术瓶颈,为生物医疗领域的进一步发展提供了新的契机.本文首先综述了形状记忆聚合物、3D打印技术以及4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的国内外研究进展,并介绍了4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的实例和应用价值,最后总结了4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的应用前景、存在的问题以及未来的发展方向.     

纳米生物学研究中的新技术

大量的生物结构，从核酸，蛋白质，病毒到细胞器，其线度在1—100纳米之间，生物结构虽然很小，但异常复杂，又格外活跃，表现出很多特定的生物学功能，纳米生物学就是在纳米水平阐明生物分子作用规律的一门新兴学科，通过对生物大分子超微结构的解析和操纵，获得单个分子在生命活动中的详尽信息，从而在单分子水平上探寻影响人类健康的恶性疾病的发病机理，并最终能够利用对单分子进行微尺度操纵的技术进行治疗。纳米生物学是一个非常有意义，但又神秘莫测的领域，但广阔的应用前景已经昭示了这一交叉学科强劲的生命力。本文将着重介绍原子力显微镜和光镊在纳米生物学研究中的重要应用。     

页岩气多尺度传质特征及过程协调机制研究

页岩气开发过程中的多尺度传质行为显著,综合考虑页岩多尺度孔隙结构、多种气体传输机理和多种微尺度效应,构建了页岩表观等效渗透率数学模型,分析了实际生产过程中的页岩渗透性变化特征,明确了页岩气多尺度传质行为主控因素(气-固系统性质、孔隙类型及连通性、温度压力条件)的影响,提出了页岩气多尺度传质行为评价指标,即孔隙直径介于50~200 nm孔隙所占比例,从介科学的角度形成了页岩气多尺度传质行为评价方法,并结合页岩气开发所面临的主要问题,凝练了页岩气多尺度传质过程协调机制,即降低水相圈闭损害、沟通基质纳米孔及纳米孔扩容、促进解吸-扩散.     

铈钛氧化物介孔毫米球的制备及其催化臭氧氧化特性与机理

开发兼具高催化活性和优良流体力学与传质性能的催化剂对发展高效水处理臭氧氧化技术具有重要意义.本研究开发了以廉价无机金属盐为原料的前驱体溶胶预混-海藻酸水凝胶球模板法,实现了Ce-Ti双金属氧化物介孔毫米球催化剂的经济制备.通过N_2吸附-脱附、XRD、XPS、SEM-EDS、TEM-SAED、拉曼光谱、NH_3-TPD等手段对制备的催化剂进行系统表征,考察Ce/Ti摩尔比和煅烧温度对催化剂结构和催化活性的影响,探究其催化臭氧氧化的特性与机理.结果表明无定形材料催化活性高于晶型材料,催化活性与表面酸性位点密度呈正相关,阐明了羟基自由基为该材料催化臭氧氧化的主要活性物种.优选的Ce_(0.5)Ti_(0.5)O_2介孔毫米球具有高比表面积(199 m~2g~(–1))、适宜的介孔结构(平均孔径3.59 nm),富含Ce–O–Ti键活性位点,催化臭氧氧化活性高,可在90 min内将100 mg L~(–1)草酸几乎完全矿化(99%),连续5轮重复实验后催化活性无明显降低,呈现出优异的催化稳定性.另外, Ce_(0.5)Ti_(0.5)O_2介孔毫米球催化臭氧氧化降解双氯芬酸等四种污染物的矿化率相比无催化剂臭氧氧化提高18.7%～54.0%,展现出优良的应用前景.