石英毛细管微纳流控界面的改进及表征

论文摘要

分析测试是科学研究中最基本的实验活动之一。以微流控芯片为核心的微全分析系统推动了分析测试技术的进一步发展。伴随着微加工技术的发展,纳米通道的加工成为可能,并因此形成了一个新的研究领域—微纳流控学。微纳流控系统的建立、表征及其应用成为研究的热点。本论文第一章以芯片毛细管电泳中样品的电动富集为主要背景,综述了与纳流控学相关的理论、微纳界面浓度极化理论、整流效应、芯片相关制作方法及可能应用。第二章研究了电场对化学刻蚀的石英毛细管表面的形貌的影响,扫描电镜(SEM)表征表明,刻蚀过程中施加的电场不仅可作为刻蚀终点的一种指示方法,而且对刻蚀表面的形貌有一定影响。电场强度的提高有使刻蚀表面变粗糙的迹象。通过改变pH及离子强度对所制备的微纳流控界面的离子传输特性进行了系统表征。在优化的切向电场条件下用激光诱导荧光法对荧光素在300s内实现了104的浓缩倍数,重现性良好,峰高的RSD为0.54%。第三章提出了一种新型的通过在毛细管狭缝上涂覆Nafion高分子聚合物直接建立微纳流控界面的方法。用实验和模型计算方法对涂覆前狭缝的大小进行了估算,对Nafion的涂覆质量分数进行了优化。利用荧光显微成像的方法对该界面上的浓度极化效应进行了研究。考察了离子强度对荷电组分浓度极化效应的影响。初步展示了其对带负电荷的荧光素钠的浓缩效应。该研究为基于石英毛细管的微纳流控效应研究的深入及低浓度荷电组分以及生物大分子分析中的应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳流控学
• 1.3 浓度极化
• 1.3.1 纳米通道离子选择性
• 1.3.2 浓度极化理论
• 1.3.3 流体的非线性运动
• 1.3.4 浓度极化效应应用
• 1.4 切向电场对纳流控浓集影响
• 1.5 纳米通道整流效应
• 1.5.1 几何形状不对称通道
• 1.5.2 通道两端电解质溶液浓度不对称
• 1.5.3 通道表面电荷分布不对称
• 1.6 微纳流控芯片的制作
• 1.7 Nafion在纳流控富集中的应用
• 1.8 本课题的研究意义与内容
• 第2章 基于毛细管刻蚀膜微纳界面的表征
• 2.1 引言
• 2.2 仪器与试剂
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 溶液的配制
• 2.3 实验操作
• 2.3.1 毛细管上微纳界面的建立
• 2.3.2 毛细管刻蚀膜微纳流控界面上电流—电压（Ⅰ-Ⅴ）曲线的测定
• 2.3.3 激光诱导荧光（LIF）检测系统
• 2.3.4 利用LIF检测方法研究切向电场对浓缩效率的影响
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 监控电压与膜的状态
• 2.4.2 毛细管刻蚀膜上的电流-电压（Ⅰ-Ⅴ）曲线
• 2.4.3 切向电场对带负电荷荧光探针分子浓缩的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于Nafion及石英毛细管狭缝微纳界面的建立及表征
• 3.1 引言
• 3.2 仪器与试剂
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 溶液的配制
• 3.3 实验操作
• 3.3.1 芯片制作与保存
• 3.3.2 毛细管狭缝宽度的研究
• 3.3.3 狭缝是否具有浓度极化现象研究
• 3.3.4 优化Nafion浓度的研究
• 3.3.5 不同条件下荧光探针分子在微纳界面上的浓度极化现象研究
• 3.3.6 LIF检测方法对基于毛细管狭缝微纳界面浓缩效率初步研究
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 毛细管狭缝漏液情况、宽度及其浓度极化现象的表征结果
• 3.4.2 不同浓度Nafion对狭缝成膜的影响
• 3.4.3 离子强度对带负电荷荧光探针分子浓度极化的影响
• 3.4.4 离子强度对带正电荷荧光探针分子浓度极化的影响
• 3.4.5 带负电荷荧光探针分子进样浓集
• 3.5 本章小结
• 第4章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢