加州大学河滨分校杜可课题组: 基于3D打印的液态核心光流体

液态核心（liquid-core）光波导是光流体学的主要系统之一，由液态核心层与固态包层组成。其液态核心可同时实现液态样品之传输与光导功能。近来随着微机电技术的广泛应用，该装置可微型化而便于携带甚至可模块化以适应不同应用进行组装。常见应用于以荧光探测为基础的生物感测器、吸收光谱与生物医学的相关研究。一般来说，材料的折射系数(refractive index)对光导的性能具有关键影响，当液态核心的折射系数高于包层的系数，方有机会实现全反射。而此参数在设计上有两种常见方法：一为直接选用适合的材料以提高核心与包层的数值差异；二则是设计复合式包层。第二种复合式方法更为灵活。因为一般核心层的折射系数受限于受测物质的需求，因此包层的材料选择也比较受限。近来，微纳米结构形成的疏水表面被许多科研机构采用，由于该结构之间有许多微小气泡，整体包层的复合有效折射系数将降低许多，对于装置中液态核心层本身折射系数偏低相对有利。

在此基础上，加州大学河滨分校的杜可教授团队针对以微型结构为基底的液态核心光波导进行了研究，并采用近年受到瞩目的面投影微立体光刻微纳加工技术取代了先前基于黑硅(black silicon)的平板式封装设计。传统上，微机电制作的晶片偏向二维平板式设计，较难实现三维立体的特殊结构，且需要有良好封装。然摩方精密的面投影微立体光刻技术能够克服上述两点限制。该团队提出了几种不同的微结构设计，搭配疏水表面涂层（PTFE），实现了一体成形不需封装且具有微结构的液态核心光波导。该研究探讨了结构的机械强度、光波导截面几何与有效包层范围内的优化对整体设计的影响。报告中也展示了后期应用于病毒检测（CRISPR）的研究。未来有机会辅助CRISPR相关研究甚至实现三维打印的生物体内侦测装置设计。相关成果以“On-Demand Fully Enclosed Superhydrophobic-Optofluidic Devices Enabled by Microstereolithography”为题发表在《Langmuir》期刊上。

图1. (a) 微光栅结构、(b) 微针结构、(c) “T 形”结构和 (d) “伞形”结构的 SEM 图像和光学显微照片。 （e）“T 形”光流控装置的横截面。 固体/水/空气界面用黄色虚线标记。 （f，g）在 Teflon AF 涂层之前（f）和 Teflon AF 涂层之后（g）的平面样品的静态水接触角测量。 (h) 显示由两个间隙较大的“T”形结构支撑的液滴的照片。 (i) 在固体/水/空气界面处反射的光束，入射角为 35°。 (j) 装置与平台的实际图像，其中光与液芯共享相同的路径。 液体通过嵌入的微管泵入液芯。 插图中描绘了装置中的流体流动方向。

报告中展示了由多种常见微结构组成的不同芯片装置，如图1。其中“T 形”结构在平板上的疏水效果可由图1(h)得知，即便在大间隔的情况下，液滴下方仍然存在空气隔间。实际上整体的光学平台搭置如图２所示，可根据不同激发光需求替换激发光源。 “T 形”结构在不同激发光波长下有最佳的工作效能且有较强的机械强度（相较微针结构与微光栅结构）。团队更进一步针对基于“T 形”结构的芯片进行了截面几何与有效包层范围内的固体材料比例的探讨。结果显示在合理的机械强度下，“T 形”结构的芯片可往低材料厚度、适中结构宽度与圆形截面来进一步优化。

图2. (a) 光学测量装置示意图。不同光流体芯片在不同激发光波長之下的光传输显示于(b) 405、(c) 490、(d) 595 和 (e) 1100 nm。 误差线代表每个相应样本的标准偏差。 每个数据点代表三个测量值的平均值。

图3. (a) 固体包层厚度分别为 400 和 600 μm 的無結構光流控芯片的透射测量。 (b) 损失机制在固体/水/空气界面示意图。 (c) 各种“T 形”结构和不同入射角的透射测量。T-1显示出最佳性能。 每个数据点代表三个测量值的平均值。

图4. (a) 通过输入 1.6 nM 量子点的各种光流控平台的未校正荧光发射光谱。 插图为荧光溶液照片。 光从右向左传播。 (b) 集成荧光信号随着量子浓度从 0 增加到 6.3 nM。 每个数据点代表三个测量值的平均值。

该设计被进一步应用于荧光测量的CRISPR-病毒检测。在荧光量测中，“T 形”结构的芯片有最佳的量测效能与预测结果一致。而在CRISPR系统中，目标DNA将与CRISPR-Cas12a结合并使单链 DNA 探针变性，致使散布在溶液中的量子点将不与单链 DNA 探针结合。这些量子点可经过分化过程从上清液中取出并放入芯片中测量。该结果显示团队提出之原型设计能够与CRISPR相关检测系统整合，甚或成为生物体内检测相关装置原型开发的参考。

图5. (a) 规律间隔成簇短回文重复序列(CRISPR) 与关联蛋白 (Cas) 结合用于简单和灵敏的核酸检测示意图。 (b) DNA 目标为 0.1、1 和 10 nM 的样品的荧光强度。 阴性对照（无目标）标记为 NTC。 每个数据点代表三个测量值的平均值。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c01658

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