一种侧向多孔硅电动分子阀

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A lateral porous silicon electrokinetic molecular valve

基于LPSi膜的微流控电动力学分子阀研制及性能验证，采用硅微加工技术构建的EMV器件在生理溶液中展现出48%的离子选择性与Nafion相当，成功实现10分钟内将180 nL荧光素浓缩至1.3 nL（浓度因子>120），工作电压低于4.2V，并通过有限元模型验证其高效浓缩机制。

　　

何颖宁|徐杰|大卫·布里尔|张勇|蒂埃里·莱希勒

中国湖南省湘潭大学物理与光电子学院

摘要

在本研究中，我们介绍了一种基于侧向多孔硅（LPSi）膜的电动分子阀（EMV）。这些LPSi膜被制造并集成到硅微流控芯片中，平均孔径为25纳米。经过适当的氧化处理后，LPSi膜在生理溶液中表现出48%的相对离子选择性，与Nafion相当。该LPSi芯片能够在10分钟内从180纳升溶液中提取并浓缩1.5飞摩尔荧光素至1.3纳升溶液中，并在低于4.2伏的电压下实现超过120的浓缩倍数。我们开发了一个简化的数值模型来描述EMV的电动行为，该模型与实验结果吻合良好。通过调整模型中的参数（施加电压、膜电荷密度、背景离子浓度和膜位置），可以可靠地预测EMV的预浓缩性能。与传统电动浓缩器不同，EMV的架构要求所有流体都必须通过LPSi纳米通道。这种配置实现了高离子选择性和低电压操作，同时利用Donnan排斥效应实现精确的分子控制、浓缩和释放。随着电气绝缘和膜电荷密度的进一步改进，所提出的EMV在集成到便携式微总分析系统（μTAS）和生物传感器中具有巨大潜力。

引言

芯片实验室旨在将样品预处理、反应、传感和分析等复杂功能集成到微流控芯片中[1]，从而实现微型化、自动化、高效率和便携性[2]。使用MEMS技术在单晶硅基底上制造的微流控芯片具有高精度、优异的稳定性和大规模生产的潜力。此外，还可以通过薄膜沉积、掺杂和图案化在硅基底表面制造各种电极和传感器元件。其优异的热导率有助于温度控制。因此，基于硅的微流控芯片适用于集成流体处理与数据分析的智能多功能检测设备[3]。

离子浓度极化（ICP）是一种电动现象，当在离子选择性膜上施加电场时会发生，导致膜两侧的离子浓度差异[4]。ICP可以实现样品的预浓缩[5]、[6]、[7]、水处理[8]、[9]以及锂的提取[11]、[12]。特别是，ICP在生物样品的分离和富集方面应用显著，因为它显著提高了生物传感器的检测限和效率[13]、[14]。然而，许多ICP设备需要在微通道中组装外部离子选择性膜（如Nafion）[4]、[15]。此外，操作电压通常在几十到几百伏之间[16]，这在安全性和电路设计方面带来挑战，并限制了设备的便携性。另外，由于电对流[17]，ICP本身的不稳定性使得实时检测中的分子聚集控制变得复杂。

多孔硅因其高孔隙率、可调孔径、较大的比表面积和生物相容性而被多个领域的研究人员所采用[18]，包括传感器[19]、[20]、[21]、药物输送[22]、光电子学[23]和能源应用[24]。在我们之前的工作中，我们开发了将LPSi膜集成到平面微流控系统中的制备工艺，用于过滤和光学传感[25]、[26]、[27]、[28]。在本研究中，我们展示了这些LPSi膜作为电动分子阀用于样品操作和浓缩的应用。

为此，我们使用之前介绍的制备工艺（基于标准微加工技术和硅阳极氧化）制造并将LPSi膜集成到微流控芯片中，并对其进行适当的氧化处理以用作离子选择性膜。将制备好的LPSi芯片装入定制的芯片支架中，进行实验以评估其相对离子选择性，在生理盐水浓度下约为48%。接下来，我们证明氧化后的LPSi芯片能够在10分钟内从180纳升溶液中提取并浓缩1.5飞摩尔荧光素至1.3纳升溶液中，并在低于4.2伏的电压下实现超过120的浓缩倍数。通过有限元分析进一步评估了离子选择性和浓缩机制，结果显示该电动分子阀在低电压下表现出合理的稳定预浓缩性能，为微型化硅基微总分析系统（μTAS）的发展铺平了道路。

部分内容

LPSi芯片的制备

图1. (A) LPSi膜的制备及微流控芯片的组装。(B) 微流控芯片的照片及LPSi膜的放大扫描电子显微镜（SEM）图像。

图1B展示了一个典型的1.6厘米×1.6厘米芯片。SEM图像显示LPSi膜长250微米、高20微米、宽10微米，完全集成在微通道中。中孔硅的孔径约为25纳米，孔隙率约为50%，明显呈水平方向排列。

离子选择性评估

当在阳离子选择性膜上施加电压时，阳极和阴极两侧分别会出现离子耗尽区和离子富集区（图3A）。这是因为在阳极侧，阴离子和阳离子分别向阳极和阴极迁移，形成离子耗尽区；而在阴极侧，阴离子和带负电的分子被膜的负电荷排斥，导致离子富集。

结论

在本研究中，我们在硅基底上制备了LPSi并将其集成到微流控芯片中。LPSi在盐水浓度下的相对离子选择性为48%，与Nafion相当。

集成到微通道中的LPSi作为基于ICP的电动阀，能够控制、浓缩和高盐溶液中的分子释放。我们展示了生物分子（荧光素和微RNA）的浓缩效果。

CRediT作者贡献声明

何颖宁：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、软件开发、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。大卫·布里尔：方法论设计、数据分析。徐杰：软件开发、数据管理。张勇：软件开发、方法论设计、概念构思。蒂埃里·莱希勒：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢法国国家研究署（ANR-17-CE09-0024-01）、中国国家自然科学基金（编号52130302，针对Y.H.）以及湖南省教育厅（编号22A0138，针对Y.H.）的支持。本研究部分得到了法国RENATECH网络的支持。

利益冲突

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。

何颖宁在法国图卢兹大学和LAAS-CNRS获得了微纳系统博士学位。随后，他在中国复旦大学担任博士后研究员。2021年，他加入湘潭大学并建立了BioMEMS研究小组，致力于生物传感器、微流控和微电子领域的跨学科研究。