原位单液滴实时光学光谱分析技术在纳米材料合成监测中的应用研究

《Nanoscale Advances》：Real-time optical spectroscopy for in situ single-droplet analysis

本文介绍了一种集成微流控与光学透射光谱的自研平台，实现了对非球形单液滴内化学反应（如金纳米颗粒合成）的原位实时监测。该技术通过分析液滴边缘散射信号区分油相与水滴区域，无需荧光标记即可检测金纳米棒（GNR）的局部表面等离子体共振（LSPR）信号，并成功追踪微通道内不同位置、不同还原剂浓度下的纳米颗粒合成动力学，为单液滴分析平台开发提供了高灵敏度、无标记检测新策略。

　　

引言

液滴微流控技术通过在不混溶相（如油相）中形成并操控纳升至皮升级液滴，广泛应用于高通量精准测量领域。液滴作为微型反应器，可通过泵控试剂分配实现体积精确控制，其内部混沌对流确保混合均一性，从而提升反应动力学稳定性和重复性。当前研究重点在于开发独立操控和监测单液滴的技术，以揭示化学反应机制及生物通路。实时监测单液滴变化能提供反应机理的关键信息，但现有技术如质谱（破坏性检测）和电化学法（需集成电极）存在局限性。光学检测法因高灵敏度、快速响应及非侵入性优势，成为单细胞分析、分子检测的重要工具。

材料与方法

微流控芯片制备：采用SU-8模板制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片，通道截面为300 μm×155 μm，通过T型结结构生成液滴。相比流动聚焦（Flow Focusing）结构易因窄颈结构导致反应物沉积和通道堵塞，T型结更适用于涉及液滴的化学反应。

光学传输光谱系统：自建倒置光学显微镜平台，采用卤素光源透过聚光镜（NA=0.52）照射液滴，透射光由60倍空气物镜（NA=0.7）收集，经光谱仪（Andor Kymera 328i）以3 ms积分时间获取400–900 nm范围光谱。通过MATLAB分析数千条光谱，依据边缘散射强度差异识别“仅液滴”与“仅油相”区域。

金纳米棒（GNR）合成：通过种子介导法合成GNR，其纵向LSPR峰位于665 nm。

结果与讨论

液滴形态与光散射模拟：T型结中液滴形状（子弹形/胶囊形）由流速比（R=Q_a/Q_o）决定。光线追踪模型显示，当光束尺寸（I_L）远小于液滴长度时，边缘散射信号显著，而光束覆盖全液滴时信号空间信息丢失。实验通过调节聚光镜孔径限制照明区域，确保空间分辨率。

单液滴光学响应：在R=1（总流速4 μL/min）条件下，液滴长度约600 μm。透射光谱中，液滴边缘因强散射呈现高透射率（～1.05），中心水相区域透射率降低（～0.95），油相最低（～0.85）。通过时间-波长谱图可区分液滴前缘（透射率较低）与后缘，并与立体显微镜图像验证一致性。

GNR液滴检测：在液滴中加载GNR后，于665 nm共振波长处观察到透射率下降。对比非共振波长（600 nm），液滴区域透射率差异（0.08）显著高于油相（0.02），证实GNR特异性检测。降低总流速可提升信噪比，因界面张力增加增强散射信号。

GNR浓度梯度实验：通过调节水与GNR流速改变液滴内GNR浓度（0%–100%）。单液滴光谱显示，随浓度升高，665 nm处透射率凹陷加深，单个液滴与多液滴平均光谱趋势一致。系统检测限为GNR浓度8.3×10⁸（对应透射率变化13%）。

金纳米颗粒（GNP）原位合成监测：

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  案例1（位置影响）：在T型结（P1）和下游2.7 cm处（P2）测量GNP合成。P2处523 nm透射率（0.51 a.u.）较P1（0.65 a.u.）显著降低，表明液滴移动过程中纳米颗粒持续生成。
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  案例2（还原剂浓度）：固定检测点，比较抗坏血酸（AA）浓度1 M与0.5 M的影响。低AA浓度时透射率更高（0.85 a.u.），反映GNP生成量减少，凸显反应动力学差异。
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  案例3（流动聚焦结构局限性）：该结构因窄颈处易堵塞，导致液滴边缘信号识别失效，验证T型结的适用性。

结论

本研究开发的单液滴光学传输光谱技术，结合T型结微流控装置，实现了非球形液滴内化学反应的原位实时分析。通过光散射解析与GNR LSPR信号检测，证明了该方法对无标记、高灵敏度监测纳米材料合成的潜力。未来可通过优化光谱仪采集速度与光源波段，拓展至蛋白质、DNA分析及液滴PCR等领域。