《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Centrifugal microfluidics for size-selective separation of polydisperse Mie-resonant silicon nanoparticles
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硅纳米颗粒（Si NPs）的离心微流体分离方法研究及其在米氏共振颗粒分选中的应用。基于离心力场作用下的微流体通道设计，成功实现激光制备的多分散Si NPs体系中米氏共振特性颗粒（117-240 nm）的分离纯化，粒径分布标准差降低40%，验证了离心微流体技术在复杂纳米体系分离中的实用性。
Sabina Bikmetova|Daria Sennikova|Mikhail V. Zyuzin|Dmitry Zuev
俄罗斯圣彼得堡ITMO大学物理学院Bridge Center，Lomonosova 9号，191002
摘要
基于离心力作用下曲面通道中颗粒沉淀的微流控分离技术是一种高效的纳米颗粒分选方法。然而，大多数研究仅针对模型单分散聚苯乙烯球体进行了性能验证。在本研究中，我们设计了一种适用于离心机的微流控芯片，其参数基于现有理论模型计算得出，旨在解决实际问题——即分离含有激光烧蚀法在液体中合成的具有米氏共振特性的硅纳米颗粒（Si NPs）的胶体溶液。实验结果表明，该方法能有效分离尺寸范围从50纳米到450微米的Si NPs，显著缩小了出口样品中纳米颗粒的尺寸分布。一个关键成果是成功分离出了在可见光谱中具有强米氏共振特性的Si NPs（直径约120–240纳米）。因此，本研究表明微流控技术在分离多分散纳米材料（尤其是具有共振光学特性的Si NPs）方面具有巨大潜力。
引言
在可见光谱中展现出磁性和电偶极米氏共振特性的Si NPs对现代纳米光子学[1]、传感器技术[3]及光电子学[4][5]具有重要应用价值。然而，许多合成方法（尤其是高通量激光烧蚀法）会导致产物具有宽范围的颗粒尺寸分布[6][7]，这极大地限制了这些颗粒在需要均匀特性的设备中的使用[8]。传统纳米颗粒分离方法（如差速离心[9][10]、尺寸排阻色谱[11]或透析[12]）通常需要多步骤操作、较大的样品体积，或者分离效率较低[13][14][15]。相比之下，微流控技术为开发紧凑、集成化且高效的分离系统提供了可能性[16][17]。螺旋通道中的惯性微流控方法对微米级颗粒的分离效果较好[18]，但对亚微米级颗粒和纳米颗粒的分离效果较差[19]。其他微流控方法（如确定性侧向位移[DLD]阵列）可分离低至20纳米的颗粒，但需要精密的纳米制造工艺[20]；弹性-惯性聚焦技术虽能在亚微米范围内发挥作用，但会增加流体的复杂性[21]。主动式微流控方法（如声电泳[22][23]和介电泳[24]）虽能精确控制纳米颗粒，但需集成换能器或电极，从而增加设备复杂度。
在本研究中，我们采用了基于离心力的微流控分离技术：颗粒在离心力作用下向通道内壁沉淀，随后的层流促进其迁移，迁移时间取决于沉淀速率，进而取决于颗粒尺寸和密度[25][26]。该原理已通过单分散聚苯乙烯球体模型得到定量描述和实验验证[27]，证实了其可行性。微流控分离技术具有诸多优势，如结构简单（无需外置泵）、分离过程无需外部动力源以及分离分辨率可调[28]。然而，该技术在实际应用（如分离含有多分散纳米颗粒的胶体溶液）方面的潜力尚未得到充分验证。
为解决这一问题，我们设计了一种用于分离激光烧蚀Si NPs胶体溶液的微流控芯片。芯片设计借鉴了Arosio P.等人的曲面通道概念[27]（图1a）。芯片通道参数（图1b）及操作参数（旋转速度、停留时间）基于现有理论模型计算得出，同时考虑了硅的密度和所需的分离范围（直径117–240纳米的米氏共振Si NPs）。整个芯片尺寸为2.6厘米宽、7.1厘米长。实验结果表明，该平台能够有效缩小出口样品中纳米颗粒的尺寸分布。因此，本工作从实际应用角度证明了微流控离心沉淀分离技术在分离多分散纳米材料（以Si NPs胶体溶液为例）方面的可行性，扩展了该技术的应用范围。
Si NPs的合成与表征
Si NPs胶体溶液是通过在水中对硅靶材进行激光烧蚀获得的。烧蚀后的颗粒尺寸分布通过扫描电子显微镜（SEM）进行分析。激光参数和烧蚀过程详见补充信息。分离后的颗粒样品在芯片通道内通过暗场显微镜进行了表征。
微流控芯片的制备
我们制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片（MFCs）
用于分离Si NPs胶体溶液的微流控芯片几何结构
该微流控芯片的原理基于离心力作用下颗粒在层流中向通道内壁的迁移。通道几何参数根据通用理论设计，以实现目标分离分辨率（直径117–240纳米的米氏共振Si NPs）。芯片采用标准软光刻技术制备[29]。流体运动的主要驱动力是离心压力
结论
我们成功应用了基于沉淀原理设计的微流控芯片，成功分离了由激光烧蚀产生的多分散Si NPs胶体溶液。该方法有效缩小了出口样品中米氏共振Si NPs的尺寸分布。最显著的成果是证实了该方法在分离含有米氏共振Si NPs的胶体溶液方面的可行性，进一步证明了其实际应用价值。
作者贡献声明
Daria Sennikova：研究工作。Sabina Bikmetova：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、数据分析、概念构建。Mikhail Zyuzin：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目指导、概念构建。Dmitry Zuev：项目指导、资源调配、资金争取、概念设计。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究部分工作涉及硅纳米颗粒的合成及其尺寸分离，得到了俄罗斯科学基金会（项目编号25-12-00310，网址：https://rscf.ru/en/project/25-12-00310/）的支持；部分工作涉及微流控芯片的设计与制备，得到了俄罗斯科学基金会（项目编号25-73-20100，网址：https://rscf.ru/project/25-73-20100/）的支持。
