面向纳米颗粒尺寸分离的布朗筛分装置

《Lab on a Chip》：Towards a Brownian sieving device for nanoparticle size separationsOpen Access

　　

研究人员报道了一项初步研究，旨在测试一种用于实现所谓布朗筛分强化水动力学色谱（Brownian sieve-enforced hydrodynamic chromatography, BS-HDC）原理验证装置的液体流动和颗粒扩散特性。BS-HDC是一种新提出的分离原理，它将常规水动力学色谱（hydrodynamic chromatography, HDC）与一个尺寸筛分步骤相结合，以提升其选择性和效率；该筛分步骤通过一个微孔或纳米孔隔墙实现，该隔墙将中心进样通道与外围辅助通道相连，外围辅助通道具有不同的平均流速，且只能接纳样品中的小颗粒。研究人员证明了制造具有400 nm筛缝的原理验证装置的可行性，并报告了使用荧光标记物进行的流动和扩散测试。这些测试证明了速度场的量级以及中心通道与外围辅助通道之间横跨纳米间隙的输运行为，与理论预期完全吻合。具体而言，横跨纳米间隙的输运由分子扩散主导。使用235 nm和563 nm颗粒进行的纳米筛分实验表明，该装置能够选择性地将较小颗粒输运通过纳米筛缝，而较大颗粒则保留在中心进样通道中，选择性达到100%。然而，观察到的通量受到通道入口和出口附近与扩散输运方向相反的局部对流的强烈影响，研究人员认为这一现象可归因于流动分配器中持续存在的气泡产生了不利的压力波动。

论文解读：面向纳米颗粒尺寸分离的布朗筛分装置研究

纳米颗粒的尺寸分离在基础研究和实际应用中均具有重要意义，然而由于布朗运动、多分散性以及纳米尺度下表面力主导效应等因素，该任务极具挑战性。传统分离技术如超速离心、毛细管电泳等存在分辨率受限、样品损失或对表面电荷依赖性强等缺点。场流分离虽选择性高，但需要精确控制外部驱动场，仪器复杂。基于液相色谱的方法，特别是水动力学色谱（HDC），依靠对流和扩散实现被动输运，操作简单，但选择性较低，因为颗粒尺寸差异引起的平均流速差异很小，导致分离效率不足。为此，Cerbelli等人提出了布朗筛分强化水动力学色谱（BS-HDC）概念，通过在多孔壁分隔的中心通道和外围通道之间引入尺寸筛分，使得小颗粒能够扩散进入流速不同的外围通道，从而放大尺寸依赖的迁移速度差异，提高分离选择性。然而，该概念最初仅为理论研究，缺乏实验验证。本研究旨在设计和制造一个原理验证型BS-HDC装置，并通过流体动力学和颗粒筛分实验评估其可行性与性能。

研究人员利用硅微加工技术成功制造了包含128对平行二元通道的微流控芯片，通道深度约10 μm，中心与外围通道之间由带有纳米间隔柱的固体壁分隔，顶部留有约400 nm的纳米筛缝。该装置采用玻璃-硅-玻璃三层阳极键合封装，并设计了分叉流分配器以支持中心和外周两套独立流体回路。研究团队首先使用荧光染料香豆素C440开展流体实验，测量了不同压力下的平均流速，并通过示踪脉冲实验监测染料在中心与外围通道间的扩散交换，同时结合计算流体动力学（CFD）数值模拟进行对比。随后，使用平均直径分别为235 nm和563 nm的聚苯乙烯荧光纳米颗粒进行筛分实验，以验证装置对二组分混合物的尺寸选择性分离能力。

本研究采用的主要关键技术方法包括：基于UV光刻、反应离子刻蚀（RIE）和Bosch工艺的硅微加工技术，用于制作纳米间隔柱和微通道；三层玻璃-硅-玻璃阳极键合实现密封；压力驱动流动系统（ElveFlow OB1压力控制器）控制中心和外周通道的独立流量；荧光显微镜与CCD相机用于示踪和粒子成像；数值模拟采用COMSOL Multiphysics 6.2求解稳态蠕流和瞬态对流-扩散方程。颗粒样本为商业化荧光聚苯乙烯标准粒子（来自microParticles GmbH），以四硼酸钠缓冲液（pH 9.22，含非离子表面活性剂Triton X-100）悬浮。

在结果与讨论部分，关于“Fabrication and characterization”，通过扫描电镜（SEM）和白光干涉仪对加工结构进行表征，确认纳米间隔柱高度约为380 nm，通道尺寸接近设计值，但存在约500 nm的深度不均，源自Bosch刻蚀的固有特性。对准误差控制在0.25–0.35 μm以内，证明了制造工艺的可行性。

关于“Fluidic experiments”，通过荧光染料实验和数值模拟，验证了平均流速与施加压力呈线性关系，符合层流特性。实验还表明，中心通道与外围通道之间的物质交换速率与理论扩散模型高度一致，证实跨纳米间隙的输运主要受分子扩散控制；不同流速下的实验数据在按时间归一化后汇聚到同一扩散曲线，进一步确认了该结论。

关于“Sieving experiments”，研究分别注入235 nm和563 nm的纳米颗粒。结果显示，235 nm颗粒能通过纳米筛缝从中心通道转移至外围通道，而563 nm颗粒则被阻隔在中心通道内，实现了100%的选择性。然而，实验观察到的235 nm颗粒跨通道通量低于理论预期，且在通道入口和出口附近出现局部浓度异常，推测是由流动分配器中滞留气泡导致的压力波动引起局部对流所致。此外，静电排斥和少量大粒径聚集体也可能降低扩散通量。

在结论部分，研究人员总结了本研究的主要成果：尽管装置设计复杂，但制造精度满足要求；荧光示踪实验证明跨纳米筛缝的物质输运以分子扩散为主导；纳米筛分实验验证了该装置能够实现高选择性的尺寸分离（100%选择性）。然而，颗粒通量低于预期，且局部对流干扰明显，归因于气泡引起的压力波动。未来的改进方向包括重新设计入口/出口流体回路、采用流量控制泵替代压力控制，以及优化颗粒-缓冲液体系以抑制静电排斥。这项研究为BS-HDC概念提供了首个原理验证，证明了其在提升纳米颗粒尺寸分离效率和缩短通道长度方面的潜力，为后续开发更实用的纳米颗粒分离器件奠定了基础。