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西安交大科研團隊提出“激光切水”的新策略  圖1.（a）制備SiO2納米顆粒包覆的水餅和激光切割水餅的操作程序，（b）激光切割水餅制造的各種“水圖案”。 包覆有疏水性SiO2納米顆粒的水餅可被激光切割的原因主要有兩個：第一，水餅表面的SiO2納米顆粒對波長為10.6微米的紅外激光的紅外激光具有較強吸收。激光照射后，SiO2納米顆粒吸收激光能量將其轉換為熱量用于水的汽化；第二，當局部的水被汽化后，水的流動會帶動表面的SiO2納米顆粒進一步將暴露的水面覆蓋，進而阻止了水的愈合過程（圖2a,b）。為闡述激光切割包裹SiO2納米顆粒水餅的物理過程，通過理論分析和數(shù)學模擬對激光切水過程中涉及到的傳熱和液體流動進行了分析，發(fā)現(xiàn)水餅的厚度是影響激光切水過程的重要因素，包括消耗的時間、所需的激光功率和加工的精度（圖2c, d）。并通過實驗探究了水的體積對水餅面積、水餅厚度對切割可行性及水餅厚度、激光掃描速度對加工精度等影響，得到了優(yōu)化后“激光切水”的實驗參數(shù)。  圖2.（a）激光切割SiO2納米顆粒包裹水餅的示意圖，（b）激光切割水餅的過程中液體流動的示意圖，（c）激光照射點周圍SiO2納米顆粒的溫度隨時間和位置的變化趨勢，（d）激光切割水餅的過程中水的形貌變化和溫度擴散。 之后，他們應用激光切割機成功加工出包括十字交叉通道、分散型通道、陣列型通道、彎曲通道、集成型通道、螺旋通道等常用的微流控芯片（圖3）。并且，激光切水加工的微流控芯片精度可達350 微米（圖3c），證實了“激光切水”加工復雜微流控結構的能力。  圖3.（a）利用激光切割SiO2納米顆粒包覆的水餅制造微流控芯片的動態(tài)過程，（b）十字交叉型芯片，（c）分散型芯片及局部放大圖，（d）放射型芯片，（e）液滴陣列型芯片，（f）單彎曲通道型芯片，（g）集成型芯片，（h）彎曲通道陣列型芯片，（i）螺旋型芯片。 應用“激光切水”加工的微流控芯片和液滴進行了包括液體泵送、閥、液體混合、液體梯度稀釋和分段溶液構建等液體操控，證實了制備的自支撐微流控芯片和液滴的液體操控功能（圖4a, b）；基于加工的微流控芯片的開放性，以其為小型化反應平臺實現(xiàn)了銅氨絡合反應（圖4c）；基于微流控芯片的透光性，將其開發(fā)為生化傳感的微反應器和比色檢測平臺，用于金屬離子、蛋白質、尿素和核酸等生物標志物的檢測（圖4d-f）；最后，將加工的微流控芯片作為圖案化的模具，實現(xiàn)了液態(tài)金屬的電動操控和圖案化水凝膠的合成（圖4g），并作為藥物梯度稀釋和細胞培養(yǎng)平臺（圖4h）。  圖4.（a）液滴內的液體混合，（b）利用加工的微流控芯片實施液體梯度稀釋，（c）利用加工的微流控芯片演示銅氨絡合反應，（d）利用加工的微流控芯片實施蛋白質、尿素和pH檢測，（e）利用加工的微流控芯片實施金屬離子檢測，（f）利用加工的微流控芯片實施基于合成生物學的核酸傳感，（g）利用加工的微流控芯片作為合成圖案化水凝膠的模具及其應用演示，（h）加工的微流控芯片作為藥物梯度稀釋和細胞培養(yǎng)平臺用于藥物篩查。 該工作創(chuàng)新性地提出了一種通過激光切割加工水的策略，通過束縛水的流動解決了精確加工水的難題，并通過理論分析、計算機模擬和實驗探究對這一策略背后的機理進行了詳細分析。在應用層面上，通過激光切割水制備的微流控芯片具有開放、透明、透氣等特點，在化學、健康、材料科學和生物醫(yī)學等眾多應用領域展示出應用潛力。 該工作以《基于切割納米顆粒包裹水餅的激光加工水》（“Machining water through laser cutting of nanoparticle-encased water pancakes”）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。文章通訊作者為西安交通大學生命科學與技術學院仿生工程與生物力學研究所李菲教授和西北工業(yè)大學理學院李曉光副教授，第一作者為西安交通大學生命科學與技術學院博士生牛紀成，共同作者包括西安交通大學生命科學與技術學院仿生工程與生物力學研究所徐峰教授、李心澤、劉禹霖、張超、岳可仰、周玉琳同學等，西安交通大學生命科學與技術學院為該論文的第一和通訊作者單位。該工作得到了陜西省杰出青年科學基金項目（2020JC-06）、陜西省重點研發(fā)計劃（2021SF-168）和西安交通大學青年拔尖人才和創(chuàng)新團隊（SY6J007，22127803HZ）等項目的資助。 |
