本發(fā)明涉及微納尺度物質(zhì)的分離技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)這一概念的提出，科學(xué)界對于癌細(xì)胞、生物大分子、病毒等微納尺度物質(zhì)的分離分析日益重視。目前對于癌細(xì)胞等微納尺度物質(zhì)的分離方法主要有免疫磁珠法、場流分離法、電泳法及尺寸排阻法等。然而，這些方法仍然存在易出現(xiàn)假陰(陽)性結(jié)果、需要對目標(biāo)物進(jìn)行標(biāo)記、分離度低、分離效率差等問題。其中，傳統(tǒng)的尺寸排阻技術(shù)雖然操作簡單，無需標(biāo)記目標(biāo)物，能實現(xiàn)高通量分離，但由于其固定相本身的尺寸大小是一定的，故對目標(biāo)物很難實現(xiàn)準(zhǔn)確、高效地分離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法，將微流控技術(shù)、碳納米材料制備技術(shù)、磁場輔助技術(shù)與尺寸排阻色譜技術(shù)結(jié)合起來，利用碳納米纖維的表面和形貌性質(zhì)而實現(xiàn)微納尺度物質(zhì)準(zhǔn)確、高效地、無損分離。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法，包括以下步驟：

(1)在基底表面生長碳納米纖維，得到碳納米纖維/基底，在所述碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒，得到磁性碳納米纖維/基底；

(2)將所述步驟(1)得到的磁性碳納米纖維/基底組合成分離通道，在磁場作用下，使微納尺度物質(zhì)經(jīng)過所述分離通道后分離。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中基底包括圓柱狀基底和/或平面基底，所述圓柱狀基底包括石英光纖、石英毛細(xì)管、鉛筆芯、硅柱和金屬絲中的任意一種，所述平面基底包括硅片和石英玻璃片中的任意一種。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中在碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒的方法包括以下步驟：將碳納米纖維/基底在二氧化硅溶液中浸泡，干燥，再利用氧化反應(yīng)和脫水縮合反應(yīng)將帶氨基的磁性納米顆粒修飾到碳納米纖維的一端，使碳納米纖維的一端帶有磁性，最后再用氫氟酸將碳納米纖維表面的二氧化硅除去。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中碳納米纖維的長度為10～1000μm，所述碳納米纖維為垂直于基底的陣列形式。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中碳納米纖維包括碳納米管和實心的碳納米纖維。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中組合包括：圓柱基底組合、平面基底組合或圓柱基底與平面基底組合；

當(dāng)所述組合為圓柱基底組合時，所述圓柱基底的外徑為1～1000μm；

當(dāng)所述組合為平面基底組合或圓柱基底與平面基底時，所述分離通道的深度為300～2000μm。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中磁場強度為(0,0.5]t。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中磁場是由磁鐵或者電磁鐵產(chǎn)生。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中還包括利用毛細(xì)管或者peek管將分離通道的兩端分別與進(jìn)樣口、流動相入口以及檢測器相連，將微納尺度物質(zhì)注入進(jìn)樣口，將流動相注入流動相入口，微納尺寸物質(zhì)和流動相共同通過分離通道，進(jìn)入檢測器。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中微納尺度物質(zhì)包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和癌細(xì)胞中的兩種或三種。

本發(fā)明提供了一種磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法，包括以下步驟：在基底表面生長碳納米纖維(carbonnanofibers，cnfs)，得到碳納米纖維/基底，在所述碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒，得到磁性碳納米纖維/基底，將磁性碳納米纖維/基底組合成分離通道，在磁場作用下，微納尺度物質(zhì)經(jīng)過所述分離通道后實現(xiàn)分離。本發(fā)明將微流控技術(shù)、碳納米材料制備技術(shù)、磁場輔助技術(shù)與尺寸排阻色譜技術(shù)結(jié)合起來，創(chuàng)建一種新型的磁場輔助碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法，利用碳納米纖維的表面和形貌性質(zhì)而使目標(biāo)物得到分離，能夠通過改變外加磁場的強度、施加方向來調(diào)控分離通道內(nèi)碳納米纖維的間隙尺寸大小及其排列方向，從而實現(xiàn)對多種微納尺度物質(zhì)的分離，該方法分離對象廣泛，操作簡單，無損，安全。

本發(fā)明的分離機理：①距離磁場越近的碳納米纖維所受的吸引力越大，即它們之間橫向上所形成的間隙越小，縱向上所形成的分離通道尺寸越大，而距離磁場較遠(yuǎn)的碳納米纖維所受的吸引力越小，它們之間橫向上所形成的間隙越大，縱向上所形成的分離通道尺寸越?。虎诋?dāng)磁場方向改變后，碳納米纖維會朝相反的方向運動，橫向上它們的間隙以及縱向上所形成的分離通道尺寸大小也會發(fā)生變化，當(dāng)不同大小的細(xì)胞等微納尺度物質(zhì)進(jìn)入該分離通道后，由于碳納米纖維本身的擺動會帶動微納尺度物質(zhì)不斷與分離通道內(nèi)兩側(cè)的碳納米纖維所接觸，小尺寸的微納尺寸物質(zhì)會很快進(jìn)入小尺寸的碳納米纖維間隙，而較大尺寸的微納尺度物質(zhì)則會隨流動相向前運動一段距離后才會被較大尺寸的碳納米纖維間隙所保留；③當(dāng)磁場方向反復(fù)改變時，碳納米纖維的間隙大小及方向的變化會使得微納尺寸物質(zhì)被反復(fù)的排阻，最終較大尺寸的待分離物會先被排阻出來，而較小尺寸的待分離物會后被流動相洗脫出來，從而最終實現(xiàn)對不同尺寸的細(xì)胞等微納尺度物質(zhì)的分離。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明實施例1磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為石英光纖，2為三根相同規(guī)格的磁性碳納米纖維/石英光纖進(jìn)行粘合后的結(jié)構(gòu)，3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，5為毛細(xì)管，6為進(jìn)樣器，7為流動相注射泵，8為紫外檢測器，9為磁性碳納米纖維/石英光纖，10為分離通道；

圖2為本發(fā)明實施例1施加磁場后磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中磁性納米粒子的擺動方向示意圖，圖2(a)為磁場方向位于分離通道的左側(cè)時磁性納米粒子的擺動方向示意圖，圖2(b)為磁場方向位于分離通道的右側(cè)時磁性納米粒子的擺動方向示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中紅細(xì)胞和癌細(xì)胞在磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中的分離情況示意圖，圖3(a)為磁場方向位于分離通道的左側(cè)時紅細(xì)胞和癌細(xì)胞的分離情況示意圖，圖3(b)為磁場方向位于分離通道的右側(cè)時紅細(xì)胞和癌細(xì)胞的分離情況示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例2磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例3磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法，包括以下步驟：

(1)在基底表面生長碳納米纖維，得到碳納米纖維/基底，在所述碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒，得到磁性碳納米纖維/基底；

(2)將所述步驟(1)得到的磁性碳納米纖維/基底組合成分離通道，在磁場作用下，使微納尺寸物質(zhì)經(jīng)過所述分離通道后分離。

本發(fā)明在基底表面生長碳納米纖維，在所述碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒，得到磁性碳納米纖維/基底。

在本發(fā)明中，所述基底優(yōu)選包括圓柱狀基底和/或平面基底，所述圓柱狀基底優(yōu)選包括石英光纖、石英毛細(xì)管、鉛筆芯、硅柱和金屬絲中的任意一種，所述圓柱狀基底的外徑優(yōu)選為1～1000μm；所述平面基底包括硅片和石英玻璃片中的任意一種，本發(fā)明對所述平面基底的厚度沒有特殊的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要選擇不同厚度的平面基底。

本發(fā)明優(yōu)選對所述基底進(jìn)行表面處理，本發(fā)明對所述表面處理的方式?jīng)]有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的基底表面處理方式即可，具體的如高溫氧化或者酸處理氧化，必要時還包括對基底表面的刻蝕。

表面處理完成后，本發(fā)明在基底表面生長碳納米纖維，得到碳納米纖維/基底。本發(fā)明對所述在基底表面生長碳納米纖維的方法沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)手段即可，具體的如利用化學(xué)氣相沉積法在基底表面生長碳納米纖維，參見《化學(xué)氣相沉積法快速生長定向納米碳管》，曹宗良等，新型炭材料,2003,18(1):48～52。

在本發(fā)明中，所述碳納米纖維優(yōu)選包括碳納米管和實心的碳納米纖維，本發(fā)明中，所述碳納米纖維的長度優(yōu)選為10～1000μm，本發(fā)明對所述碳納米纖維的直徑、碳納米纖維的分布密度沒有特殊的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)待分離微納尺寸物質(zhì)的大小、分離時間等實際需要進(jìn)行限定。本發(fā)明中，所述碳納米纖維優(yōu)選為垂直于基底的陣列形式。

得到碳納米纖維/基底后，本發(fā)明在所述碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒，得到磁性碳納米纖維/基底。

在本發(fā)明中，所述在碳納米纖維與基底表面無接觸的一端附載磁性納米顆粒的方法優(yōu)選包括以下步驟：將碳納米纖維/基底在二氧化硅溶液中浸泡，干燥，再利用氧化反應(yīng)和脫水縮合反應(yīng)將帶氨基的磁性納米顆粒修飾到碳納米纖維的一端，使碳納米纖維的一端帶有磁性，最后再用氫氟酸將碳納米纖維表面的二氧化硅除去。

本發(fā)明優(yōu)選將碳納米纖維/基底在二氧化硅溶液中浸泡，干燥得到二氧化硅包覆的碳納米纖維/基底。本發(fā)明對浸泡時間、二氧化硅溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、二氧化硅溶液的溶劑沒有特殊的限定，使碳納米纖維/基底被二氧化硅溶液完全包覆即可。在本發(fā)明中，所述二氧化硅溶液的溶劑優(yōu)選為水和乙醇的混合液。

浸泡完成后，本發(fā)明將二氧化硅包裹的產(chǎn)物進(jìn)行自然干燥。在本發(fā)明中，所述干燥優(yōu)選為室溫干燥，不需要額外的加熱或降溫，自然干燥能夠使二氧化硅包覆在碳納米纖維下半部表面，而不包覆其頭部。干燥后，本發(fā)明利用氧化反應(yīng)和脫水縮合反應(yīng)將帶氨基的磁性納米顆粒修飾到碳納米纖維的一端，使碳納米纖維的一端帶有磁性。

本發(fā)明對所述氧化反應(yīng)、脫水縮合反應(yīng)的具體過程沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的常規(guī)技術(shù)手段即可，具體的，氧化反應(yīng)可以是二氧化碳氧化法，濃酸氧化法，所述氧化反應(yīng)使得碳納米纖維的頭部帶有羧基，然后將頭部帶有羧基的碳納米纖維與帶氨基的磁性納米顆粒在乙醇等溶液中反應(yīng)，經(jīng)脫水縮合后，使得碳納米纖維頭部帶上磁性納米顆粒。

得到磁性碳納米纖維/基底后，本發(fā)明將所述磁性碳納米纖維/基底組合成分離通道，在磁場作用下，使微納尺度物質(zhì)經(jīng)過所述分離通道后實現(xiàn)分離。

在本發(fā)明中，所述組合包括：圓柱基底組合、平面基底組合或圓柱基底與平面基底組合；

當(dāng)所述組合為圓柱基底組合時，所述圓柱基底的外徑優(yōu)選為1～1000μm；在本發(fā)明實施例中，優(yōu)選采用兩根或者三根石英光纖組合成分離通道，當(dāng)所述石英光纖為兩根時，優(yōu)選按照兩者平行組合得到分離通道，當(dāng)所述石英光纖為三根時，優(yōu)選按照“金字塔型”組合成分離通道，如圖1所示，分離通道10是由三根相同規(guī)格的磁性碳納米纖維/石英光纖2進(jìn)行粘合后得到的；

當(dāng)所述組合為平面基底組合或圓柱基底與平面基底時，所述分離通道的深度優(yōu)選為300～2000μm，等于引流用的毛細(xì)管或者peek管的外徑大??；在本發(fā)明實施例中優(yōu)選平面基底上下平行組合或圓柱基底與平面基底上下平行組合得到分離通道，所述平面基底上下平行組合，更優(yōu)選為兩個石英玻璃片上下平行排列組合成分離通道(如圖5所示)，所述圓柱基底與平面基底上下平行組合更優(yōu)選為兩個石英毛細(xì)管和一個石英玻璃片上下平行組合成分離通道(如圖4所示)。

分離通道組合完成后，本發(fā)明在磁場作用下，使微納尺寸物質(zhì)經(jīng)過所述分離通道后實現(xiàn)分離。在本發(fā)明中，所述磁場強度優(yōu)選為(0,0.5]t，更優(yōu)選為0.2～0.3t。

在本發(fā)明中，所述微納尺度物質(zhì)優(yōu)選包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和癌細(xì)胞中的兩種或三種。

在本發(fā)明中，所述磁場優(yōu)選由磁鐵或者電磁鐵產(chǎn)生，本發(fā)明優(yōu)選通過改變磁鐵的位置改變磁場的方向，優(yōu)選通過改變電磁鐵的電源大小改變磁場的強度大小，控制磁性碳納米纖維的擺動，當(dāng)磁場方向不同時，磁性碳納米纖維的擺動不同，如圖2所示。當(dāng)不同大小的細(xì)胞等微納尺度物質(zhì)進(jìn)入該分離通道后，由于碳納米纖維本身的擺動會帶動微納尺寸物質(zhì)不斷與分離通道內(nèi)兩側(cè)的碳納米纖維所接觸，小尺寸的微納尺度物質(zhì)會很快進(jìn)入小尺寸的碳納米纖維間隙，而較大尺寸的微納尺度物質(zhì)則會隨流動相向前運動一段距離后才會被較大尺寸的碳納米纖維間隙所保留，從而實現(xiàn)微納尺度物質(zhì)的分離。

本發(fā)明還優(yōu)選包括利用毛細(xì)管或者peek管將分離通道的兩端與進(jìn)樣口、流動相入口以及檢測器相連，將微納尺度物質(zhì)注入進(jìn)樣口，將流動相注入流動相入口，微納尺寸物質(zhì)和流動相共同通過分離通道，進(jìn)入檢測器。在本發(fā)明中，優(yōu)選分離通道的深度等于所述毛細(xì)管或者peek管的外徑大小。

本發(fā)明對所述流動相的種類、流動相的流速、微納尺度物質(zhì)注入進(jìn)樣口的注入速率沒有特殊的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)待分離微納尺度物質(zhì)的種類、尺寸大小等進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

在本發(fā)明中，所述微納尺度物質(zhì)經(jīng)過分離通道后還優(yōu)選包括利用檢測器對微納尺寸物質(zhì)進(jìn)行檢測，以確認(rèn)待分離微納尺度物質(zhì)是否實現(xiàn)了分離。本發(fā)明對所述檢測器的種類沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域常用的檢測器即可，在本發(fā)明實施例中優(yōu)選紫外檢測器。

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜分離方法進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。

實施例1

選取外徑為300μm的石英光纖1為基底，處理后在其表面利用化學(xué)氣相沉積法生長長度為30μm的碳納米纖維，得到碳納米纖維/基底，將碳納米纖維/基底先在二氧化硅溶液中浸泡幾分鐘，取出基底后自然干燥，再利用氧化反應(yīng)和脫水縮合反應(yīng)將帶氨基的磁性納米顆粒修飾到碳納米纖維的一端，使碳納米纖維的一端帶有磁性，得到磁性碳納米纖維/石英光纖9，將三根相同規(guī)格的磁性碳納米纖維/石英光纖按照圖1所示進(jìn)行粘合，組成分離通道10，并將其放入微流控芯片內(nèi)，用毛細(xì)管5將分離通道分別與進(jìn)樣器6、流動相注射泵7以及紫外檢測器8相連，利用紫外檢測器8作為檢測手段，在分離通道一側(cè)設(shè)置電磁鐵產(chǎn)生磁場，如圖1所示，其中2為三根相同規(guī)格的磁性碳納米纖維/石英光纖進(jìn)行粘合后的結(jié)構(gòu)，其中3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，可以通過調(diào)節(jié)電源的強度調(diào)節(jié)磁場強度。

選用紅細(xì)胞和癌細(xì)胞為待分離微納尺寸物質(zhì)進(jìn)行分離，將待分離微納尺寸物質(zhì)經(jīng)過進(jìn)樣器注入分離通道，將流動相pbs緩沖液經(jīng)過流動相注射泵注入分離通道，控制磁場的大小為0.2t，磁場方向交替改變，當(dāng)磁場方向位于分離通道的左側(cè)時，磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中磁性納米粒子的擺動方向如圖2(a)所示，其中1為組合成的色譜分離通道，2為磁性碳納米纖維，3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，5為橫向上磁性碳納米纖維之間的間隙，6為縱向上磁性碳納米纖維之間的間隙；當(dāng)磁場方向位于分離通道的右側(cè)時，磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中磁性納米粒子的擺動方向如圖2(b)所示，其中1為組合成的色譜分離通道，2為磁性碳納米纖維，3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，5為橫向上磁性碳納米纖維之間的間隙，6為縱向上磁性碳納米纖維之間的間隙；當(dāng)磁場方向位于分離通道的右側(cè)時。通過改變磁場的方向，使得分離通道內(nèi)的磁性碳納米纖維能夠擺動，使得碳納米纖維的運動狀態(tài)發(fā)生改變，即橫向上磁性碳納米纖維之間的間隙5和縱向上磁性碳納米纖維之間的間隙6的大小發(fā)生改變，使得待分離的微納尺度物質(zhì)反復(fù)被排阻，最終大尺寸的待分離的微納尺度物質(zhì)由于不能進(jìn)入較小的間隙內(nèi)先被洗脫出來，而小尺寸的待分離的微納尺度物質(zhì)則會較早的進(jìn)入間隙而后被流動相后洗脫出來，實現(xiàn)其分離，如圖3所示，其中圖3(a)為當(dāng)磁場方向位于分離通道的左側(cè)時，紅細(xì)胞和癌細(xì)胞在磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中的示意圖，其中1為組合成的色譜分離通道，2為磁性碳納米纖維，3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，7為紅細(xì)胞，8為癌細(xì)胞；當(dāng)磁場方向位于分離通道的右側(cè)時，紅細(xì)胞和癌細(xì)胞在磁場輔助微流控碳納米纖維尺寸排阻色譜中的示意圖如圖3(b)所示，其中1為組合成的色譜分離通道，2為磁性碳納米纖維，3為繞有線圈的鐵棒，4為電源，7為紅細(xì)胞，8為癌細(xì)胞，經(jīng)分離體系分離后，大尺寸的癌細(xì)胞8先被排阻出來，小尺寸的紅細(xì)胞7后被流動相帶出來，經(jīng)檢測器檢測后，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了紅細(xì)胞和癌細(xì)胞的分離。

實施例2

把實施例1中的三根相同規(guī)格的石英光纖進(jìn)行粘合替換為表面長有cnfs的石英光纖或鉛筆芯或石英毛細(xì)管或金屬與石英玻璃片進(jìn)行組合得到分離通道，結(jié)果如圖4所示，其余與實施例1相同，能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸物質(zhì)的分離。

實施例3

把實施例1中的三根相同規(guī)格的石英光纖進(jìn)行粘合替換為表面長有cnfs的兩塊高純石英片進(jìn)行組合得到分離通道，結(jié)果如圖5所示，其余與實施例1相同，能夠?qū)崿F(xiàn)微納尺寸物質(zhì)的分離。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。