用于遗传代谢病标志物分析的功能化氧化石墨烯修饰聚合物微流控芯片研究

Novel modification techniques of polymer microfluidic chips will be developed based on functionalized graphene oxides with the purpose of controlling electroosmotic flow, increasing the hydrophilicity of the channels, preparing the novel stationary phases of electrochromatography, and enhancing the electrophoretic and electrochromatographic separation of samples. The fabricated microchips will be employed in the analysis of markers associated with inborn errors of metabolism. Graphene oxide can be prepared by chemical oxidation of graphite and sonication exfoliation. Various functionalized graphene oxide will be synthesized by introducing functional groups (such as allyl group, primary amino group, carboxymethyl group, long chain alkyl group, polyethylene glycol, etc.) to graphene oxide via its oxygen-containing functional groups. With the aid of other functionalized materials, they will be modified to the channel surface or packed into the channels of polymer microfluidic chips by bulk polymerization, chemical bonding, surface coating, layer-by-layer assembling approach, in situ polymerization, etc. Novel microfluidic chips will be developed for electrophoresis and electrophochromatography by virtue of the functionalized groups, the single atomic layer two-dimensional carbon skeleton, and the high specific surface area of the functionalized graphene oxide. Moreover, the functionalized graphene-modified polymer microfluidic chips will be applied to measure a variety of markers associated with inborn errors of metabolism (including amino acids, carbohydrates, organic acids, purine, pyrimidines, etc.) in combined with the detection approaches of conductivity and amperometry, offering new techniques for screening inborn errors of metabolism. This project has significant academic value and potential application prospects.

本课题拟建立基于功能化氧化石墨烯的聚合物微流控芯片修饰技术，以达到控制电渗流、提高通道亲水性和制备新型电色谱固定相等目的，提高芯片对样品的电泳和电色谱分离能力，并用于遗传代谢病标志物分析。由石墨经化学氧化和超声剥离制备氧化石墨烯，通过其表面的含氧基团引入烯丙基、伯胺基、羧甲基、长链烷基、聚乙二醇等基团可得多种功能化氧化石墨烯，将采用本体聚合、化学键合、表面涂布、层层自组装、原位聚合等方法与其它功能材料复合并修饰到聚合物微流控芯片通道表面或者填充到通道中，借助功能化氧化石墨烯的功能基团、单原子层二维碳骨架和高比表面积等优势制备可用于电泳和电色谱分离的新型微流控芯片。在此基础上，将功能化氧化石墨烯修饰聚合物芯片与电导和安培检测技术联用，建立氨基酸类、碳水化合物类、有机酸类、嘌呤类和嘧啶类等遗传代谢病标志物分析技术，为遗传代谢病筛查提供新技术和新方法，有良好的学术价值和实际意义。

本项目研制了一系列氧化石墨烯和石墨烯功能材料，采用表面涂布、化学键合、层层自组装、原位聚合等方法与其它功能材料复合并修饰到聚合物微流控芯片通道表面或者填充到通道中，借助功能化氧化石墨烯的功能基团、单原子层二维碳骨架和高比表面积等优势制备了可用于电泳和电色谱分离以及样品前处理的新型微流控芯片。此外，还制备了一系列基于石墨烯和碳纳米管等的微流控芯片安培检测用碳基纳米复合材料电极和样品富集用新型功能化石墨烯复合材料。在此基础上，将功能化氧化石墨烯修饰聚合物芯片与安培和电导检测技术联用，建立了氨基酸类、碳水化合物类、有机酸类、嘌呤类、嘧啶类和蛋白类等遗传代谢病标志物分析技术。.本项目在一些关键技术方面获得进展，取得的主要研究成果有：远红外线辅助热压制备聚合物微流控芯片的方法、纸芯微流控芯片和酶解反应器、基于氧化石墨烯-脲醛多孔复合材料本体柱的微流控反应器、基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法、基于氧化石墨烯-脲醛树脂涂层的石墨烯修饰微流控芯片、基于氧化石墨烯-硅溶胶涂层的石墨烯修饰微流控芯片、石墨烯-壳聚糖层层自组装固定化酶微流控芯片反应器、基于石墨烯和碳纳米管复合材料的系列微流控芯片安培检测电极、新型磁力组装自准直微流控安培检测池、氧化亚铜微球模板牺牲法制备的多孔石墨烯富集材料、蛋白富集用石墨烯-钴微球磁性杂化材料以及氨基酸类、碳水化合物类、有机酸类、嘌呤类、嘧啶类和蛋白类等遗传代谢病标志物微流控分析技术等。项目取得的成果可促进了微流控芯片技术自身的发展及其在临床检验中的应用，可为遗传代谢病筛查提供新技术和新方法，有良好的学术价值和实际意义。同时，本项目创新性的将石墨烯与微流控芯片结合，开辟了新的研究领域。本项目获得国家发明专利授权4项，申请发明专利5项，已发表标注本项目资助的相关SCI论文16篇，通讯作者均为项目负责人，其中影响因子大于4.0的论文有12篇。