基于光致形变液晶高分子的光控微流体PCR芯片

Photodeformable liquid-crystalline polymers (LCPs) have attracted many attentions due to their unique properties of excellent external responsive, non-contact control, large-scale deformation and good reversibility. The structure and molecular weight of LCPs are key factors that we focus on to optimize photo-responsive, mechanical properties and heat-resistance of the materials. In the previous works, we have prepared a kind of linear liquid crystal polymers (LLCPs) with excellent processing performance and good mechanical properties, which can prepare microtubules and microfluidic chips, realizing the light controlled directional transportation of liquid at room temperature. In order to further expand the application of the LLCPs in the field of microfluidics and realize biological detection function such as polymerase chain reaction (PCR) at relative high temperature, this project plans to improve the heat resistance of the LLCPs by introducing polynorbornene main chain, and master the structure-activity relationship between the microstructure and the macro performance of the material. An intelligent closed-loop microchannel is proposed to be constructed by the LLCPs, and the dynamic circulation of PCR reaction liquid in the closed-loop channel with different temperature regions is controlled by the Laplace pressure generated by the asymmetric deformation. The flow rate is precisely controlled by the channel size difference, and the effects of cyclical speed and channel size on the reaction were studied, which lay the foundation for the development of portable PCR devices.

光致形变液晶高分子材料因具有优异的外场响应性、非接触式精确控制特点、大尺寸形变和良好的可逆性，是刺激响应材料领域的研究热点之一。通过改变液晶高分子的结构、提高分子量等可以有效地优化材料的光响应性能、力学性能以及耐热性等。在前期的研究中，我们制备了一种具有优良加工性能及较好力学性能的线型液晶高分子（LLCPs），可以制备微管及微流控芯片，实现液体在常温下的光控定向运输。为了进一步拓展LLCPs在微流控领域的应用，实现聚合酶链式反应（PCR）等变温生物检测功能，本项目拟通过引入聚降冰片烯主链提高LLCPs的耐热性，掌握材料微观结构与宏观性能的构效关系，并利用LLCPs构筑智能化闭环微通道，通过其形变所产生的拉普拉斯压差操控反应液在闭环通道不同温区中的动态循环，实现PCR反应。通过通道尺寸差异精确调控液体光控循环的流量、流速，研究循环速度、通道尺寸对反应的影响，为便携式PCR装置的开发奠定基础。

光致形变液晶聚合物是一类在光的刺激下能发生形状改变的智能材料，因其具有优异的外场响应性、非接触式精确控制特点、大尺寸形变和良好的可逆性，在人工肌肉、微执行器、微量液体操控等领域具有潜在的应用前景。利用光致形变液晶聚合物构筑光控微流体芯片，有望实现微量液体的全光操控，去除复杂的泵阀结构，极大地简化微流控反应检测系统。在前期的研究中，我们制备了一种具有优良加工性能及较好力学性能的线型液晶高分子（LLCPs），可以制备微管及微流控芯片，通过流道不对称光致形变产生拉普拉斯压差，实现液体在常温下的光控定向运输。本项目为了进一步拓展LLCPs在微流控领域的应用，实现聚合酶链式反应（PCR）等变温生物检测功能，构筑出驱动装置简单、循环次数可控的光控微流体PCR芯片，需要解决两方面核心问题：一是耐热微通道的构建；二是液体循环流动的精确控制。.我们首先从材料微观结构与宏观性能的构效关系入手，利用降冰片烯的开环易位聚合反应（ROMP）合成出不同间隔基长度的LLCPs。在主链中引入环烃结构，提高材料的耐热性能，使材料在室温至120 oC的较宽温区范围内均具有良好的有序排列，拓宽了光致形变材料的使用温度范围，实现不同温度下的光致形变。.随后我们将光致形变LLCP与透明微流控基板复合构筑闭合微通道，利用微型控温片对芯片通道不同区域进行局部控温，创制光控微流体PCR芯片。我们设计环形闭合通道，结合流体力学理论计算，利用通道上不同区域的尺寸差异解决液体进样与循环流动冲突的问题，实现实现光致拉普拉斯压差驱动下液体的循环流动。进一步，我们实现了光控微流体芯片、加热模块和光控模块的集成，首次构筑了用于PCR反应的光流控系统，通过程序化的液体多温区循环操控完成聚合酶链式反应（PCR），实现微量沙门氏菌核酸样品的扩增与检测。本项目将液晶高分子材料与微流控技术相结合，可望促进智能材料、微机电系统（MEMS）、生物检测等多学科的交叉融合，为便携式核酸检测设备的研制奠定基础。