西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院Pavel Neuzil教授研究團(tuán)隊(duì)與香港科技大學(xué)Levent Yobas副教授研究團(tuán)隊(duì)合作，在面向亞納升量級(jí)流體樣品的差式掃描量熱分析方面取得重要進(jìn)展。2022年1月9日至13日，相關(guān)成果以“A Sub-nL differential scanning calorimetry chip for liquid crystal phase transition characterization”為題，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域的國際頂級(jí)會(huì)議暨第35屆國際MEMS會(huì)議上做大會(huì)報(bào)告，并獲得本次大會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)，這也是中國大陸第4篇在該會(huì)議獲獎(jiǎng)的論文。該論文的第一作者為香港科技大學(xué)博士生倪晟，通訊作者為Pavel Neuzil教授和Levent Yobas副教授。
圖1 西北工業(yè)大學(xué)與香港科技大學(xué)合作設(shè)計(jì)制作的微流控量熱芯片和芯片微通道掃描電鏡圖
差示掃描量熱法（DSC）是一種能夠測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的熱分析方法，廣泛應(yīng)用在對(duì)材料的熱物性分析、生化反應(yīng)的熱焓測(cè)定等多個(gè)研究領(lǐng)域。量熱法是近年來研究生物分子熱力學(xué)特性的重要方法，增強(qiáng)了我們對(duì)這些分子結(jié)構(gòu)和熱動(dòng)力學(xué)特性的理解。但是，生物樣品通常大小有限，并且過程中產(chǎn)熱量很少，無法用商業(yè)DSC系統(tǒng)直接分析。基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的DSC芯片可以解決這些問題，具有更高的靈敏度、更短的響應(yīng)時(shí)間和更少的樣品消耗。然而，現(xiàn)有的DSC芯片由于響應(yīng)時(shí)間長而在快速溫度掃描階段出現(xiàn)熱譜圖失真的問題。因此，如何開發(fā)基于DSC芯片的超快速高分辨熱分析系統(tǒng)是本領(lǐng)域急需解決的重要問題之一。
研究團(tuán)隊(duì)通過MEMS工藝實(shí)現(xiàn)了一體式氮化硅微流控通道的懸空制作，加工出最大深度不超過10 μm和總?cè)莘e約270pL的半橢圓形通道，實(shí)現(xiàn)了2.3 μJ/K的低系統(tǒng)熱容，從而最大限度地減少了DSC系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，增加了超快速熱譜圖中相變溫度的準(zhǔn)確性。隨后搭建了低真空恒溫測(cè)試平臺(tái)，并通過液晶相變的表征實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)芯片性能的測(cè)試，解決了DSC測(cè)量中的失真問題和實(shí)現(xiàn)了快速DSC測(cè)試。這是第一款能夠以皮升體積容量測(cè)量液體樣品的DSC芯片，達(dá)到了6.29 nW的熱流分辨率，是目前DSC系統(tǒng)中分辨率最高的。此次大會(huì)展示的DSC系統(tǒng)具有的超高分辨率和快速熱響應(yīng)，為微量生化反應(yīng)的熱分析提供了工具，在樣品熱分析、熱譜圖表征和生物熱力學(xué)等方面具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。該論文工作中，西北工業(yè)大學(xué)Pavel Neuzil教授指導(dǎo)博士生朱含亮主要完成芯片設(shè)計(jì)和理論計(jì)算的工作，并為后期的測(cè)試提供技術(shù)支持；香港科技大學(xué)Levent Yobas副教授及其博士生倪晟主要完成芯片的微加工工藝和DSC平臺(tái)搭建，并設(shè)計(jì)完成了驗(yàn)證試驗(yàn)。
圖2 芯片封裝以及用于測(cè)試的恒溫真空腔室（左圖）芯片系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DSC儀器在快速掃描時(shí)的溫度偏差（右圖）
Pavel Neuzil教授是微機(jī)電系統(tǒng)及納米技術(shù)和微流控芯片等領(lǐng)域的國際專家，于2015年10月受聘于西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院微系統(tǒng)工程系。與西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院常洪龍教授共同籌建“微納流控技術(shù)人才特區(qū)”實(shí)驗(yàn)室，并針對(duì)數(shù)字PCR芯片、壁虎仿生納米結(jié)構(gòu)以及活體細(xì)胞溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等前沿課題進(jìn)行科學(xué)研究，在 Nature Reviews Drug discovery ， Nature Medicine ， Nucleic Acids Research ， Angewandte Chemie ， Nano Letters ， Analytical Chemistry ， Lab on a Chip 等期刊發(fā)表第一、通訊作者論文110余篇，相關(guān)論文他引6400余次。西北工業(yè)大學(xué)就職期間，Pavel Neuzil教授主持科技部國際合作重點(diǎn)科研項(xiàng)目1項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金科研項(xiàng)目1項(xiàng)，在科研教學(xué)、人才培養(yǎng)、國際交流合作等多方面取得了顯著的成果，長期推動(dòng)西北工業(yè)大學(xué)的對(duì)外交流與合作，提高了西北工業(yè)大學(xué)的知名度和影響力。
