用于发光功能化聚合物材料合理化设计的单颗粒成像-流式分选方法研究
批准号:
22104148
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
孔维俊
依托单位:
学科分类:
化学成像
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
孔维俊
中文摘要
材料科学领域中,功能化材料的构效关系研究始终占有非常重要的地位,通过深入了解材料理化性质的结构基础,可实现材料的合理化设计。然而,传统的构效关系研究因无法克服粒子间固有不均一性的干扰,只能依赖于目标模糊、效率低下的“条件试错式”实验。因此,我们提出一种基于单颗粒成像和微流控-流式分选的组合方法,用于发光功能化聚合物材料的合理化设计。拟借助高精度的单颗粒成像获取每个粒子的发光性能数据,辅以多种微观结构表征手段,建立构效关系模型,用于指导材料合理化设计。此外,为满足提效、降耗的痛点需求,本项目拟设计一套高通量、自动化的微流控-流式分选系统。该系统通过微流芯片完成材料前处理过程,利用流式分选大幅提升对目标粒子亚群的搜寻效率和富集效率。本项目的顺利实施,不仅可使材料构效关系研究摆脱盲目的“条件试错式”方法,还为单颗粒成像研究领域提供了一种新型、高效的研究模式,对该新兴领域的发展具有积极的推动作用。
英文摘要
Exploring the structure–property relationship of luminescent functional materials plays a central role in materials science, because it holds great promise for the rational design of better materials by understanding the structural basis of the corresponding chemical and physical properties. However, the study of structure-activity relationship have mainly relied on low-efficiency conventional trial-and-error procedures in which the interference of inherent inhomogeneity among particles is indelible under this circumstance. Therefore, we propose a combination method based on single-particle imaging and microfluidic-flow cytometry for the rational design of luminescent functional polymer materials. With the aid of high-precision single-particle imaging and a variety of microstructure characterizations, the structure-activity relationship of the material is established to guide its rational design. In addition, in order to meet the key requirements, this project plans to design and build a high-throughput, automated microfluidic-flow cytometry system. The system performs the material pre-processing through the microfluidic chip, and the flow cytometry system is used to significantly improve the search efficiency and the enrichment efficiency for targeting particle subpopulations. The implementation of this project not only helped the research on structure-activity relationship to get rid of the blind trial-and-error procedures, but also provided a new and efficient research mode for the single-particle imaging, which is playing a positive role in promoting this emerging field.
单颗粒成像技术通过连续监测视野内每个粒子光学行为变化的全过程,克服了粒子之间固有的结构和功能化程度不均一性的干扰,使之能深入了解材料中优势粒子亚群的构效关系模型,因而得以实现材料的合理化设计。本项目利用自主开发的高通量微流控-流式分选系统,针对基于单颗粒成像的材料构效关系研究中的核心需求——目标粒子亚群的筛选,构建了一套低耗、高效的构效关系研究系统,用于荧光功能化聚合物微球的合理化设计。我们通过对商业化流式细胞仪的样机理论学习、深入观察以及实际使用实践,完成了微流控-流式分选系统的光学检测模块、微流控硬件控制模块、微流控芯片模块和信号处理模块的自主设计和搭建。经过反复测试,对微流控芯片的超二十版迭代获得了具有成熟结构的微流控芯片。随后,再对光学检测模块、微流控硬件控制模块和信号处理模块的大量测试优化后,最终获得了一套具备目标粒子亚群分选的微流控-流式分选系统。对于预设荧光阈值的分选,其阳性分选效率可达92%以上。以此设备做为支撑,我们完成了一种荧光水凝胶微球结构的合理化设计,并形成了一套用于荧光水凝胶微球的通用制备方法,该方法产生的荧光水凝胶微球直径可在近三个数量级范围内任意调节,并且具备高度的尺寸均一性(CV值小于2%),其荧光强度和均一性优于大多数同类技术。此外,我们还将微流控-流式分选系统用于了化学发光功能化磁性微球的目标粒子亚群筛选,获得了具有显著性能优势的粒子亚群,该工作目前处于结果整理阶段。项目执行期间共发表SCI学术论文5篇(已标注项目号),其中3篇作为JCR一区期刊的封面文章发表,申请发明专利1项,较好的完成了项目的预定目标。
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