CN116593356B

CN116593356B - 一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法

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Publication number: CN116593356B
Application number: CN202310653302.8A
Authority: CN
Inventors: 刘雪洋; 陈虹宇; 刘鑫国
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2023-06-05
Filing date: 2023-06-05
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2043-06-05
Also published as: CN116593356A

Abstract

本发明涉及一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，属于多步组装的功能材料以及粘度检测应用领域。所述的磁纳米毛刷是指在磁纳米搅拌棒表面生长出金纳米线后，具有能在光学显微镜下可视化、外磁场驱动下旋转、可调节旋转时所受拖拽阻力的一种一维磁性纳米材料。基于磁纳米毛刷自身转速与周围不同粘度溶液间的对应关系，以及其小尺寸优势，这可用来测量最低54nL未知待测溶液的粘度，且有着1.19‑228cP的检测范围。本发明还提出在金纳米线生长过程中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磁纳米毛刷的分散性的影响。在磁纳米搅拌棒表面二次生长出纳米结构的方法，是区别传统的磁纳米搅拌棒的表面修饰和化学改性。

Description

一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，属于多步组装的功能材料以及粘度检测应用领域

背景技术

粘度是指：

粘度是液体响应流动和形状变化的一种阻滞力。它是液体的基本特性，并且影响着我们的日常生活和前沿研究。无论是从海洋中的船舶，到悬浮的纳米颗粒或锂电池中的离子运动，粘度在控制其行为方面起着关键作用。

微尺度下粘度的重要性：

众所周知，宏观和微观系统下的流体行为区别很大。例如，宏观流体中流体的雷诺数Re较大，惯性力的影响超过粘滞力。相邻流体层之间由于具有较低的内摩擦力，流体很容易被其它剪切力影响，变得不规则运动，从而呈现出湍流运动。但在微尺度下，雷诺数Re将变得非常小，此时粘滞力占主导地位。流体的运动轨迹没有明显的不规则运动且保持稳定，从而呈现层流运动。另一方面，纳米颗粒的布朗运动也受其周围流体粘度影响。布朗运动是指微尺度下的物质(纳微米颗粒或微乳液)受到溶剂分子热运动撞击引起的无规则运动,由于颗粒运动难以直接观测且量化，一般地，斯托克斯-爱因斯坦(Stokes-Einstein)关系被用于简单描述，即布朗运动程度与颗粒周围流体的粘度成反比。

目前测量方法：

一切科学研究的前提基础是测量。微系统下的溶液粘度测量由于检测量限制和粘度检测范围是存在一定难度的。特别地，当待测液体的体积量较少时，合适且有效的粘度测量方法也是亟待需要的。

传统商业的粘度检测装置都是以机械力形式的反馈，其检测粘度范围较宽，但检测所需溶液量大。例如，毫升检测量的旋转粘度计，其工作原理是通过将待测液体施加在长度为厘米级别的转子上的粘性拖拽阻力，换算成溶液粘度，具体来说就是剪切应力与剪切速率的比值。在这种测量情况中，待侧液体可能会出现泰勒旋涡，导致温度不均匀分布，使得测量结果不准确。落球式粘度计是由一个装有静止待测液体的圆柱体和小球组成，工作原理是测量球在液体中的下落速度变化和阻力。内部小球受到的阻力与溶液粘度，小球半径和小球运动速度成正比，从而换算成液体粘度。由于较大直径的小球和管道，其检测量也在几十至几百毫升范围。此外，十到几百微升检测量的血液流变仪，其工作原理是在直径为微米或毫米级别的密封管道内，监测血液在不同流速下的管道两端的压力差和流出时间，从而得到不同剪切速率下的血液表观粘度。

目前，基于微机电系统的粘度计作为一种新型粘度检测装置研究进展也较迅速，这类粘度计检测量最低可至nL量，但由于材料和方法原理的限制，也只能检测较低粘度的液体且装置制备步骤繁琐，成本高。例如文章Journal of The Electrochemical Society,2017,164(6),B247-B252，100μL检测量的磁弹性传感器检测装置，其工作原理是在交变磁场下，利用微流控芯片通道内部的磁弹性传感器(长2mm×宽400μm×高30μm)在不同粘度的液体中共振频率变化。从而得到频率和粘度的校准曲线，计算出未知液体粘度，该方法粘度检测范围为1-3cP。更低13nL检测量的声波传播检测装置，例如文章J.Micromech.Microeng,2010,085034，其工作原理是利用在微腔室(长150μm×宽150μm×高300μm)发出的声波，在微通道中的传播衰减程度转换成电信号，且会随不同粘度的液体而变化。从而得到电信号衰减程度和粘度的标准曲线，计算出未知液体粘度，该方法粘度检测范围为0.89–1.35cP。

发明内容

本发明解决的技术问题是：一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，磁材料可选范围广泛，表面可生长的纳米线范围广。另外，所需溶液检测量少，适用不同的检测环境。借助磁纳米毛刷转速和不同粘度的蔗糖溶液对应线性关系，实现微系统下的未知溶液粘度检测，以及其小尺寸优势，这可用来测量最低54nL的微量未知溶液粘度，且有着1.19-228cP的检测范围。此方法操作检测灵活，可回收，成本低。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，包括以下步骤：

(1)合成出表面金纳米线长度为92nm–10.1μm，金纳米线直径为6.4±1.0nm的磁纳米毛刷Nano-brushes，其中磁纳米毛刷整体长度分布为3.3–70.2μm，直径分布为1.2–21.2μm；

(2)将磁纳米毛刷置于不同浓度的蔗糖溶液中，在外磁场驱动下，通过装有CCD相机的倒置显微镜测量出磁纳米毛刷的转速；接着使用旋转粘度计测量出不同浓度的蔗糖溶液的粘度，最终得到转速与蔗糖溶液粘度的标准曲线关系；

(3)基于磁纳米毛刷的不同检测场景：(a)针对于溶液量较大1μL以上的未知待测溶液，可将未知待测溶液与磁纳米毛刷混合后，在疏水界面上滴成液滴；(b)用于测量微流动的未知待测溶液，可使用微量注射泵以一定流速将带有未知待测溶液与磁纳米毛刷的混合液一起注射到微流控芯片内；(c)针对溶液量较少1μL以下的未知待测溶液；可使用经过牛血清白蛋白BSA处理过后的方形石英毛细管蘸取少量带有未知待测溶液与磁纳米毛刷的混合液；

(4)将上述步骤(3)中a，b，c检测场景置于外磁场下，同样通过装有CCD相机的倒置显微镜在合适的节能灯或其它光源下测量出磁纳米毛刷的转速，并利用步骤(1)得到的转速-粘度标准曲线计算得到未知待测溶液粘度。

优选的，包括以下步骤：

(1)将金纳米线长度为92nm或1μm的磁纳米毛刷置于不同浓度的蔗糖溶液中，在500rpm外磁场转速下，通过装有CCD相机的倒置显微镜(工业相机)测量出磁纳米毛刷的转速；接着使用旋转粘度计(8mL检测量)测量出不同浓度的蔗糖溶液的粘度，最终得到转速与蔗糖溶液粘度的标准曲线关系；

(2)不同的检测场景：(a)将未知待测溶液与磁纳米毛刷混合后，在疏水玻璃上滴成1μL液滴，(b)使用微量注射泵以100nL/min的流速注射到聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的微流控芯片(宽度：250μm×深度：50μm×长度：20mm的通道)内(c)使用经过牛血清白蛋白(BSA)处理过后的方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)蘸取少量混合液；

(3)将上述步骤(2)中检测场景置于500rpm外磁场转速下，同样通过装有CCD相机的倒置显微镜(工业相机)在合适光源下测量出磁纳米毛刷的转速，并利用步骤(1)得到的转速-粘度标准曲线计算得到未知待测溶液粘度。

优选的，磁纳米毛刷是指表面带有金纳米线的磁纳米搅拌棒，搅拌是指在磁力搅拌台驱动下的磁纳米毛刷所提供的液体环境内的搅拌，所述的微量溶液是指最低54nL的未知待测溶液或在微流控芯片以及方形石英毛细管中的溶液量。

优选的，所述的微流控芯片管道宽度：250μm×厚度：50μm×长度：20mm。

优选的，所述的方形石英毛细管的溶液量宽度：300μm×深度：300μm。

其中磁纳米毛刷Nano-brushes的合成步骤：

(a)采用改进的法合成磁纳米搅拌棒：将柠檬酸稳定的Fe₃O₄颗粒溶液加入到水和异丙醇的混合溶剂中，随后加入正硅酸乙酯TEOS和氨水；然后快速涡旋混合后，立即将溶液放置在磁铁旁边反应8h，离心且乙醇清洗两次得到磁纳米搅拌棒MNS；

(b)Pt seeds的合成：剧烈搅拌下，向单口烧瓶中加入0.4mM H₂PtCl₆和1wt％的柠檬酸钠溶液；搅拌5min后，再加入冰冷的0.1M NaBH₄溶液；溶液立即变成棕色，后续存放在4℃环境下直待用；上述溶液H₂PtCl_6：柠檬酸钠:NaBH₄体积比为70：1：3；

(c)首先将MNS表面氨基化：在外磁场下，MNS与3-氨基丙基三乙氧基硅烷APTES水-乙醇溶液(1：1，v/v)反应后；离心除去多余的APTES；随后，将氨基功能化的MNS与Pt seeds孵育；离心除去多余种子后，将Pt-seeds@MNS分散在乙醇中；

(d)金纳米线的生长：将Pt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-MBA，1.3mM HAuCl₄，2.4mM L-AA和20.6mM PVP的反应溶液中；反应结束后，通过磁沉降除去上清液并用乙醇继续清洗两次得到磁纳米毛刷。

其中表面金纳米线长度为1.1μm的磁纳米毛刷Nano-brushes的合成步骤：

(a)采用改进的法合成磁纳米棒MNS：将400μL柠檬酸稳定的Fe₃O₄颗粒溶液加入到400μL水和1000μL异丙醇的混合溶剂中，随后加入5μL TEOS和30μL氨水；然后快速涡旋混合3s，立即将溶液放置在磁铁旁边反应8h，得到直径800nm-1μm之间，长度分布集中在8–10μm的磁纳米搅拌棒MNS；

(b)Pt seeds的合成：剧烈搅拌下，向50mL单口烧瓶中加入14mL 0.4mMH₂PtCl₆和0.2mL 1wt％的柠檬酸钠溶液；搅拌5min后，再加入冰冷的600μL 0.1M NaBH₄溶液；溶液立即变成棕色，后续存放在4℃环境下直待用；

(c)首先将MNS表面氨基化：500rpm外磁场下，MNS与1μL/mL APTES水-乙醇溶液(1：1，v/v)反应1h；离心除去多余的APTES；随后，将氨基功能化的MNS分散在980μL水中，并加入20μL Pt seeds孵育2小时；离心10min除去多余种子后，将Pt-seeds@MNS分散在1000μL乙醇中；

(d)典型的1.1μm金纳米线生长：将1000μL Pt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-MBA，1.3mM HAuCl₄，2.4mM L-AA和20.6mM PVP的1.6mL反应溶液中；反应结束后，通过磁沉降除去上清液并用乙醇继续清洗两次得到磁纳米毛刷。

其中表面金纳米线长度为92nm的磁纳米毛刷Nano-brushes的合成步骤：

(d)典型的92nm金纳米线生长：将8000μL Pt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-MBA，1.3mM HAuCl₄，2.4Mm L-AA和20.6mM PVP的1.6mL反应溶液中；反应结束后，通过磁沉降除去上清液并用乙醇继续清洗两次得到磁纳米毛刷。

一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，所述的磁纳米毛刷是指表面带有金纳米线的磁纳米搅拌棒，所述的搅拌是指在磁力搅拌台驱动下的磁纳米毛刷所提供的液体环境内的搅拌，所述的微量溶液是指最低54nL左右的未知待测溶液或在微流控芯片(宽度：250μm×厚度：50μm×长度：20mm管道)以及方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)中的溶液量。

未生长金纳米线的磁纳米搅拌棒如图2c所示，是由图2a中的22nm Fe₃O₄磁纳米颗粒组装得到图2b中的直径为150nm磁纳米搅拌棒，为方便观察再加厚直径。最终得到表面为silica壳层且直径在800nm-1μm，长度分布集中在8-10μm的磁纳米搅拌棒(图2c)。

1.1μm的金纳米线的生长流程如图3a所示，(1)将表面氨基化后的磁纳米搅拌棒吸附一层Pt种子，得到Pt-seeds@MNS；(2)再将其加入到含有配体3-巯基苯甲酸(3-MBA)，金前驱体氯金酸(HAuCl₄)，还原剂抗坏血酸(L-AA)和保护剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的反应溶液中。最终得到图3c，3d所示的磁纳米毛刷。如图3e，3f所示，表面的金纳米线与silica壳层稳固连接。(3)此外，不同长度的金纳米线可通过调整Pt-seeds@MNS量得到(图4和图5)

金纳米线的生长增强了光散射，可通过配备CCD相机的倒置显微镜(工业相机)观测到磁纳米毛刷。在图6a中，在生长液中加入Pt-seeds@MNS后，样品瓶中混合液慢慢由透明变为灰褐色。且在工业相机下，1min后逐渐呈现出黑色棒状(图6d)。这些想象说明金纳米线的已经生长出。特别的，若金纳米线生长过程中没有PVP时，会形成肉眼可见的黑色沉淀物(图6c)，SEM图显示出磁纳米毛刷团聚严重(图6e)。而PVP存在时，相同的反应产生均匀的胶体(图6b)，SEM图显示分散性良好(图6e)。这是由于PVP钝化磁纳米搅拌棒表面上的金纳米线，从而防止磁纳米毛刷的聚集，保持其在溶液中良好的分散性，最终保证后续在溶液中单分散旋转。这里，我们也尝试过其它非离子型表面活性剂，结果和无PVP存在时一致(图7)。

磁纳米毛刷转速分析案例：在纯水中且100rpm外磁场时，由CCD相机拍摄的每帧图片(间隔66.7ms)中磁纳米毛刷(整体长度为8.9μm，1.1μm Au NWAs)，观察到旋转角度变化是均匀的(图8a)。而图8b展示了10.3wt％蔗糖溶液中磁纳米毛刷(整体长度为16.1μm，1.1μm Au NWAs)在500rpm外磁场下的旋转情况，其角度变化不均匀。具体分析：图8c是图8a的总旋转角度随时间变化的图表，表明水中磁纳米毛刷(整体长度为8.9μm，1.1μm Au NWAs)能够追上100rpm的外磁场，总旋转角度与时间的关系图形呈直线，这表明与旋转的外磁场完全匹配，两者之间是同步旋转。另一种情况下，图8d是图8b的总旋转角度随时间变化的图表，表明在10.3wt％蔗糖溶液中且500rpm外磁场时，46rpm的磁纳米毛刷(整体长度为16.1μm，1.1μm Au NWAs)将无法跟上旋转的外磁场，同样以每66.7ms分析拍摄得到图片中磁纳米毛刷的角度变化接近直线(图8d)，帧数间变化用灰色和橙色交替标记，并在饼图中显示每个步骤的相对旋转角度(插图)。

为了定义在这种跟不上情况下磁纳米毛刷的旋转能力，我们平均了两个完整的旋转周期，计算得来平均转速为46rpm。500rpm外磁场下，在其它蔗糖粘度溶液中的转速测量都是如此。

基于此，我们开发了一种粘度测量范围在1.19-147cP之间的纳升级别粘度检测方法。具体而言，首先得到在500rpm外磁场下，相似长度的磁纳米毛刷约10μm长，1.1μm长的AuNWAs在不同的蔗糖溶液中的转速(图10a)。在另一组实验中，通过将旋转粘度计测量出粘度(图10a)。最后，通过最小二乘法在双对数坐标上得到转速和粘度/>之间的线性关系作为标准曲线(图10b)。使用相同批次的磁纳米毛刷测量未知溶液，将测量得到的上述标准曲线进行比较，以获取未知溶液的粘度。类似的实验可使用92nm Au NWAs的磁纳米毛刷进行，以便它们可以在粘度更高的蔗糖溶液中旋转，可将粘度检测范围扩展到228cP(图10b)。

本发明的有益效果：

本发明提出的方法：粘度测量方法中的检测量和检测范围很大程度都受内部关键器件所决定，精细纳米组件的设计和制造、精密组装再到具体操控也是一直存在重大挑战的。基于我们组早期成功制备的小尺寸磁纳米搅拌棒(MNS)，已在专利CN107138093，ZL202010698065.3以及文章Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,8570–8573和Nanoscale,2020,12,18640-18645中报道，利用外部磁场诱导自组装的方法合成了磁纳米搅拌棒，可在微小空间内旋转。接着，通过调整我们组之前在硅片上生长金纳米线的方法ACS nano,2013,7(3):2733-2740。本发明还提出在金纳米线生长过程中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磁纳米毛刷的分散性的影响；在氨基化磁纳米搅拌棒表面负载柠檬酸稳定的Pt种子后，通过3巯基苯甲酸(3-MBA)配体与金原沉积相互竞争作用下实现金纳米线的生长，最终得到这种磁纳米毛刷。此外，通过合成上的控制力，改变Pt-seeds@MNS的量还可以调节金纳米线的长度。

由于金纳米线存在增强了整体的光散射，可以借助装有CCD相机的倒置显微镜(工业相机)观测到磁纳米毛刷的旋转运动。因此，我们发现外磁场驱动下的磁纳米毛刷旋转运动受溶液粘度影响较大。基于磁纳米毛刷的尺寸优势以及相似长度(10μm左右)下的磁纳米毛刷转速与溶液粘度关系。我们开发出这种无需机械旋转轴和精密组装过程的新型粘度检测机制。该方法有着1.19-228cP的粘度检测范围和最低54nL的溶液检测量。

除一组添加PVP(20.6mM)，另一组不添加PVP(0mM)，结果如图6e和图6f所示，添加PVP组的磁纳米毛刷分散性较好，而无PVP组的团聚严重。

对比例2作为在金纳米线生长过程中，在不添加PVP前提下，添加其它非离子型表面活性剂的最终效果。根据实施例2中3.4μm金纳米线合成条件：将250μLPt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-巯基苯甲酸(3-MBA)，1.3mM氯金酸(HAuCl₄)，2.4mM抗坏血酸(L-AA)和20.6mM聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的1.6mL反应溶液中。在所有条件和操作都相同下，将PVP变为：聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)，聚乙二醇(PEG)，曲拉通X-100(Triton X-100)，聚山梨酯-80(Tween-80)。结果如图7所示，都是有团聚现象，且清洗困难导致有模糊黑影。总之，效果都没有聚乙烯吡咯烷酮的好。

对比例3作为在500rpm外磁场下，将不同金纳米线长度(1.1，3.4，6.2，10.1μm AuNWAs)的磁纳米毛刷放置于纯水中，我们发现金纳米线长度越长，磁纳米毛刷的转速越低。这就说明金纳米线越短，其转速上限越高，进而对应的粘度检测范围越宽。磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)的对应的粘度检测范围最宽。

对比例4作为粘度测量过程中，方形石英毛细管在不经过牛血清白蛋白后，直接蘸取混有磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)的小鼠抗凝全血效果。如图13所示蘸取混合液后，为清楚观察将抗凝全血少量清除后，磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)全都粘在管壁上。这种粘壁现象会在测量时影响磁纳米毛刷的旋转转速，进而造成测量误差。

总结来说，我们在磁纳米搅拌棒表面二次生长出纳米结构的方法，是区别传统的磁纳米搅拌棒的表面修饰和化学改性。本发明通过发挥出磁纳米搅拌棒与金纳米线间的协同作用，开发出新型的微粘度检测机制。此机制区别于传统粘度计无需精密组装，材料本身可回收，适用范围广，所需溶液检测量低，因而在粘度检测领域中具有很好的应用前景。

本发明不需要对现有装置进行结构上的改变。该方法仅需要外加一个可以调控转速的外磁场和装有CCD相机的倒置荧光显微镜(500放大倍数的工业相机)。另外，此方法无需像传统粘度计需要多步组件的精密组装，例如旋转粘度计，测量桶内的转子需与旋转机械轴精密连接，这类商业粘度计无法进行纳升量的检测。或者基于微机电系统的粘度计，通常需要将传感器精密安装到微流控芯片内部管道中，这类粘度计的检测范围也较低。因此，我们的方法在不需要精密组装的装置基础上，实现了微量粘度检测，且检测范围宽，具有普适性和商业化的应用前景。

高效，灵活：磁纳米搅拌棒的尺寸在微米级别，所需分散的溶液量低。这种方法在检测液滴装备液体时，无需像传统粘度计需清洗装置。整体操作简单灵活，且外磁场参数固定后无需再调节。

适用范围广：本发明使用的磁纳米毛刷整体直径尺寸在1.2–21.2μm可调，整体长度在3.3–70.2μm内分布，表面金纳米线可换成其它金属纳米线如Pd，Pt。且磁搅拌的方法良好简单，可行性高。此方法检测溶液选择性高，无需像荧光分子检测方法，将荧光分子完全溶解在溶剂中，且不会造成样品液污染。

可回收重复利用：每次检测过后，磁纳米毛刷经过磁吸清洗后重复使用，整体结构稳定，金纳米线无脱落现象。

成本低：通过溶液诱导自组装合成的磁纳米搅拌棒，所需要主要原材料22nm的Fe₃O₄磁纳米颗粒，是化工产业中常用的磁性铁源原料，十分易得，价格低廉。

综上，本发明利用磁纳米毛刷搅拌的方式测量出微量溶液的粘度，磁材料可选范围广泛，表面可生长的纳米线范围广。另外，所需溶液检测量少，适用不同的检测环境。借助磁纳米毛刷转速和不同粘度的蔗糖溶液对应线性关系，实现微系统下的未知溶液粘度检测，此方法操作检测灵活，可回收，成本低。

附图说明：

图1是实验装置图，其中1：磁力搅拌台，2：工业相机，3：毛细管或微流控芯片，4：磁纳米毛刷。

图2中(a)：22nm磁颗粒TEM图，(b)：直径150nm组装成链的磁纳米搅拌棒，(c)：直径0.8-1μm的加粗磁纳米搅拌棒。

图3中(a)：磁纳米毛刷的合成示意图，(b)：直径0.8-1μm的MNS,(c)：表面1.1±0.21μm金纳米线的磁纳米毛刷，(d)样品c的近景图，(e)：样品c中AuNWs的TEM图,(f):样品e中金纳米线根部放大图。

图4是使用不同量的Pt-seeds@MNS合成的磁纳米毛刷，从左到右依次为：2000、1000、500、250、125和50μL的溶液，分别对应金纳米线长度：0.54±0.14，1.1±0.21，1.9±0.35，3.4±0.51，6.2±1.8，10.1±2.8μm。

图5是使用8000μL的Pt-seeds@MNS合成出表面为92±21nm金纳米线的磁纳米毛刷。

图6中(a)：金纳米线生长过程中溶液颜色变化的照片，照片和SEM图显示在金纳米线生长了10分钟时(b，e)：无PVP或(c，f)：有PVP的状况。(d)：利用光学显微镜原位观察金纳米线生长过程中磁纳米毛刷。

图7中金纳米线生长过程中无PVP，但加入其它非离子型表面活性剂：(a)聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)，(b)聚乙二醇(PEG)，(b)曲拉通X-100(Triton X-100)，(d)聚山梨酯-80(Tween-80)。

图8中(a)：相机图展示了水中磁纳米毛刷(长度为8.9μm，1.1μm Au NWAs)在100rpm外磁场下旋转情况。比例尺：10μm，(b)：相机图展示了10.3wt％蔗糖溶液中磁纳米毛刷(整体长度为16.1μm，1.1μm Au NWAs)在500rpm外磁场下的旋转情况。比例尺：10μm，(c)：总旋转角度随时间变化的图表。(d)：总旋转角度随时间变化的图表。

图9是不同金纳米线长度(1.1，3.4，6.2，10.1μm Au NWAs)的磁纳米毛刷在500rpm外磁场下的转速。

图10中(a)：500rpm外磁场下，约10μm相似长度的磁纳米毛刷(1.1μm和92nm AuNWAs)的旋转速率与不同蔗糖浓度溶液的关系，红色：显示粘度随蔗糖浓度的变化，(b)：旋转转速与溶液粘度/>之间的线性关系。

图11中磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)分散在(a)：1μL细胞缓存液，(b)：充满细胞培养液的微流控芯片(宽度：250μm×厚度：50μm×长度：20mm管道)中，(c)：方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)中小鼠血液。

图12中方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)中的磁纳米毛刷(92nm AuNWAs)分别在(a)：80wt％和(b)：88.5wt％甘油溶液里。

图13中是没有牛血清白蛋白(BSA)处理过后的方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)中的磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)

图14中磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)在细胞缓存液中搅拌后的(a：5μm标尺，b：1μm标尺)SEM和(c：2μm标尺，d：500nm标尺)TEM图。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施例来具体说明本发明的技术方案。

实施例1(磁纳米搅拌棒的合成)：

将400μL柠檬酸稳定的22nm Fe₃O₄磁颗粒溶液(图2a)加入到400μL水和1000μL异丙醇的混合溶剂中，随后加入5μL正硅酸乙酯和30μL氨水。然后快速涡旋混合3s，立即将溶液放置在磁铁旁边反应8h，先得到直径150nm的磁纳米搅拌棒(图2b)，再无颗粒的添加情况下，重复上述操作5次，最终得到直径800nm-1μm之间，长度分布集中在8–10μm的磁纳米搅拌棒(MNS)(图2c和图3b)。

实施例2(磁纳米毛刷的合成)：

磁纳米毛刷的合成流程示意图如图3a所示：

(1)Pt seeds的合成：剧烈搅拌下，向50mL单口烧瓶中加入14mL 0.4mMH₂PtCl₆和0.2mL 1wt％的柠檬酸钠溶液；搅拌5min后，再加入冰冷的600μL

0.1M NaBH₄溶液；溶液立即变成棕色，后续存放在4℃环境下直待用；

(2)首先将MNS表面氨基化。500rpm外磁场下，MNS与1μL/mL APTES水-乙醇溶液(1：1，v/v)反应1h。离心除去多余的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)。随后，将氨基功能化的MNS分散在980μL水中，并加入20μL Pt seeds孵育2小时。3000g离心10min除去多余种子后，将Pt-seeds@MNS分散在1000μL乙醇中。

(2)典型的1.1μm金纳米线(1.1μm Au NWAs)生长。将1000μLPt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-巯基苯甲酸(3-MBA)，1.3mM氯金酸(HAuCl₄)，2.4mM抗坏血酸(L-AA)和20.6mM聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的1.6mL反应溶液中。反应结束后，通过磁沉降除去上清液并用乙醇继续清洗两次得到表面金纳米长度为1.1μm的磁纳米毛刷(对应图10中英文表示为：Nano-brushes,with 1.1μm Au NWAs)。最终结果如图3c，3d，3e，3f所示。

(3)其它长度金纳米线。上述步骤(2)中将1000μL Pt-seeds@MNS调整为8000、2000、500、250、125和50μL，其余操作都不变。最终金纳米线长度：0.092±0.021，0.54±0.14，1.9±0.35，3.4±0.51，6.2±1.8，10.1±2.8μm，金纳米线直径为6.4±1.0nm(图4和图5)。

实施例3-磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)的标准曲线1：

(1)将实施例2中制备的磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)分散到不同浓度(0、5.3、10.3、19.8、36.9和64.9wt％)的蔗糖溶液中，然后吸取10μL液滴在疏水玻璃上。打开500rpm磁力搅拌台并在合适的节能灯光源强度下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，后续统计出转速对应为：187±31.2，103±14.1，71.4±22.7，41.8±10.4，12.8±5.06，0.09±0.07rpm(图10a)。

(2)使用8mL的旋转粘度计测出上述情况中的不同蔗糖浓度溶液粘度，对应于：1.19±0.142，1.46±0.215，1.69±0.238，2.19±0.137，147±4.15cP(图10a)。

(3)通过最小二乘法在双对数坐标上得到平均转速与平均粘度/>之间的线性关系，其中/>值对应于：2.27，2.01，1.85，1.62，1.11，-1.05；/>值对于：0.078，0.164，0.227，0.340，0.732，2.169。最终建立起转速-粘度的标准曲线关系(图10b)：

R²＝0.99532

实施例4-磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)的标准曲线2：

(1)将实施例2中制备的磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)分散到不同浓度(0、5.3、10.3、19.8、36.9、64.9wt％和66.4wt％)的蔗糖溶液中，然后吸取10μL液滴在疏水玻璃上。打开500rpm磁力搅拌台并在合适的节能灯光源强度下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，后续统计出转速对应于：404±32.5，350±22.1，274±36.9，139±4.6，59.7±17.9，2.55±0.699，0.822±0.631rpm(图10a)。

(2)使用8mL的旋转粘度计测出上述情况中的不同蔗糖浓度溶液粘度，对应于：1.19±0.142，1.46±0.215，1.69±0.238，2.19±0.137，147±4.15，228±7.99cP(图10a)。

(3)通过最小二乘法在双对数坐标上得到平均转速与平均粘度

之间的线性关系，其中/>值对应于：2.61，2.54，2.44，2.14，1.78，0.406，-0.085；/>值对于：0.078，0.164，0.227，0.340，0.732，2.169，2.36。最终建立起转速-粘度的标准曲线关系(图10b)：

R²＝0.99019

实施例5-使用磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)测量1μL细胞缓存液(serum-freecell freezing medium)：

(1)将相同批次的3μL分散在乙醇的中实施例2中制备的磁纳米毛刷(1.1μmAuNWAs)滴在8mm×10mm疏水玻璃上。在其完全自然干燥之前，通过1μL微量注射器加入1μL细胞缓存液吸取混合后，再重新滴至玻璃上(图11a)。

(2)打开500rpm磁力搅拌台并在合适的节能灯光源强度下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，测定旋转速度为25±5.8rpm，根据标准曲线1得到粘度为3.73±0.64cP。为了验证可靠性，使用旋转粘度计进行了大规模样品(8mL)的测量，得到粘度为3.50±0.33cP。

(3)检测后，使用乙醇清洗后的磁纳米毛刷，结构稳定，无金纳米线脱落现象(图14)。

实施例6-使用磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)测量微流控芯片中的细胞培养液(DMEM)：

(1)相同批次的实施例2中制备的磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)通过500g，3min离心与溶剂乙醇分离后，然后与500μL DMEM细胞培养液混合均匀。将悬浮液通过微量注射泵以100nL/min流速注入微流控芯片(内部宽度：250μm×厚度：50μm×长度：20mm管道)中(图11b)。

(2)打开500rpm磁力搅拌台并在合适的光源下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，旋转的磁纳米毛刷随着溶液在微通道中缓慢流动，测定旋转速度为140±25rpm，根据标准曲线1得到粘度为1.19±0.16cP。为了验证可靠性，使用旋转粘度计进行了大规模样品(8mL)的测量，得到粘度为1.35±0.15cP。

(3)从静态的10μL的DMEM细胞培养液中获得类似的测量结果，测定转速基本相同(139±39rpm)，说明流体流速对磁纳米毛刷的旋转运动无太大影响。

实施例7-使用磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)测量80wt％和88.5wt％的甘油水溶液：

(1)在实施例3和4中已详细说明，当检测粘度范围超过147cP时，需使用实施例2中制备的磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)。

(2)为了减轻磁纳米毛刷粘壁影响，使用牛血清白蛋白(BSA)预处理石英毛细管管(宽度：300μm×深度：300μm)。将两组20μL的磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)通过磁铁吸住，使用移液枪去除分散溶剂乙醇后，分别与100μL的两种甘油水溶液(80wt％和88.5wt％的甘油水溶液)混合后，通过毛细管管口蘸取部分，最终溶液量分布为：58.5nL和180nL(图12)。

(3)打开500rpm磁力搅拌台并在合适的光源下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，测定旋转速度分别为4.5±1.17rpm，1.55±0.09rpm，根据标准曲线2得到粘度分别为67.8±22.4cP，165±9.34cP。为了验证可靠性，使用旋转粘度计进行了大规模样品(8mL)的测量，得到粘度分别为61.4±1.04cP，175±4.94cP。

实施例8-使用磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)测量小鼠抗凝全血：

(1)100μL血液取自麻醉状态的成年小鼠中的心脏。按抗凝剂：血液为1：10体积量加入抗凝剂肝素纳。将20μL的实施例2中制备的磁纳米毛刷(1.1μmAu NWAs)磁吸去除分散溶剂后，与100μL的抗凝全血混合均匀。为缓解磁纳米毛刷的粘壁情况，使用经过牛血清白蛋白(BSA)处理过后的方形石英毛细管(宽度：300μm×深度：300μm)蘸取部分。最终溶液量为54nL左右(图11c)。

(2)打开500rpm磁力搅拌台并在合适的光源下，使用装有CCD相机的倒置显微镜观察和记录，显微镜下显示出较鲜艳的红色背景，但旋转的磁纳米毛刷很容易被识别。测定旋转速度为为19±7.5rpm，对应于其表观粘度为4.58±1.25cP。处于文献EXPERIMENTALPHYSIOLOGY,2003,8(3):431-440中的结果范围内4.506–5.345cP(94s^-1)。

对比例1

有无非离子型表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：

对比例1作为在金纳米线生长过程中，有无PVP的效果对比。根据实施例2中3.4μm金纳米线合成条件：将250μL Pt-seeds@MNS离心除去乙醇后加入到含有700μM 3-巯基苯甲酸(3-MBA)，1.3mM氯金酸(HAuCl₄)，2.4mM抗坏血酸(L-AA)和20.6mM或0mM聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的1.6mL反应溶液中。在所有条件和操作都相同下，除一组添加PVP(20.6mM)，另一组不添加PVP(0mM)，结果如图6e和图6f所示，添加PVP组的磁纳米毛刷分散性较好，而无PVP组的团聚严重。

对比例2

其它非离子表面活性剂：

对比例3

不同长度金纳米线的磁纳米毛刷转速对比：

对比例3作为在500rpm外磁场下，将不同金纳米线长度(1.1，3.4，6.2，10.1μm AuNWAs)的磁纳米毛刷放置于纯水中，我们发现金纳米线长度越长，磁纳米毛刷的转速越低。这就说明金纳米线越短，其转速上限越高，进而对应的粘度检测范围越宽，两者之间成正相关，因此目前只选择了金纳米线长度(1.1μm和92nm的Au NWAs)的磁纳米毛刷。磁纳米毛刷(92nm Au NWAs)的对应的粘度检测范围最宽，为1.19–228cP。磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)的对应的粘度检测范围最宽，为1.19-147cP。

对比例4

方形石英毛细管有无牛血清白蛋白(BSA)处理：

对比例3作为粘度测量过程中，方形石英毛细管在不经过牛血清白蛋白后，直接蘸取混有磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)的小鼠抗凝全血效果。如图13所示蘸取混合液后，为清楚观察将抗凝全血少量清除后，磁纳米毛刷(1.1μm Au NWAs)全都粘在管壁上。这种粘壁现象会在测量时影响磁纳米毛刷的旋转转速，进而造成测量误差。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(3)基于磁纳米毛刷的不同检测场景：(a)针对于溶液量1μL以上的未知待测溶液，可将未知待测溶液与磁纳米毛刷混合后，在疏水界面上滴成液滴；(b)用于测量微流动的未知待测溶液，可使用微量注射泵以一定流速将带有未知待测溶液与磁纳米毛刷的混合液一起注射到微流控芯片内；(c)针对溶液量1μL以下的未知待测溶液，可使用经过牛血清白蛋白BSA处理过后的方形石英毛细管蘸取少量带有未知待测溶液与磁纳米毛刷的混合液；

2.根据权利要求1所述的利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将金纳米线长度为92nm或1μm的磁纳米毛刷置于不同浓度的蔗糖溶液中，在500rpm外磁场转速下，通过装有CCD相机的倒置显微镜测量出磁纳米毛刷的转速；接着使用8mL检测量的旋转粘度计测量出不同浓度的蔗糖溶液的粘度，最终得到转速与蔗糖溶液粘度的标准曲线关系；

(2)不同的检测场景：(a)将未知待测溶液与磁纳米毛刷混合后，在疏水玻璃上滴成1μL液滴；(b)使用微量注射泵以100nL/min的流速注射到聚二甲基硅氧烷制成宽度：250μm×深度：50μm×长度：20mm的通道的微流控芯片内；(c)使用经过牛血清白蛋白处理过后的宽度：300μm×深度：300μm的方形石英毛细管蘸取少量混合液；

(3)将上述步骤(2)中检测场景置于500rpm外磁场转速下，同样通过装有CCD相机的倒置显微镜在合适光源下测量出磁纳米毛刷的转速，并利用步骤(1)得到的转速-粘度标准曲线计算得到未知待测溶液粘度。

3.根据权利要求1所述的利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，其特征在于：磁纳米毛刷是指表面带有金纳米线的磁纳米搅拌棒，搅拌是指在磁力搅拌台驱动下的磁纳米毛刷所提供的液体环境内的搅拌，所述的微量溶液是指最低54nL的未知待测溶液或在微流控芯片以及方形石英毛细管中的溶液。

4.根据权利要求1所述的利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，其特征在于：所述的微流控芯片管道宽度：250μm×厚度：50μm×长度：20mm。

5.根据权利要求1所述的利用磁纳米毛刷搅拌检测微量溶液粘度的方法，其特征在于：所述的方形石英毛细管的溶液量宽度：300μm×深度：300μm。