基于微流控芯片的大肠杆菌富集与检测性能研究

摘要

以空气作为传播介质的呼吸道致病微生物曾在历史上造成大量的人员感染与死亡。虽然人们采用各种技术与手段对空气中的病原微生物进行检测，以达到提前预警和防治的目的。但目前的检测方法耗时耗力，且不能做出快速，准确的鉴定，使得呼吸道类疾病的发病率和死亡率居高不下。为解决这一难题，实现对空气中的病原微生物快速、准确的检测，一些新兴的检测技术，如微流控芯片越来越广泛的应用到病原微生物的检测中。
　　微流控技术是在极小的微通道内操纵纳升级别流体的跨领域、革命性新科技，集成了分析化学、微机电加工、生物学、纳米材料等前沿技术。微流控芯片系统以其简易操作、成本低、体积小、高通量和消耗试剂量少等特点备受人们关注。目前，微流控芯片检测技术已逐步应用于各种病原微生物以及环境监测当中，而且随着各学科最新技术成果的融入，微流控技术检测线性范围和精度能够进一步提高。
　　本研究制备了一种针对大肠杆菌将富集、培养、检测功能于一体的可重复利用微流控芯片。以合成的新型水凝胶P(PEGDA/DMAEMA)（聚乙二醇双丙烯酸酯/甲基丙烯酸-N、N-二甲氨基乙酯）作为芯片基底材料，通过正交试验优化合成工艺，得到亲水性最高的水凝胶组分比例为90%的PEGDA/DMAEMA（比例为4：6）以及10%NVP（N-乙烯基吡咯酮）。配置好的基底预聚物结合掩膜和模具，通过紫外光固法分别制备出了齿凸状与三角状两种精细结构的微流控芯片。
　　课题随后以大肠杆菌作为模式生物，对制备得到的芯片两种结构进行富集效率验证实验。研究结果表明两种芯片结构对空气中大肠杆菌具有较好的富集和培养性能，其中齿凸状芯片在30分钟内富集效率达到最高，为96.8%，且增殖率明显高于传统培养法。在实验研究基础上，利用专业软件ANSYS Fluent对齿凸状结构进行了数字模拟研究，分析了不同流速下的速度场、压力场分布以及粒径追踪效果，结果表明回旋重复的管道和齿凸结构改变了管道内平流状态，导致了紊流的形成，增大细菌与基底面的接触面积，提高了大肠杆菌在芯片表面发生物理性吸附的概率。将富集得到的大肠杆菌通过微流控芯片上的显色培养池元件，进行快速的定量与定性分析。结果表明，本芯片可以直接通过颜色变化和显色时间确定其所属种类和初始浓度，且检测限较低且灵敏度高，具有较好的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 空气中微生物简介

1.3 微流控芯片简介

1.4 微流控集成与检测技术

1.5 本文的研究目的和研究内容

1.6 主要研究路线

2 微流控芯片基底材料性能优化与表征

2.1 引言

2.2 实验与方法

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

3 微流控芯片的设计与加工

3.1 引言

3.2 实验与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 基于微流控芯片的大肠杆菌的快速效富集与数字模拟

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 微流控芯片对环境中大肠杆菌快速检测

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究工作创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录

A作者在攻读学位期间发表的论文目录