集成化混合和驱动单元的微流控芯片研究

摘要

微流控芯片作为一种新型的化学、生物分析检测技术平台,具有微型化、集成化等特点,在化学、生物分析检测等领域具有良好的应用前景。微小尺寸下如何实现流体的混合和驱动对微流控芯片的应用具有重要的影响。本文针对微流控芯片中流体的混合和驱动部分进行了研究,并结合核酸片段传感技术(NucleotideFrag-mentation Sense,NTFS)在微流控芯片中实现了腺嘌呤三磷酸核苷酸(ATP)的检测,主要研究内容包括:
　　 1.Y型微流控芯片及其在ATP检测中的应用。通过延长Y型玻璃微流控芯片的通道长度,来延长溶液在芯片中的流动时间,从而使溶液在芯片中达到了较好的混合和反应,并通过制作外加的加热装置解决了芯片中反应温度的控制问题。结合核酸片段传感技术,在该芯片中实现了ATP的检测,检测下限达到了50 nM。本部分研究解决了溶液在芯片中的混合和反应温度的控制问题,证实了在微流控芯片平台上使用NTFS技术进行检测的可行性。
　　 2.基于微珠的混沌型微流控芯片及其在ATP检测中的应用。由于溶液在微流控芯片中主要以层流方式流动,因此Y型芯片中溶液的混合需较长的通道,且混合效率不高。我们在微流控芯片中填充一段聚苯乙烯微珠,使溶液流过时形成湍流,从而加速了不同溶液的混合,显著缩短了通道长度,提高了混合效率。以ATP的检测为例,芯片通道的长度由Y型芯片中的400 mm缩短到了40 mm,检测下限降低到了20 nM。说明填充微珠是一种简便、高效的混合方式,无需设计复杂的微流控芯片结构,并且易于作为一个单元与其它的芯片单元相集成。
　　 3.集成了微驱动装置的微流控芯片及其在ATP检测中的应用。针对现有的驱动装置加工复杂且不易微型化和集成化的问题,在微流控芯片的盖片上布设蒸发孔和填充吸水膜,将基于毛细作用和蒸发作用的“微泵”集成于微流控芯片上,从而实现了对微流控芯片中液体的驱动。同时,还将基于微珠的溶液混合单元也集成到该芯片中,实现了ATP的快速、灵敏检测。该驱动方式避免了在芯片上外接大型设备,对发展通用性好、使用方便的芯片检测技术具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

本文所用英文缩略词表

第1章 绪论

1.1 微流控芯片概述

1.2 微流控芯片中流体的混合

1.2.1 被动式混合器

1.2.2 主动式混合器

1.3 微流控芯片中流体的驱动

1.3.1 微流体的机械驱动系统

1.3.2 微流体的非机械驱动系统

1.4 本论文拟开展的工作

第2章 Y型微流控芯片及其在ATP检测中的应用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 芯片结构及装置示意图

2.2.3 分子信标性能考察

2.2.4 ATP检测可行性考察

2.2.5 芯片中溶液混合效果的考察

2.2.6 芯片中ATP的检测

2.2.7 芯片中ATP检测特异性考察

2.2.8 荧光信号的测量

2.3 结果与讨论

2.3.1 实验原理

2.3.2 分子信标性能考察

2.3.3 实验的可行性分析

2.3.4 芯片中溶液混合情况的考察

2.3.5 实验条件的优化

2.3.6 ATP的检测

2.3.7 ATP检测特异性

2.4 小结

第3章 基于微珠的混沌型微流控芯片及其在ATP检测中的应用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 芯片结构及装置示意图

3.2.3 微珠形貌及封闭效果的考察

3.2.4 芯片中溶液混合效果的考察

3.2.5 芯片中ATP的检测

3.2.6 芯片中ATP检测特异性考察

3.2.7 荧光信号的测量

3.3 结果与讨论

3.3.1 实验原理

3.3.2 微珠形貌的考察

3.3.3 微珠封闭效果的考察

3.3.4 芯片中溶液混合情况考察

3.3.5 溶液流速的优化

3.3.6 ATP的检测

3.3.7 ATP检测特异性

3.4 小结

第4章 集成了微驱动装置的微流控芯片及其在ATP检测中的应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 芯片结构及装置示意图

4.2.3 芯片制作

4.2.4 芯片通道的PB/DS改性

4.2.5 芯片中流速的测量

4.2.6 芯片中溶液驱动及混合效果的考察

4.2.7 芯片中ATP检测

4.2.8 芯片中ATP检测特异性考察

4.2.9 荧光信号的测量

4.3 结果与讨论

4.3.1 实验原理

4.3.2 芯片制作及通道改性考察

4.3.3 芯片中溶液驱动及混合情况考察

4.3.4 芯片中流速的测量

4.3.5 溶液流速的优化

4.3.6 ATP的检测标准曲线

4.3.7 ATP检测特异性

4.4 小结

结论

参考文献

附录攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢