用于多巴胺电化学检测的微流控芯片研制

摘要

多巴胺能神经元的缺失是导致神经退行性疾病，例如帕金森病，的一种主要原因。神经干细胞经过诱导可以分化成多巴胺能神经元，因此神经干细胞移植被认为是治疗帕金森病的一种理想方法。为了更接近体内的真实环境，将微流控芯片与胶原水凝胶技术相结合，可以构建神经干细胞的体外三维培养微环境。电化学检测具有检测灵敏度高、可微型化和集成化等特点，已成为微流控芯片检测的一种主要方法。
　　本文设计并制作了一种新的微流控芯片，在芯片上集成了用作细胞培养室的主通道、用于细胞培养基输送的两条侧通道和用于多巴胺电化学检测的3组三电极体系。该芯片有望实现神经干细胞的三维培养以及由多巴胺能神经元分泌出的多巴胺实时检测，用于研究神经干细胞向多巴胺能神经元的诱导分化情况。芯片由一片聚二甲基硅氧烷(PDMS)沟道片和一片玻璃电极片组成。沟道片采用浇注成型的方法制作完成。由于在沟道片的中间区域密集分布了两排高深宽比(3∶1)的微柱阵列，这些微柱在脱模过程中极易产生断裂，为此本文研究了一种新的脱模方法。首先，将PDMS预聚物和固化剂的混合比例增大到了15∶1，用于降低PDMS的弹性模量，使其在脱模时不易发生断裂。其次，整个脱模过程在无水乙醇中进行，乙醇会起到很好的润滑作用，有助于脱模。最后，利用二甲基二氯硅烷对硅模具表面进行处理，降低模具的表面能，减小PDMS与模具之间的粘附作用。为了验证二甲基二氯硅烷对硅模具表面进行处理的稳定性，对处理后的硅模具表面接触角进行了跟踪测量。表面处理后第七天的模具表面接触角与第一天相比变化量只有2.8°，而且浇注出的微柱阵列没有发生断裂，这说明了二甲基二氯硅烷的表面处理稳定性很好，可以满足模具的长期使用要求。电化学检测常用Ag/AgCl电极作为参比电极，但是Ag/AgCl在生物环境中容易出现降解现象，为此本文建立了一种Au-Au-Au三电极体系。
　　对芯片的检测性能进行了研究。首先，以硫酸作为测试样品进行了检测，得到的伏安曲线与之前报道的Au-Ag-Au和Au-Ag-Pt三电极体系完全吻合，表明建立的三电极体系可以很好的用于电化学检测;此外，建立的三电极体系还表现出良好的片内稳定性和片间重复性。然后，对多巴胺进行了电化学检测。为了更贴近将来芯片的应用环境，本文用到的多巴胺均溶解在神经干细胞培养基中。获得的多巴胺检出限为3.92μM，线性检测范围为10μM～500μM。
　　为了提高芯片的检测灵敏度，采用聚吡咯/聚对苯乙烯磺酸钠对Au工作电极表面进行了修饰。利用电极修饰后的芯片对多巴胺进行了检测，获得的多巴胺检出限为0.69μM，比修饰前的芯片检出限降低了近1个数量级，显著提高了芯片的检测灵敏度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 多巴胺与神经干细胞

1．1．1 多巴胺与帕金森病

1．1．2 神经干细胞的特性

1．1．3 神经干细胞的体外培养方式

1．2 微流控芯片在三维细胞培养方面的应用

1．2．1 微流控芯片

1．2．2 微流控芯片的优势

1．3 微流控芯片的制作材料及加工方法

1．3．1 硅和玻璃

1．3．2 高分子聚合物

1．3．3 芯片材料的选择

1．4 多巴胺的检测方法

1．4．1 高效液相色谱法

1．4．2 电化学检测方法

1．5 本文的主要内容

2 集成微电极的微流控芯片的设计与制作

2．1 微沟道的设计与制作

2．1．1 微沟道的设计

2．1．2 微模具的制作

2．1．3 微沟道的制作

2．1．4 PDMS沟道片的脱模

2．2 微电极的设计与制作

2．2．1 微电极的设计

2．2．2 微电极的材料选择

2．2．3 粘附层的选择

2．2．4 微电极的制作

2．3 微芯片的键合

2．3．1 沟道片与电极片的处理

2．3．2 沟道片与电极片的键合

2．4 本章小结

3 基于裸电极的多巴胺电化学检测

3．1 实验准备

3．1．1 溶液配制

3．1．2 多巴胺溶液储存

3．1．3 芯片处理

3．2 三电极体系的性能

3．2．1 电极清洗

3．2．2 电极性能表征

3．3 多巴胺溶液检测

3．3．1 扫描速率优化

3．3．2 溶解在培养基中的多巴胺检测

3．3．3 溶解在PBS中的多巴胺检测

3．4 本章小结

4 基于修饰电极的多巴胺电化学检测

4．1 修饰材料的选择

4．1．1 纳米材料

4．1．2 导电聚合物

4．2 电极修饰

4．2．1 溶液配制

4．2．2 聚吡咯修饰

4．3 电极修饰后的形貌特征

4．4 多巴胺溶液检测

4．4．1 电极修饰前后的性能对比

4．4．2 溶解在培养基中的多巴胺检测

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢