一种应用于生物细胞检测的微流体阵列设计与仿真

摘要

细胞是构成生物体的基本结构单元，同时也是疾病形成过程中致病的基本单元。将细胞作为分析物，通过一定的手段利用表面应力原理研究一些细胞本身与疾病之间的病理关系对生物工程细胞分子学、疾病的早期诊断具有重要意义。
　　 针对细胞研究应运而生的生物传感器研究一直是国内外研究的热点。其探测方法主要集中在荧光标记技术、化学发光分析法等标记式探测以及质谱分析法、声表面波技术、表面等离子体共振等无标记式光学探测，前者在标记过程中对细胞分子的功能性及稳定性会有一定损害作用，而后者在测试方面大多使用光学仪器，其体积庞大，不便于集成化封装，为细胞的实时检测带来了不便。
　　 微流体技术作为进行分析物加载和清洗的一项重要工具，是生物传感器集成化、微型化的一种必不可少的关键技术。由于在微流控芯片中对于细胞的研究更接近细胞在体内的真实状态，同时又具有易于操纵、便于集成等优势而逐渐成为细胞分子、蛋白质、DNA等生物研究的主流方向。
　　 本论文在调研常见的微流体结构基础上，结合本研究的设计目的和意义，设计了一种检测区域流体速度均匀、剪切力小、设计简单的微流体阵列结构。由于本设计采用了阵列的方式对细胞进行检测，同时又利用读出电路对信号做差分运算，得到反应微腔阵列和参考微腔阵列的差分信号，因此，可排除各种非人为噪声在信号提取中对信号准确性造成的影响，如震动噪声、非特异性吸附对敏感单元信号输出的影响等，达到精确检测的目的，这为微小信号的提取提供了一种手段。另一方面，加载细胞营养液以及细胞检测溶液均是通过扩散作用实现，流体在微腔中不仅速度均匀，而且流速明显减小，可减小微反应腔中流体对细胞产生的剪切力，从而降低了流体对细胞的损害。
　　 同时，本论文采用COMSOL多物理场耦合有限元仿真软件进行了系列仿真，首先选取三种典型微流体结构同时对流场仿真和理论分析，通过结构对比，最终确定了适用于本研究的微流体结构阵列设计模型，并在此基础上对微流体阵列结构做了关键尺寸的优化工作。
　　 最后，通过对微流体加工材料和制备方法进行调研，选取了有良好的生物适应性、相对较小的杨氏模量的PDMS作为微流体结构的制备材料;并提出了一套切实可行的微流体阵列制备工艺流程，为后续加工、实验研究提供了理论支持和保障。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 细胞检测的分类

1．2．1 有标签式的检测方法

1．2．2 无标签式的检测方法

1．3 用于细胞检测的微流体系统研究现状

1．3．1 微流体系统基本组成部分

1．3．2 用于细胞检测的微流体结构分类

1．3．3 加工材料与制备工艺

1．4 本课题的研究背景及意义

1．5 本文主要研究内容

第二章 微流体理论研究

2．1 微流控技术研究现状

2．2 微流动运动的主要限制因素

2．2．1 尺度效应

2．2．2 表面张力特性

2．2．3 微流体粘度特性

2．2．4 表面粗糙度

2．2．5 边界层滑移

2．3 微尺度流体运动规律

2．4 微流体模拟方法分类

2．4．1 基础方程

2．4．2 微流体滑流边界问题分析

2．5 具有压力差的微流体流动

2．5．1 在微流结构中的微小缝隙中的流动

2．5．2 微流结构圆形管道中的流动

2．5．3 微流结构矩形管道中的流动

2．5．4 微流结构环形管道中的流动

第三章 微流体系统的设计与仿真

3．1 有限元分析软件

3．2 细胞特性研究

3．3 薄膜电容式细胞检测方法

3．4 微流体结构分析与数值计算

3．4．1 微流体结构对比与分析

3．4．2 微流体结构仿真与数值计算

3．4．3 仿真结果分析

第四章 微流体结构的制备设计

4．1 加工材料

4．2 微加工工艺介绍

4．2．1 软光刻技术

4．2．2 母版的制备

4．2．3 光刻胶的分类

4．3 微流体制备方法

4．3．1 总体设计方案

4．3．2 制备工艺

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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