基于离心微流控技术的乙肝检测芯片的研究

摘要

微流控芯片的应用正处在从实验室到市场推广的转折时期，利用微流控技术能够在芯片上实现试剂的进样、流动、混合、反应和清洗等一系列过程，将整个化学反应过程集成在一张芯片上。而基于离心驱动原理的微流控芯片更具有设备简单、流速可控、方便快捷、技术要求低和高通量特点，是目前微流控芯片研究领域的热点之一。乙肝是我国近年来广泛流行的一种病毒性肝炎，感染率约达70％，传统的乙肝检测需专业化检测设备及人员、周期长、成本高，快速廉价诊断已经成为现实的迫切需求，实现对乙肝的快速诊断、预防和治疗具有重要的意义。　　本论文通过将离心微流控技术与乙肝病毒的传统酶联免疫吸附测定(ELISA)检测方法相结合，设计基于离心微流控技术的乙肝检测芯片，在乙肝检测芯片进行生物实验，以期建立快速、集成化、高通量和低成本的微流控ELISA乙肝检测新方法。　　论文首先对离心式微流控芯片的液体驱动原理进行研究，对微通道内液体突破阀体速度的原理进行了理论分析;在传统乙肝酶联免疫吸附测定法的基础上提出了离心式微流控乙肝检测芯片的实验方案，通过在驱动设备上的离心实验，最终确定芯片的流体整体驱动过程。并对基于离心微流控技术的乙肝检测芯片进行了几何结构设计。　　通过对微流控芯片的加工方法进行了分析，比较了常用的数控加工、光掩模加工和激光切割加工方法的优缺点，确定了离心式微流控芯片的加工方法，详述了离心式微流控芯片的制作步骤。　　论文对常见的离心驱动设备进行总结和筛选，根据乙肝检测所需的功能要求，提出了离心式微流控芯片驱动设备的设计方案。对离心式微流控芯片驱动设备自行设计与加工，搭建了一套离心式微流控芯片驱动设备。本文分别对离心式微流控芯片驱动设备的机械结构、硬件电路、控制程序进行了分析介绍，实际转速与设计转速偏差控制在5％以内，温度控制满足微流控芯片的要求，为离心式微流控芯片的开发奠定基础。　　根据传统的乙肝酶联免疫检测原理，本文在乙肝病毒五项检测中选择乙肝病毒表面抗原作为实验对象，通过芯片上的生物学实验来确定芯片乙肝检测的方法步骤;同时，对于微流控芯片实验结果的光学检测做了设计研究，搭建了光路系统，研制了基本的光学检测电路，设计了相关软件。文章最后进行了相关实验，对实验结果进行拟合，将乙肝病毒检测芯片的性能与传统ELISA检测方法进行了比较，比较两种方法的检测效果，检测时间由145min缩短为60min，样本消耗量降至常规方法的2/5，试剂消总耗量由750μL减少至360μL，加标回收率在95％～102.3％，满足乙肝病毒的快速检测和稳定检测需求，为后续集成与光学检测设备结合的乙肝快速检测仪奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．2．1 微流控芯片的发展与现状

1．2．2 乙肝病毒检测介绍

1．3 离心式微流控芯片的应用

1．3．1 离心式微流控芯片在化学分析中的应用

1．3．2 离心式微流控芯片在细胞分析中的应用

1．3．3 离心式微流控芯片在环境监测中的应用

1．4 离心式微流控芯片的商业化应用

1．5 理论和应用方面的意义

1．6 课题主要研究内容及论文结构

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 论文结构及研究方案

2 离心式微流控芯片的原理与结构设计

2．1 离心式微流控芯片的原理

2．1．1 离心式微流控芯片原理

2．1．2 离心式微流控芯片的液体控制作用

2．2 离心式微流控芯片的设计

2．2．1 乙肝ELISA原理检测的传统实验方案

2．2．2 离心式微流控芯片的实验方案设计

2．2．3 离心式微流控芯片的通道设计

2．3 离心式微流控芯片的加工

2．3．1 微流控芯片的加工工艺现状

2．3．2 实验设备与材料

2．3．3 加工流程

2．4 芯片的测试分析

2．4．1 通道几何结构实验

2．4．2 芯片最终方案的确定

2．5 本章小结

3 离心式微流控芯片驱动设备的设计制作

3．1 离心式微流控芯片驱动设备的功能要求

3．2 驱动设备的功能结构及机械结构设计

3．3 机械结构单元选型

3．4 驱动设备数字化硬件电路设计

3．4．1 系统控制处理器

3．4．2 电路最小系统

3．4．3 电机定位模块

3．4．4 步进电机细分驱动模块

3．4．5 模数转换模块

3．4．6 温度控制模块

3．4．7 电源转换模块

3．5 步进电机速度控制

3．6 实物图与测试分析

3．7 本章小结

4 乙肝病毒检测芯片的生物学验证

4．1 乙肝病毒检测的基本原理

4．1．1 乙肝病毒检测原理

4．1．2 光学检测方法初探

4．2 实验材料、试剂、仪器设备

4．2．1 芯片材料

4．2．2 试剂

4．2．3 仪器与设备

4．3 生物学验证方法的设计

4．3．1 离心式微流控芯片生物学验证存在问题

4．3．2 离心式微流控芯片的加工

4．3．3 试剂预存储

4．3．4 检测抗体最佳包被浓度的测定

4．3．5 样品最佳反应时间的测定

4．3．6 乙肝检测芯片的验证及与传统方法之间的对比

4．4 实验结果与分析

4．4．1 检测抗体最佳包被浓度的确定

4．4．2 最佳反应时间的确定

4．4．3 乙肝表面抗原标准品检测

4．4．4 回收率测定实验结果

4．4．5 芯片的保存稳定性实验结果

4．4．6 方法对比

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果