用于病毒检测的生物芯片实验室相关技术研究

摘要

本课题就面向病毒检测的新型生物芯片实验室系统的相关技术进行了研究。 芯片实验室技术以微型化、集成化、自动化为核心,以生物化学过程的片上集成为目标。 本课题根据病毒检测应用的特点,提出了一次性微流控芯片与可重复使用的芯片驱动平台相结合的方案,从微流控芯片的设计与加工,生物大分子的片上荧光检测,纳米磁珠的片上操纵,芯片的温度控制和微流体的驱动与控制这几个方面开展研究。建立了微流控芯片的系统化设计方法和PMMA基芯片的激光加工方法,搭建了荧光检测系统,实现了纳米磁珠的操纵、芯片温度的控制以及微流体的驱动与控制,具备了构建小型分子诊断平台的关键技术。通过与均相免疫分析、纳米技术和核酸信号放大等技术的结合,可实现高灵敏度高特异性的分子检测。 采用二氧化碳激光器进行PMMA基微流控芯片的激光刻蚀工艺,并结合PMMA基微流控芯片热压键合工艺,从而建立了多层芯片和混合集成芯片加工工艺。 芯片上各种功能的实现最终依赖于对片内反应的检测。芯片实验室技术具有小型化的优势,在保证性能的前提下本课题进行了荧光检测系统的小型化研究。搭建了四种荧光检测系统,分别为空间光学荧光检测系统、基于LED芯片阵列和液芯波导的多通道荧光检测系统、基于OLED的平面集成光纤荧光检测系统和光微流集成激光诱导荧光检测系统。从光源、光路结构和探测器出发,进行了一系列的小型化尝试,并分别提出了三种小型化方案。同时,应用锁相放大技术保证检测系统的性噪比。基于LED芯片阵列的液芯波导荧光检测系统激发光路简单,同时可以实现多通道检测。基于OLED的光纤荧光系统采用面发光光源进行激发,光纤侧向收集荧光,从而极大压缩了垂直芯片方向检测系统的体积,实现了平面集成。光微流集成系统采用即插即用的光微流接口,通过光纤与片外的光源和探测器联系,从而最大程度地实现了微型化。使用上述四种荧光检测系统对Rhodamine 6G和结合双链DNA的Syber Green I进行了荧光检测。这四种系统结构,分别适用于不同的具体芯片结构和功能,可供构建芯片系统时自由选择。 微流控芯片内的生物反应过程依赖于各反应组分的精确控制,纳米磁珠既是生物大分子的载体也易于操纵。使用NdFeB永磁材料和软磁线圈实现了15nm、300nm、2.8μm包被抗HIV-1 p24抗体的纳米磁珠的定向迁移。永磁材料具有较强的磁场,能够产生足够的磁场力驱动纳米磁珠。但为了形成磁感应强度梯度从而产生磁场力驱动磁珠运动,需要永磁材料的机械运动。发现了无外加磁场搅动,静止流体中纳米磁珠的自组织行为。采用热电半导体芯片和薄膜温度传感器实现了-10～100℃内的等温和PCR温度循环并能够进行片内精确测温。为基因扩增和免疫反应提供了微尺度的温度环境,为温敏微阀提供了温度信号,为光电器件和电磁器件等有源器件进行了制冷,确保相关器件的稳定可靠工作。提出了可编程温控阵列的概念,为温控系统的通用化奠定了基础。 建立了基于压力、毛细作用和Marangoni效应的微流体驱动方法。研制了温敏微阀流体控制系统。 上述芯片设计加工、片上荧光检测、纳米磁珠操纵、芯片温度控制和微流体驱动与控制等技术的结合为芯片实验室系统硬件的整合和建立奠定了基础。通过将芯片实验室硬件与相应的生化试剂及方法结合可实现病毒检测功能。 基于纳米磁珠和等温扩增的均相免疫检测方法能够在高特异性下达到很高的灵敏度,同时,通过抗体的更换该方法将具有通用性。这一方法与芯片实验室技术结合能够在极小的样品和试剂消耗下快速自动化地完成检测,同时还具有高通量的潜在优势。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2发展历程

1.3现场检测

1.4芯片制备方法

1.4.1玻璃和石英微流控芯片的制备

1.4.2高聚物微流控芯片制备技术

1.5检测方法

1.5.1电化学检测技术

1.5.2激光诱导荧光检测技术

1.5.3化学发光检测技术

1.6应用

1.6.1核酸检测

1.6.2免疫分析

1.7本课题的研究内容及意义

第2章微流控芯片的设计与加工

2.1微流控芯片的结构化设计

2.2片基材料的选择

2.2.1无机材料

2.2.2高分子聚合物材料

2.3芯片的激光刻蚀

2.3.1激光加工聚合物的作用机理

2.3.2刻蚀激光的选择

2.3.3二氧化碳激光器加工工艺的建立

2.4芯片的键合

2.4.1芯片的清洗

2.4.2芯片的层压键合

2.5混合集成芯片的制作

2.5.1光流体芯片的制作

2.5.2温控微阀的制作

2.5.3电磁芯片的制作

2.6讨论

2.7本章小结

第3章片上生物大分子荧光检测

3.1空间光学荧光检测系统

3.1.1原理

3.1.2光路结构

3.1.3实验及讨论

3.2基于LED芯片阵列和液芯波导的多通道荧光检测系统

3.2.1原理

3.2.2光路结构

3.2.3实验及讨论

3.3基于OLED的平面集成光纤荧光检测系统

3.3.1原理

3.3.2光路结构

3.3.3实验及讨论

3.4光微流集成激光诱导荧光检测系统

3.4.1原理

3.4.2光路结构

3.4.3实验及讨论

3.5讨论

3.6本章小结

第4章芯片实验室驱动平台

4.1片上纳米磁珠操纵

4.1.1纳米金磁的包被

4.1.2永磁体磁珠操纵

4.1.3软磁材料磁珠操纵

4.1.4电磁集成磁珠操纵系统

4.2芯片的温度控制

4.2.1基于热平衡的恒温装置

4.2.2可编程温控阵列的初步设计

4.3微流体的驱动与控制

4.3.1微流体的进样及驱动

4.3.2微流体的控制

4.4讨论

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的成果

致谢