【摘要】：微流控芯片與傳統(tǒng)的實驗室相比,反應系統(tǒng)的小型化提供了實用的優(yōu)勢,正逐步在生物醫(yī)學領域得到應用。表面增強拉曼散射(SERS)是一種非常強大的檢測方法,它不僅能以特征振動光譜的形式提供被分析物分子結構的信息,而且能使靈敏度接近熒光光譜。微流控與SERS技術結合,將容易因為人工操作而產(chǎn)生誤差的SERS檢測過程變?yōu)樽詣踊⒏咧貜托缘臋z測,并且將以前在實驗室中大規(guī)模進行的檢測過程變?yōu)樵谖⑿◇w積中進行的快速檢測。然而傳統(tǒng)的微流控芯片加工制備需要造價高昂的潔凈室,且過程耗時耗力。其他無需潔凈室的微流控芯片加工方法仍需昂貴且專業(yè)的儀器,加工精度在一定程度上受到限制。與此同時由柔性、透明、可拉伸、生物相容的軟管作為微通道的軟管微流控受到關注。本論文提出了基于3D打印模板支撐的軟管微流控芯片,并與SERS技術聯(lián)用對連續(xù)流體進行檢測分析。首先,本論文結合SERS檢測要求和軟管微流控的特點,設計制備了具有彎曲通道的平面和立體軟管微流控芯片的3D打印支撐模板。通過對比5種不同材料軟管的透明度、硬度、尺寸、拉曼背景,最終選擇了Silicone軟管作為軟管微流控芯片微通道,并與3D打印支撐模板以及其他配件一起組裝成軟管微流控芯片。兩種軟管微流控芯片的溶液混合仿真結果顯示兩種芯片均能高效的混合液體。探究了不同流速對平面和立體軟管微流控中SERS檢測的影響。結果顯示當流速為18μL/min和16μL/min時,分別在平面軟管微流控和立體軟管微流控中獲取的SERS光譜均達到了最大的信號強度和最小的RSD。并且立體軟管微流控芯片中最大的峰面積大約為平面軟管微流控芯片中的1?2,因此平面軟管微流控芯片比立體軟管微流控芯片更適合用于連續(xù)流體的SERS檢測。然后,在平面軟管微流控的基礎上,設計了三種不同通道形狀的單位陣列化平面軟管微流控芯片。SERS檢測分析結果顯示,U形通道中最佳的混合單元數(shù)和聚焦單元數(shù)是5,且測量得到的4-巰基苯甲酸(4-MBA)的SERS光譜1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰面積為34939±1886和60091±3118,RSD分別為5.40%和5.19%。半圓通道軟管微流控芯片中進行SERS檢測時,最佳的混合單元數(shù)為3,聚焦單元數(shù)是5,測量得到的4-MBA的SERS光譜1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰為39113±1886和63603±3059,RSD值分別為4.82%和4.81%。直線通道中,最佳的混合單元數(shù)和聚集單元數(shù)分別為3和6,4-MBA的SERS光譜1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰均值為最大值25315±2530和41117±1599,其RSD值分別為2.43%和2.32%。另一方面,三種不同通道形狀的平面軟管微流控中,半圓軟管微流控不同混合單元數(shù)和聚集單元數(shù)之間的SERS光譜特征峰面積變化趨勢最穩(wěn)定。最后,本論文提出了基于軟管微流控的連續(xù)流體SERS平臺,并將其應用于無標記的細胞檢測。與傳統(tǒng)靜態(tài)固體和靜態(tài)液體測量方法相比,連續(xù)流體SERS平臺能夠動態(tài)地混合溶液、精確地控制混合時間并且能夠連續(xù)地采集光譜。通過對模型分子的表征,所提出的連續(xù)流體SERS平臺分別以1.90%和4.98%的相對標準偏差展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和重復性。在該平臺上研究了一種正常乳腺細胞(MCF-10A)和2種乳腺癌細胞(MCF-7和MDA-MB-231)。選取270個細胞光譜作為基于K近鄰(K-NN)算法的分類模型訓練集。用含有180個細胞光譜的測試集進行三種細胞的分類鑒定,其靈敏度在83.3%以上,特異性在91.6%以上,準確度為94.4%。本文提出了基于3D打印模板支撐軟管微流控,在不同維度,不同通道形狀的軟管微流控芯片進行SERS檢測和分析,并積極探索基于3D打印模板支撐的軟管微流控芯片在連續(xù)流體SERS檢測中的應用。提出的基于軟管微流控的連續(xù)流體SERS平臺具有信號強度高、重復性好、預處理少、獲取光譜量大、時間消耗少等優(yōu)點。它將成為細胞研究、臨床診斷和食品安全領域強有力的檢測工具。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN492;TP391.73
【圖文】：

通過組裝簡單的微流控模塊來制作和創(chuàng)建各種適合特定應用的器件，這些模塊被單獨制作。模塊化微流控制備方法為加工復雜的微流控裝置提供了通用性。圖1.1 微流控應用示意圖。微流控應用從全自動 DNA 檢測，到蛋白質分析，到細胞培養(yǎng)及分選，到藥物篩選，到遺傳學分析。

光刻和軟光刻的微流控器件制造示意圖

.3 Xurography 技術主要步驟和不同寬度 PDMS 微通道橫截面顯微圖像[63]。(a) 用于在 中剪切繪圖的繪圖機；(b) 繪圖機切割乙烯基薄膜以生成相應的模具；(c) 將 PDMS 倒從而獲得擬用微通道；(d) 500 mm 寬的微通道橫截面；(e) 300 mm 寬的微通道橫截面；(mm 寬的微通道橫截面。3) 微銑削微銑削是一種采用高精度計算機數(shù)控 (Computerized Numerical Control, C系統(tǒng)，有高速的主軸轉速和能進行微加工的微銑刀[65]。微鉆頭是一種刀具，的尺寸可以小于 100 毫米。因此，該工具可以去除微米范圍內的材料，從而使用潔凈室設施等復雜環(huán)境的情況下生產(chǎn)出 5mm 以下的結構[65]。Lopes 等一項研究表明，微銑床可以制造寬度可達 30 mm 的微通道（圖 1.4）[66]。需是，微銑削應該與熱塑塑料、PMMA 和環(huán)烯烴共聚物 (Cyclic Olefin CopolC) 等硬質材料一起使用，只要銑削不對材料過度加熱[66]。此外，他們還展示的微流控裝置從血漿中分離紅細胞的能力。雖然該技術看起來很有前途，但復雜的刀具、刀具容易斷裂等缺點使得該方法在生物工程和生物醫(yī)學工程領

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本文編號：2752931