【摘要】：微流控技術是一種在尺寸為數(shù)十至數(shù)百微米的通道網(wǎng)絡中操縱和控制流體的技術,可以把實驗室常見的生物、化學分析操作集成到芯片上,實現(xiàn)傳統(tǒng)生化分析操作的小型化、集成化和自動化。微流控芯片有著高通量、樣品消耗低、響應速度快、便于攜帶等優(yōu)勢,已經(jīng)在生化分析、定點醫(yī)療、分子診斷、生物制藥、環(huán)境檢測等領域得到了廣泛應用。然而,隨著研究的不斷深入,微流控芯片實現(xiàn)的功能越來越復雜,傳統(tǒng)微流控技術的驅動方式限制了芯片的大規(guī)模集成,而微流控技術的重要分支離心微流控技術,能夠很好地解決這個問題。離心微流控技術是利用電機旋轉產(chǎn)生的離心力作為液體的驅動力,將生化檢測分析流程集成在一個光盤大小的圓盤上的技術,因為驅動方式簡單、成本低廉、集成度高等特點在學術領域和工業(yè)領域得到越來越多的關注和應用。本文提出了一種多功能離心力微流控系統(tǒng),對系統(tǒng)進行了模塊化的設計和分離。首先,檢測芯片與系統(tǒng)進行了分離,只需要更換不同的微流控芯片,即可在系統(tǒng)中完成不同的檢測。其次,系統(tǒng)各功能模塊也進行了分離,包括主控板,檢測板,電源板,控制板,被動板等,各模塊之間相對獨立,方便系統(tǒng)的維護和升級。系統(tǒng)集成了檢測功能,可以用于熒光、化學發(fā)光的實時檢測,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)加入檢測芯片后,得到檢測結果。系統(tǒng)集成了無線供電功能,系統(tǒng)中的旋轉部分可以引入單片機控制以及加熱融化的石蠟閥等,增加了芯片設計的靈活性。系統(tǒng)在手機上實現(xiàn)了智能操控平臺,在平臺上可以對芯片中使用的各種元器件進行定義,單獨對元器件進行控制,也能編寫流程,實現(xiàn)檢測過程的自動化。本文還對系統(tǒng)的一體化設計進行了探索,設計了樣機,將其用3D打印技術打印出來,并成功將系統(tǒng)安裝到樣機內。本文基于多功能離心力微流控系統(tǒng),在雙態(tài)模型基礎上設計了液滴生成及全血DNA提取芯片。傳統(tǒng)的離心力微流控芯片,液體通常只能在離心力的作用下徑向向外流動,這在一定程度上限制了芯片所能實現(xiàn)的功能。通過在離心力芯片上引入額外的軸,利用旋轉加速度產(chǎn)生的歐拉力,可以使芯片具有“左態(tài)”和“右態(tài)”兩種狀態(tài),從而能在芯片上實現(xiàn)更復雜的控制。本文實現(xiàn)了多并行的雙態(tài)芯片,并基于雙態(tài)模型設計了液體計量以及液滴生成芯片,實驗結果表明基于雙態(tài)模型的液滴生成方式產(chǎn)生的液滴均勻性良好,而且這種方式通過一次“左態(tài)”、“右態(tài)”的切換產(chǎn)生液滴,液滴產(chǎn)生時機是可控的。本文基于雙態(tài)模型,設計了全血的DNA提取芯片并進行了生物實驗,與標準離心柱實驗結果進行對比,結果表明基于雙態(tài)提取芯片得到的DNA純度與標準離心柱相差很小,提取的DNA可用于核酸擴增反應。本文接著DNA提取芯片設計了用于PCR的芯片,利用雙態(tài)的特性,設計了兩個不同溫度的反應腔,使液體在兩個反應腔之間來回流動從而實現(xiàn)熱循環(huán)。本文結合石蠟閥和螺旋通道結構,設計了DNA提取及重組酶介導擴增(RAA)芯片。石蠟閥保證了試劑能夠順序加載,螺旋分發(fā)結構可以實現(xiàn)單芯片上多參數(shù)的檢測,最終的實驗結果表明,該芯片能很好地實現(xiàn)RAA擴增。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN492;R440
【圖文】：

圖１．３邋ＬａｂＣ〖）離心力微流控平臺［４５］逡逑１世紀初，學術和商業(yè)發(fā)展迅速，離心微流控平臺上加入了許多新的分析ｉｄｏ等人在２０００年第一次提出了用于農業(yè)和環(huán)境分析的基于圓盤的免疫列，他們將壓電噴墨器應用于聚碳酸酯圓盤上的低密度微陣列，同時對多逡逑除草劑進行分析，他們的實驗結張表明，基于光盤的微陣列技術川＇以提定Ｍ的分析結p}，并具ＭT對多種分析物進行分析的潛力［４６］。卜ｉｊ年，逡逑邋ＡＢ成立并將基于盤的自動夾心免疫操作系統(tǒng)商業(yè)化。此后一些其他的公司逡逑疫診斷應用到離心力微流控平臺中，Ｑｕａｄｒａｓｐｅｃ^u發(fā)了無標簽技術，川于逡逑丨＇丨質陣列的變化，丨（ｌｊ邋Ｂｕｒｓｔｅｉｎ和Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ａｒｒａｙ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ則在磁盤卜．開逡逑于分析核酸的陣列方法［３９］。逡逑年來，隨著生物傳感器和生物醫(yī)學檢測集成在離心微流控盤上的需求不斷逡逑主動模式，特別是泵送和閥控模式被越來越多的引入到離心力微流控盤上。逡逑

２．１離心力微流控理論分析逡逑在離心力微流控系統(tǒng)中，由于平臺旋轉存在三種假想力，即離心力、科氏力逡逑和歐拉力，這些力如圖２．１所示，系統(tǒng)利用這三種力有效推動和控制圓盤狀裝置內逡逑的流體。逡逑離心力逡逑，概她ｉ逡逑和—ｆ＇ｔ邐＇‘Ｉ．逡逑Ｉ逡逑％邋？邋Ｊ逡逑佭逡逑圖２．１用于在離心微流體平臺上控制流體的力，包括逡逑離心力（Ｆｗ）、科氏力（廠（．）和歐拉力（／＝；：邋＞。逡逑離心力沿圓盤徑向向外作用，與角速度的平方成正比，是用來將流體從圓盤逡逑中心移動到圓盤邊緣的主要力；離心力的計算由式２．１給出：逡逑Ｆｃｏ邋＝邋ｐｒｏｆ邐（２．１）逡逑其中ｐ表示流體的質量密度，ｒ是流體距離圓盤中心的距離，0）是圓盤旋轉的頻逡逑率。這種離心力驅動機制己經(jīng)成功地應用于離心力微流控系統(tǒng)中的各種液體運輸，逡逑廣泛地獨立于它們的物理化學性質，證明了其在生物應用中的有效性，在生物應逡逑用中，能夠處理同一圓盤上的多種液體類型和不同液體體積是非常g.要的。逡逑科氏力方向垂直于圓盤上移動粒子的速度

在離心力微流控技術中，液體體積計量是一項重要的功能，它可以為診斷分逡逑析提供合適的試劑體積，對定量化學分析或合成至關重要。液體計量主要是通過逡逑簡單的溢出原理來實現(xiàn)的，如圖２．３所示，其工作原理可以簡單描述為填充已知幾逡逑何形狀的液體腔。通過在液體腔的上部鉆第？個孔，離心力將多余液體排出，直逡逑到液面到達孔的下邊緣。下部引入的另一個孔的下邊緣和第一個孔的下邊緣定義逡逑／計量體積。在離心微流體技術中，第一個孔通常是將多余液體溢出到廢液腔中，逡逑而第二個孔是由之前介紹的閥來實現(xiàn)的，例如毛細閥，虹吸閥等［７０］。逡逑過量液體邋邐邐逡逑匕．ｍ．ｉ＇邋１１出口至廢液腔逡逑殘留液體逡逑圖２．３液體計量原理逡逑１５逡逑

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本文編號：2746793