【摘要】：隨著當今自然科學和工程技術的快速發(fā)展,科學家們研究的對象越來越趨近于小型微觀化,其中微流控技術就為實驗操作的微小化提供了可能。微流控芯片又稱為“芯片實驗室(Lab on a chip)”,是微機電加工技術(MEMS)的一個典型應用。微流控芯片是通過在石英、硅、玻璃或高分子聚合物等基質(zhì)上加工出微米量級的通道、泵、反應器、電極等功能單元而得到的,并通過物理化學的相關理論,實現(xiàn)物理化學領域所涉及樣品的反應、純化、萃取、分離、檢測等一系列功能。微流控芯片實驗方法與傳統(tǒng)實驗室方法相比具有所占空間小、試劑用量少、反應時無氣體污染、反應分析速度快、集成度高、自動化程度高及工作效率高等優(yōu)點,現(xiàn)已成為物理,化學和生物等領域的一種被普遍研究應用的前沿實驗分析方法。應用微流控芯片制備納米材料是微流控芯片應用的一個重要研究方向。量子點(Quantum Dots,QDs)作為一種新型半導體納米材料,是納米生物光子學研究中一個重要的研究工具。量子點因其與傳統(tǒng)有機熒光染料相比具有激發(fā)光譜寬,發(fā)射光譜窄且可調(diào)、熒光量子產(chǎn)率高、光化學穩(wěn)定性高及表面易被修飾等優(yōu)點,被視為是一種具有廣泛應用前景的熒光信號探針材料。但由于傳統(tǒng)的多步合成方法存在所用離子溶液濃度分布不均勻、溶液間混合效率低、反應器中溫度不均勻且控制性差等缺點,無法得到重復性高、高質(zhì)量的量子點材料。因此,本論文應用微流控芯片對二元CdTe和三元CuInS2量子點材料進行制備,通過微流控芯片對反應濃度、溫度和混合過程進行精確控制,得到優(yōu)于傳統(tǒng)實驗方法制得的量子點材料,并利用生物分子對其進行表面修飾,實現(xiàn)了對體外肝癌細胞和胰腺癌細胞和體內(nèi)腫瘤的靶向熒光標記。本文的主要研究內(nèi)容如下:1、構建應用于量子點合成的微流控芯片平臺從設計,模擬仿真和制作等方面詳細介紹了本論文中用于量子點合成的微流控芯片。概述了微流控芯片制作工藝的發(fā)展現(xiàn)狀,并對相關材料的優(yōu)劣勢進行了對比。詳細介紹了微流控芯片仿真模擬的相關理論,并通過相應理論,應用COMSOL多物理場仿真模擬軟件對CdTe合成過程中微流通道所涉及到的變量參數(shù)進行了模擬研究。同時,對本論文所應用的微流控芯片的制作過程進行了詳細敘述,并對基于PDMS的微流控芯片的制作工藝進行了優(yōu)化,得到了制作工藝簡單且可重復使用率高的微流控芯片。2、應用微流控芯片制備的生物功能型二元量子點材料及其應用應用微流控芯片通過“一步合成法”合成了牛血清蛋白(BSA)修飾的CdTe量子點。首先,應用COMSOL多物理場有限元分析法中的層流模塊去設計和優(yōu)化用于水性量子點合成的微流控反應通道參數(shù)(如反應溫度,通道寬度和長度)。通過紫外可見分光光度計(UV-Vis Abs),熒光光譜儀(PL),傅里葉紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR))和瓊脂糖凝膠電泳對所制備的BSA-QDs進行表征分析,與傳統(tǒng)方法制備的BSA-QDs膠體進行對比研究后得出,應用微流控方法制備量子點的效率高,所得到量子點的光化學性質(zhì)和生物分子的結合效率要優(yōu)于應用傳統(tǒng)方法制得的。同時在生物應用方面進行了擴展研究,應用“一步合成法”制備了葉酸(Folic acids,FA)表面功能化的CdTe量子點材料。最后利用制得的生物功能型量子點材料對巨噬細胞和胰腺癌細胞進行生物熒光成像與靶向標記的研究,實現(xiàn)了小鼠體內(nèi)的熒光成像,同時通過病理分析得出此量子點材料對小鼠的健康沒有造成影響。3、應用微流控芯片制備的生物功能型三元量子點材料及其應用首次提出對微流控芯片進行合理組合后,通過“一步合成法”制備出CuInS2,CuInS2/ZnS及dBSA-CuInS2/ZnS量子點材料,之后利用生物分子對dBSA-CuInS2/ZnS量子點進行表面修飾。dBSA-CuIn S2/ZnS量子點的發(fā)射波段位于近紅外,這決定了該材料能夠成功應用于細胞熒光成像。通過對dBSA-CuInS2/ZnS量子點的表征分析,得出選用dBSA(denatured BSA,變質(zhì)的牛血清白蛋白)作為量子點材料最外層的穩(wěn)定劑可以提高其量子產(chǎn)率及與其他生物分子的結合效率。最后用葉酸(Folic Acid,FA)和透明質(zhì)酸(Hyaluronic Acid,HA)分別對量子點進行表面修飾,實現(xiàn)了對胰腺癌細胞和肝癌細胞的特異性識別功能。這為應用微流控芯片合成的生物功能型量子點材料未來更好的應用于臨床提供了有利的理論和實驗依據(jù)。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN492;O471.1
【圖文】：

10）同時由于微流控芯片具有很高的平行性，可以實現(xiàn)多個或者高集成化的多通道多平臺平行操作，提高了對于新物質(zhì)，細胞篩選以及藥物篩選的研究效率，并降低了研究成本。由于以上這些優(yōu)點在過去的 10 多年中，微流控芯片作為微反應器在納米材料的發(fā)展中起到了關鍵的作用。最早在 2002 年，英國帝國理工學院 Andrew J. deMello 實驗組第一次提出應用微流控芯片合成 CdS 量子點材料[17]。在此之后越來越多實驗研究組開始應用此項技術去研究合成各種量子點或者其他納米材料。2003 年，美國加州伯克利大學的 A. Paul Alivisatos 的研究組應用微流控反應器進行了尺寸可控的 CdSe 量子點的合成研究。如圖 1.1 所示，為他們所設計的微流通道和通過改變溫度得到不同粒徑納米顆粒的熒光光譜[18]。

圖 1.2 液滴型微流控芯片的設計和通道中液體流速對液滴產(chǎn)生大小的影響2007 年，美國桑迪亞國家實驗室的 T. A. Michalske 小組在發(fā)表于 Lab on a ch的文章中通過對 CdS 納米材料的合成，對通過雙相匯合這種方式合成納米材溶液混合時的狀態(tài)做了詳細的介紹與理論分析[21]。

圖 1.4 （a）為 Andrew J. deMello 研究組應用于合成 IV VI 半導體納米晶體的微流控裝置示意圖[25]（b）Fe3O4磁性納米材料在微流控芯片中合成的狀態(tài)[26]另外在 2005 年，J.Wagner[27]等人應用恒流微流控芯片直接通過氯金酸鹽和還原劑合成了粒徑在 5-50nm 的金納米顆粒。經(jīng)過對實驗參數(shù)的優(yōu)化獲得了比傳統(tǒng)實驗方法要強兩倍的小粒徑分布。2013 年，Catherine J. Murphy[28]等人應用簡單的微流控裝置和方法制備出了不同形狀和大小的金納米顆粒，為今后金納米顆粒量產(chǎn)和市場化提供了可能。裝置如圖 1.5 所示。

本文編號：2756989