發(fā)布時(shí)間：2020-08-01 06:38

【摘要】：液滴微流控利用互不相容兩相液體(水相和油相)之間的剪切力作用,以上千赫茲的頻率在微流道內(nèi)產(chǎn)生大小均一、體積僅為皮升量級(jí)的微液滴。由于液滴被油相溶液分隔,所以每一個(gè)液滴都可以作為獨(dú)立的反應(yīng)單元,從而顯著提高了反應(yīng)的通量,在基因篩選、疾病檢測(cè)、酶定向進(jìn)化、藥物篩選、材料合成以及微結(jié)構(gòu)制備等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用前景。然而液滴微流控仍存在一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)。首先,普通水相液滴之間易發(fā)生融合,不易保存與后續(xù)處理；其次,液滴內(nèi)外物質(zhì)交換困難,液滴微反應(yīng)器中的特定組分難以動(dòng)態(tài)添加或移除。相比于普通水相溶液,瓊脂糖具備受溫度控制的“固-液”轉(zhuǎn)換特性,一方面可在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)簡(jiǎn)單降溫冷卻將大分子樣本或反應(yīng)產(chǎn)物固化在凝膠微珠內(nèi),為反應(yīng)產(chǎn)物的保存以及后續(xù)的處理或分析提供了極大的便利；另一方面,可利用溫度變化在芯片內(nèi)進(jìn)行高通量的微結(jié)構(gòu)原位加工。同時(shí),瓊脂糖凝膠具有多孔結(jié)構(gòu),可通過(guò)滲透作用實(shí)現(xiàn)小分子試劑的添加或移除,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作與芯片設(shè)計(jì)。因此,本文基于上述背景,將瓊脂糖凝膠應(yīng)用于液滴微流控技術(shù),首先討論了瓊脂糖凝膠液滴微流控的基本實(shí)現(xiàn)原理,然后在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的提出了一種可原位合成的單向瓊脂糖球閥結(jié)構(gòu)與微泵系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了流體方向的控制以及片外反應(yīng)試劑的進(jìn)樣,最后,驗(yàn)證了利用瓊脂糖液滴微流控實(shí)現(xiàn)PCR擴(kuò)增的可行性。論文的具體研究?jī)?nèi)容為：1.摸索出一套在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)快速加工制備PDMS微流控芯片的方法。我們利用“軟光刻”法加工出SU-8芯片陽(yáng)模,通過(guò)“倒模法”制備PDMS芯片陰膜,采用“兩步固化法”實(shí)現(xiàn)芯片陰膜與PDMS平面基板的不可逆鍵合,使用“軟光刻-磁控濺射法”在芯片中修飾出微電極。相較于傳統(tǒng)的微電子加工工藝,該方法對(duì)設(shè)備要求低、操作更加簡(jiǎn)單,降低了芯片的加工成本與加工耗時(shí),為瓊脂糖凝膠液滴微流控的研究提供了物理基礎(chǔ)。2.研究在微流控芯片內(nèi)產(chǎn)生瓊脂糖液滴的基本原理和方法。我們采用聚焦流結(jié)構(gòu)在芯片內(nèi)高通量地產(chǎn)生出瓊脂糖微液滴,為了定量分析液滴的大小及均勻度,我們利用數(shù)學(xué)分析軟件MATLAB自行編寫(xiě)出一段能夠自動(dòng)提取液滴邊緣并計(jì)算其直徑的程序。根據(jù)定量分析結(jié)果,本文制得的瓊脂糖液滴大小均一度良好,多分散指數(shù)小于5%,液滴產(chǎn)生頻率穩(wěn)定,產(chǎn)生頻率均勻度達(dá)到84%。在芯片外對(duì)瓊脂糖液滴進(jìn)行收集,并在4℃冰箱內(nèi)冷藏儲(chǔ)存48h后,液滴仍然能夠保持結(jié)構(gòu)完整、大小均勻,從而證明了對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可行性。3. 利用瓊脂糖的“固-液”轉(zhuǎn)換特性,創(chuàng)新地提出了一種在微流控芯片中原位合成單向瓊脂糖球閥的方法,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)微流控芯片中液體流動(dòng)方向的控制。基于該單向球閥結(jié)構(gòu),我們又設(shè)計(jì)出一種瓊脂糖球閥微泵系統(tǒng),成功地將片外試劑泵入了微流控芯片中。相比于其它微泵系統(tǒng),我們的微泵無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜加工,可在芯片中原位合成,大大降低了微泵的加工難度與加工成本。同時(shí),我們的微泵將驅(qū)動(dòng)模塊放在微流控芯片外,便于維修與更換,延長(zhǎng)了微泵以及芯片的使用壽命。4.實(shí)現(xiàn)基于瓊脂糖液滴微流控的PCR擴(kuò)增�；谏鲜鲆旱萎a(chǎn)生原理,我們將DNA模板以及PCR反應(yīng)試劑封裝在瓊脂糖微液滴內(nèi),在片外收集后進(jìn)行PCR擴(kuò)增,并成功獲得了擴(kuò)增產(chǎn)物。這證明了以瓊脂糖液滴為微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高通量實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的可行性。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN492;R312

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