微流控系統(tǒng)在流體剪切力、分子邏輯門以及離子檢測中的應(yīng)用.pdf

1、本論文主要介紹了微流控系統(tǒng)在流體剪切力、分子邏輯門和離子檢測方面的不同應(yīng)用。微流控系統(tǒng)以其在尺寸上類似于生物體結(jié)構(gòu)的特有優(yōu)勢，以及可控制微環(huán)境中物理化學(xué)特性的能力，使得可以通過改變芯片設(shè)計（包括改變通道、小室以及其它幾何結(jié)構(gòu)等）來方便地模擬細(xì)胞外周環(huán)境，這給體外研究細(xì)胞行為和功能提供了非常有價值的平臺。將微流控系統(tǒng)應(yīng)用于研究流體剪切力對細(xì)胞影響的平臺更是發(fā)揮了其特長，使細(xì)胞分析實驗變得高效省時并節(jié)約了成本。另外，將熒光化學(xué)傳感器與微流控

2、系統(tǒng)結(jié)合起來會成為芯片實驗室(Lab-on-a-chip，LOC)一個非常強有力的工具。熒光化學(xué)探針以其能感知特異性底物、靈敏性高、可實現(xiàn)分子邏輯門等特點賦予了微流控芯片更強大的優(yōu)勢，使得微流控芯片可應(yīng)用在開發(fā)溶液微處理器以及診斷和檢測方面，這樣的平臺可實現(xiàn)溶液微處理器，并且在檢測方面更加高效和靈敏。
　　 在第一幸中首先對微流控芯片的優(yōu)勢、微流控的基本技術(shù)（微流控芯片加工，微流控系統(tǒng)模擬細(xì)胞微環(huán)境，微芯片混合技術(shù)）進行了背景介

3、紹，接著對微流控剪切力系統(tǒng)在細(xì)胞行為方面的研究進行了概括總結(jié)，還進一步了介紹了流體剪切力對胞質(zhì)鈣濃度的影響的相關(guān)內(nèi)容。然后對分子邏輯門相關(guān)的一些基本概念（熒光化學(xué)傳感器，邏輯門，分子邏輯門等）進行了介紹，并綜述了分子邏輯門領(lǐng)域的研究進展以及在微流控中進行邏輯門操作的相關(guān)實例。再接著概述了檢測氰根離子和重金屬離子的當(dāng)前技術(shù)進展，以及利用微流控系統(tǒng)來檢測這兩類離子的相關(guān)報道。最后對該論文研究的立題依據(jù)，研究內(nèi)容和主要成果進行了歸納總結(jié)和陳述

4、。
　　 第二章介紹了一個用于定量分析成骨細(xì)胞鈣動態(tài)變化的多剪切力微流控芯片設(shè)備。微流控系統(tǒng)是研究剪切力刺激對鈣動態(tài)變化影響非常便利的平臺。已經(jīng)證實剪切力可以影響骨細(xì)胞的功能和影響骨骼再造。我們開發(fā)了一個能在單個芯片中同時產(chǎn)生四種剪切力流體的微流控系統(tǒng)，來研究成骨細(xì)胞胞質(zhì)鈣離子濃度的鈣動態(tài)變化。四種不同的剪切力隨細(xì)胞培養(yǎng)小室寬度的變化而變化，同時我們增加了一些阻力通道來矯正每個分支的總阻力，從而使流體平均分配到四個分支中。另外，

5、我們還通過數(shù)值模擬得到了細(xì)胞培養(yǎng)小室中局部剪切力的分布，找出了適用于測量鈣動態(tài)變化的均一剪切力區(qū)域。在0.03-0.30 Pa，成骨細(xì)胞胞內(nèi)鈣濃度的升高與剪切力的強度成正比。另外我們發(fā)現(xiàn)剪切力刺激下成骨細(xì)胞的鈣響應(yīng)出現(xiàn)了延遲，這種鈣響應(yīng)的延遲對應(yīng)的剪切力的閾值在0.03-0.06 Pa之間?？偟膩碚f，我們開發(fā)了一個可提供可控的多種剪切力的微流控剪切力芯片設(shè)備，并且該芯片設(shè)備可以對剪切力引起的胞質(zhì)鈣離子濃度變化強度進行定量分析。
　

6、　 第三章介紹了通過利用基于氣動控制的多個微閥作為微蠕動泵來實現(xiàn)流體混合的微流控設(shè)備，實現(xiàn)了在不同pH和離子條件下熒光強度變化不同的熒光化學(xué)傳感器的分子邏輯門。這里使用的PDMS微流控設(shè)備利用多層軟光刻技術(shù)制備。在循環(huán)流通環(huán)形微通道中，邏輯混合則通過電腦控制的LABVIEW程序氣動控制微流泵來實現(xiàn)。該微流控系統(tǒng)能可控制固定容量的流體，并且有5個小室用于雙輸入邏輯門的芯片上的條件混合和高效化學(xué)反應(yīng)，以此來獲得這些熒光化學(xué)傳感器的分子邏輯

7、門。結(jié)果中，通過芯片上的邏輯混合和熒光化學(xué)傳感器熒光強度的變化，我們獲得了INH和NOR兩種雙輸入的分子邏輯門，并且通過整合分別表現(xiàn)為XOR和AND邏輯門的兩種熒光化學(xué)傳感器獲得了OR邏輯門。我們還嘗試了將能結(jié)合銅的轉(zhuǎn)鐵蛋白，transferrin和銅離子熒光化學(xué)傳感器進行邏輯混合得到了與生物相關(guān)的NOT(INH)邏輯門。以上結(jié)果證實了以前認(rèn)為只能工作于溶液中的分子邏輯門現(xiàn)在能實現(xiàn)在電子化控制的微流控設(shè)備中。這也暗示了我們的分子邏輯門平

8、臺會對開發(fā)溶液微處理器有很大意義。
　　 在第四章中，我們介紹了一個能特異性檢測氰根離子的流動注射微流控系統(tǒng)平臺，含有微通道被動式混合器。這里利用了對氰根離子特異的熒光化學(xué)傳感器，通過其在微流控系統(tǒng)中與氰根離子溶液被動混合后的熒光強度變化來檢測氰根離子的濃度。在此系統(tǒng)中，熒光化學(xué)傳感器和氰根離子溶液的混合是通過魚骨狀的被動式微混合器實現(xiàn)。這個微流控系統(tǒng)操作簡單，只需要一個流動注射泵，不需要電腦程序控制。該熒光化學(xué)傳感器與氰根離子

9、的混合是在水溶液中即可實現(xiàn)。將熒光化學(xué)傳感器與不同濃度的氰根離子混合后可觀察到熒光化學(xué)傳感器的熒光強度隨著氰根離子的濃度增加而線性增強。在這種“關(guān)-開”型的發(fā)射光變化可在500nm觀察到200倍的發(fā)射強度的增強。實驗結(jié)果說明，我們設(shè)計的流動注射微流控芯片系統(tǒng)成功地利用了對氰根離子特異的熒光化學(xué)傳感器實現(xiàn)了對氰根離子的在線檢測。這給未來開發(fā)便攜式檢測設(shè)備給予了重要的啟發(fā)。
　　 第五章中介紹了另外一種流動注射微流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇

10、了三種對不同重金屬離子有特異性的熒光化學(xué)傳感器，通過被動混合反應(yīng)實現(xiàn)在線同時檢測多種重金屬離子。該系統(tǒng)是對檢測氰根離子的微流控系統(tǒng)的一個延伸，同樣也利用了魚骨狀微通道的被動式混合原理。所不同的是，該微流控系統(tǒng)中包含并行的三個混沌混合通道，使得每個熒光化學(xué)傳感器可在各自分支中單獨與樣品溶液（含有多種重金屬離子）混合。熒光化學(xué)傳感器與與樣品完全混合后，可在每個分支的熒光檢測區(qū)域觀察到特定的熒光變化。我們挑選了三種分別對Cd2+，pb2+和H