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(jì)（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(jià)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(shí)驗(yàn)變得高效省時(shí)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(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip，LOC)一個非常強(qiáng)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(shí)現(xiàn)分子邏輯門等特點(diǎn)賦予了微流控芯片更強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(jìn)行了概括總結(jié)，還進(jìn)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(jìn)行了介紹，并綜述了分子邏輯門領(lǐng)域的研究進(jìn)展以及在微流控中進(jìn)行邏輯門操作的相關(guān)實(shí)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(jìn)展，以及利用微流控系統(tǒng)來檢測這兩類離子的相關(guān)報(bào)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)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(shí)現(xiàn)流體混合的微流控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了在不同pH和離子條件下熒光強(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(qiáng)度隨著氰根離子的濃度增加而線性增強(qiáng)。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(qiáng)度的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，我們設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)在線同時(shí)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(dú)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