用于疾病診斷及環(huán)境毒物檢測的微陣列及微流控芯片新方法研究.pdf

1、微型化與集成化是現(xiàn)代分析化學的重要發(fā)展方向。其中為了提高分析檢測的靈敏度、增加檢測通量，滿足實時現(xiàn)場分析的需要，降低分析成本及樣品需要量，如何實現(xiàn)整個分析檢測裝置的微型化已成為當前分析化學研究的重要發(fā)展前沿之一，而且從某種意義上來說，集成化也是為著微型化這個發(fā)展方向服務的。與分析化學密切相關(guān)的微分析系統(tǒng)主要包括以下兩方面：一是以發(fā)展成熟的微電子機械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)作為加工平臺來實現(xiàn)的分析功能在芯片上的微型化，即微陣列芯片；另外便

2、是以微流控技術(shù)為基礎(chǔ)的微流控芯片。這兩類芯片所具有的樣品及試劑需要量少、分析速度快、易實現(xiàn)陣列化和集成化等優(yōu)點而引起了廣大研究工作者的關(guān)注。本論文正是基于以上的研究背景，圍繞如何能夠?qū)⑽⒎治鱿到y(tǒng)應用于實際樣品分析，使實驗室的研究工作最終能夠最終與大眾的現(xiàn)實生活要求相接軌這一目標，開展了微陣列及微流控芯片的相關(guān)新方法研究，并用于疾病診斷及環(huán)境毒物實際樣品的檢測。論文工作具有較強的原始創(chuàng)新性，并具有學術(shù)價值與現(xiàn)實意義。全文就以下幾個方面進行

3、展開： 第一章首先就微分析系統(tǒng)的發(fā)展起源、分類及發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述。主要探討了基于MEMS技術(shù)及微流控技術(shù)的微分析系統(tǒng)的重要發(fā)展前沿和主要的檢測手段。最后對本論文的研究思路及創(chuàng)新點進行了概述。 第二章構(gòu)建了基于叉指狀微電極陣列硅基芯片的免疫分析系統(tǒng)，并將之應用于人血清樣品中的肝纖維化標志物含量的測定。利用抗體—吡咯共聚技術(shù)，成功地在利用MEMS工藝加工的微電極陣列硅基芯片的不同工作電極陣列表面固定上不同的疾病標志物抗體，

4、從而成功實現(xiàn)了對三種疾病標志物抗原：透明質(zhì)酸(HA)、Ⅳ型膠原(Ⅳ-C)及層粘連蛋白(LN)在ng/mL水平的同時定量檢測。該陣列免疫傳感器芯片具有高靈敏度、高特異性、多通道同時檢測及低樣品消耗量等優(yōu)點，有望應用于臨床診斷、食品分析及環(huán)保檢測等領(lǐng)域。 第三章在集成三電極體系硅基芯片上，開展了基于部分絕緣聚鄰苯二胺-抗體膜的芯片陣列對多分析物的免疫分析研究。利用MEMS工藝批次加工制作的硅基芯片上集成有六個金圓盤工作電極、一個金對

5、電極及一個Ag/AgCl參比電極。通過相應抗體、鄰苯二胺在相應工作電極表面的共聚，從而在硅基微芯片的金工作電極陣列上成功構(gòu)建了基于部分絕緣膜的多通道免疫分析系統(tǒng)。該免疫分析系統(tǒng)同本實驗室前期利用完全絕緣的聚鄰苯二胺所構(gòu)建的免疫傳感器相比，對目標抗原具有更寬的線性檢測范圍。對實際人血清樣品的檢測結(jié)果與瑞金醫(yī)院利用商用放免試劑盒檢測所得的結(jié)果間具有很好的一致性。 第四章開展了基于等電聚焦-凝膠化(IEF-GEL)過程來實現(xiàn)微流控芯片

6、中蛋白質(zhì)定點固定及研制微酶反應器等方面的研究。此處所提出的IEF—GEL策略具有以下優(yōu)異的特征。首先，可以通過不同的兩性電解質(zhì)來形成可調(diào)節(jié)的pH梯度，從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)在微流控芯片通道內(nèi)不同位置的定點固定。通過同時定點固定具有不同等電點的蛋白質(zhì)，還可望在微流控芯片內(nèi)實現(xiàn)多步生化反應。其次，蛋白質(zhì)低溫溶膠-凝膠包埋條件溫和，可以較好的保持它的生物活性。最后，此處所提出的IEF-GEL策略對少量低濃度蛋白質(zhì)的定點固定具有額外的優(yōu)勢，尤其是對于由

7、于蛋白質(zhì)濃度過低，需要在固定前進行濃縮這種情況。這是因為在常規(guī)的微流控芯片中，溶液消耗量特別少(本工作中只需約300納升)，并且芯片內(nèi)等電聚焦具有蛋白質(zhì)濃縮的作用。此處所提出的IEF-GEL策略還可以運用于毛細管內(nèi)蛋白質(zhì)的定點固定，并且可望用于免疫分析、微酶反應器或其它基于蛋白質(zhì)固定的生物分析電泳領(lǐng)域。本章最后將乙酰膽堿酯酶(AChE)固定在微流控芯片通道中，實現(xiàn)了對底物的酶催化響應，可望將其最終應用于環(huán)境中有機磷農(nóng)藥等毒物的檢測分析。

8、 第五章作為對前面所述工作的有效補充，首先構(gòu)建了集成三電極體系的絲網(wǎng)印刷電極。實驗中以碳印刷油墨來替代常用的銀印刷油墨作為導電基底，從而在實現(xiàn)電極體系集成化的同時，使得絲網(wǎng)印刷電極的制作成本大大降低。利用所構(gòu)建的集成三電極體系的絲網(wǎng)印刷電極，首先通過微分脈沖陽極溶出伏安分析(DPASV)初步將其應用于痕量鉛離子的檢測，證實集成三電極體系的絲網(wǎng)印刷電極具有很好的電極性能。其次開展了無介體絲網(wǎng)安培型生物傳感器以流動注射法來檢測高鹽環(huán)

9、境中的有機磷農(nóng)藥這方面的工作。此處所構(gòu)建的流動池的體積為100μL，樣品需要量僅為20μL，一定意義上實現(xiàn)了分析檢測體系的微型化。親水及多孔型的低溫氧化鋁溶膠—凝膠在電極表面被用于包埋固定乙酰膽堿酯酶，從而提供了一種環(huán)境友好的微環(huán)境來包埋固定酶，使其活性保存時間較長，并且還有效促進了水解產(chǎn)物硫代膽堿與電極之間的電子傳遞。這種電子傳遞促進作用有效降低了硫代膽堿的檢測過電位，從而使雜質(zhì)干擾最小化。此處所構(gòu)建的流動注射—電化學檢測系統(tǒng)成功地應