生物微喷阵列系统的设计、制作与应用研究

论文摘要

微阵列分析（Microarray Analysis）技术是近年来快速发展的一种新兴的分析方法，涉及微机电系统（MEMS）、生物化学、分析化学和计算机科学等学科。作为中低密度微阵列分析中的研究热点，微喷阵列系统的发展迅速，该系统利用MEMS技术在硅片或聚合物上制作出阵列式喷孔，将贮存在喷孔中的微量生物样品直接喷在玻璃片或尼龙膜上进行生化反应检测，并利用分析软件进行信号数据的读取和分析，能快速、稳定、准确的完成从微阵列制作、反应、检测到数据读取的整个分析过程，在临床医学、生命科学、药物化学、医药诊断等领域有广泛的应用前景。 本论文系统性地研究了生物微喷阵列系统，建立了一套从可行性设计、部件制作与改进、微阵列制作测试到系统应用于生物微阵列分析的研究方法。本论文的主要工作有： 1．总结了微阵列分析技术和微喷阵列系统的研究现状，并提出了自己的设计方案； 2．设计并改进了喷样系统辅助装置，具有体积小、操作简单、气密性好等特点； 3．设计并制作了基于两种材料（SU-8光刻胶与硅基片）和四个微结构（进样口、管道、贮液池与喷孔）的微喷阵列芯片，其中创新性地设计并制作了基于三层结构和间隙环结构的硅微喷阵列芯片，结构中利用“坝”型结构控制了液体回流现象，利用间隙环结构产生物理隔离——有效地防止了液滴在亲水性表面容易扩散而不掉落的现象，并有效地抑制了样品点间交叉污染的可能性； 4．设计并制作了基于PC机精确定时和基于四阀的气压驱动控制装置，精确地控制气压大小（0.1kPa）和持续时间（1μs），结构简单、控制准确、操作简单； 5．分别利用基于整片表面驱动方式和基于仅贮液池驱动方式进行了微喷阵列系统的微阵列制作测试，其中基于两层结构的SU-8微喷阵列芯片在尼龙膜上制得的样品点平均直径为384μm、直径变异系数为2.6％的5×5微阵列，可靠性、重复性、均一性和一致性均很好； 6．成功进行了微喷阵列系统在DNA、蛋白质微阵列分析中的应用研究，将制得的微阵列应用于基因点突变检测；将新型蛋白质缓冲液（DMSO∶Borate∶PBS体积比为9∶1∶1）用于微喷阵列系统制成了蛋白质微阵列。 本论文研究表明，微喷阵列系统具有体积小，成本低，分析速度快，样品消耗少，芯片设计灵活，制成的微阵列样品点可靠性、重复性、均一性和一致性均很好等优点，可广泛应用于中低密度微阵列的基因芯片分析和临床免疫检验中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微阵列分析技术的原理、发展与应用
• 1.2.1 微阵列分析技术的原理
• 1.2.2 微阵列的制作方法
• 1.2.3 微阵列分析技术的发展与应用
• 1.3 微喷阵列系统的特点及发展
• 1.3.1 微喷阵列系统的概念
• 1.3.2 微喷阵列系统的特点
• 1.3.3 微喷阵列系统的发展
• 1.3.4 微喷阵列系统的应用和展望
• 1.4 本工作的研究思路
• 1.5 本章小结
• 第二章 微喷阵列系统的总体设计
• 2.1 微喷阵列系统的设计要求
• 2.2 微喷阵列系统的结构
• 2.2.1 微阵列制作装置
• 2.2.2 微阵列分析软件
• 2.2.3 微喷阵列系统进行微阵列分析的过程
• 2.3 本章小结
• 第三章 微喷阵列芯片的设计与实现
• 3.1 微喷阵列芯片的结构设计
• 3.2 基于两层结构的微喷阵列芯片的制作
• 3.2.1 基于两层结构的SU-8微喷阵列芯片的制作
• 3.2.2 基于两层结构的硅微喷阵列芯片的制作
• 3.3 基于三层结构的微喷阵列芯片的制作
• 3.3.1 基于三层结构的SU-8微喷阵列芯片的制作
• 3.3.2 基于三层结构和间隙环结构的硅微喷阵列芯片的制作
• 3.4 微喷阵列芯片表面处理
• 3.4.1 SU-8芯片表面处理
• 3.4.2 硅芯片的表面处理
• 3.5 本章小结
• 第四章 驱动控制系统的设计与制作
• 4.1 驱动方式的选择
• 4.1.1 几种驱动形式介绍
• 4.1.2 微喷阵列系统驱动方式的选择
• 4.2 气压驱动控制装置的设计与改进
• 4.2.1 双阀控制结构
• 4.2.2 三阀控制结构
• 4.2.3 四阀控制结构
• 4.2.4 控制软件的编写
• 4.3 气压施加方式
• 4.3.1 基于整片表面加压方式
• 4.3.2 基于贮液池区域加压方式
• 4.4 本章小结
• 第五章 微喷阵列系统的性能测试
• 5.1 基于两层结构的SU-8微喷阵列芯片的测试
• 5.1.1 工作原理
• 5.1.2 进样测试
• 5.1.3 喷样测试
• 5.1.4 小结
• 5.2 基于三层结构的SU-8微喷阵列芯片的测试
• 5.2.1 工作原理
• 5.2.2 进样测试
• 5.2.3 喷样测试
• 5.2.4 小结
• 5.3 基于三层结构和间隙环结构的硅微喷阵列芯片的测试
• 5.3.1 工作原理
• 5.3.2 进样测试
• 5.3.3 喷样测试
• 5.3.4 小结
• 5.4 三种微喷阵列芯片的性能测试比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 微喷阵列系统的应用研究
• 6.1 微喷阵列系统在DNA微阵列芯片方面的应用
• 6.1.1 基于尼龙膜的DNA微阵列显色检测技术
• 6.1.2 微喷阵列系统进行DNA微阵列分析
• 6.2 微喷阵列系统在蛋白质微阵列芯片方面的应用
• 6.2.1 基于尼龙膜的蛋白质微阵列显色检测技术
• 6.2.2 微喷阵列系统进行蛋白质微阵列分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 发表文章
• 已申请专利
• 致谢
• 作者简介
• 附件 中国科学院上海微系统与信息技术研究所学位论文独创性声明及使用授权声明文本