免疫磁珠微流控分析系统的构建和应用研究

论文摘要

近年来，随着免疫技术和MEMS技术的发展，磁珠以其具有比表面积大、偶联容量高、操控方便等优点，被越来越多的应用于微流控芯片中，以构建磁珠微流控分析系统，为生物样品分离、检测提供了一种全新的方法，已日益成为研究热点。在基于MEMS技术的磁珠微系统的研究中，芯片的设计，磁珠操控方法的选择，和生物反应的结合应用是其中的关键。本论文研究了一种新型的高梯度磁场分离芯片及其快速加工工艺，并将芯片应用于DNA和蛋白质的检测中。利用磁珠和生物反应相结合，在单芯片上实现了细胞裂解、DNA提取、PCR扩增的全过程。本论文的主要工作有：1．概述并总结了磁珠及其在生物医学工程中的应用以及目前磁珠微系统的研究进展，在此基础上，提出本论文的研究方案；2．在研究分析磁珠捕获机理的基础上，提出了利用高梯度磁场进行磁珠操控的方法。利用COMSOL MULTIPHYSICS和MATLAB软件对稳态流速场和静磁场进行模拟分析，论证了磁珠捕获的可行性，并优化芯片设计，为芯片制作提供指导；3．基于聚合物微加工方法，建立了高梯度磁场分离芯片的快速加工工艺流程；4．制作了基于PDMS材料的单芯片DNA微分析芯片，利用磁珠作为固相载体，结合其良好的非接触操控性，成功在单芯片上完成细胞裂解、DNA提取至PCR反应的全过程；5．将磁珠微系统和ELISA方法相结合，运用于血清中肿瘤标志物甲胎蛋白的快速检测中。本论文对高梯度磁场分离磁珠的方法进行了静磁场模拟和理论分析，开发了磁性微柱的快速加工工艺，拓展了磁珠微系统的构建方法。结合磁珠技术，在单芯系统中完成细胞裂解、DNA提取、PCR反应等多功能集成，为微全分析系统的研制提供了相应的基础。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 磁珠简介

1.2.1 磁珠的结构

1.2.2 磁珠的制备

1.3 磁珠技术的原理及特点

1.4 磁珠技术在生物医学工程中的应用

1.4.1 细胞分离和提纯

1.4.2 核酸与基因工程上的应用

1.4.3 药物传输

1.4.4 分型检测

1.5 基于磁珠技术的生物微系统的发展现状

1.6 本工作的研究思路

1.7 本章小结

第二章磁珠微流控系统的设计与模拟

2.1 磁珠微系统的工作原理

2.2 磁珠微系统的设计思路

2.3 微流路单元的设计和模拟

2.3.1 芯片材料选择

2.3.2 微流路单元的设计

2.3.3 稳态流速场模拟

2.3.4 结果讨论与分析

2.4 高梯度磁场分离结构的设计与模拟

2.4.1 磁珠捕获原理

2.4.2 静态磁场模拟分析

2.5 本章小结

第三章新型高梯度磁场分离微流控芯片的研究

3.1 引言

3.2 高梯度磁场分离芯片的快速加工法

3.2.1 多层SU-8模具的制作

3.2.2 磁性粉末填充及PDMS浇注

3.2.3 PDMS—玻璃键合

3.2.4 芯片接口和驱动

3.2.5 加工成型后的高梯度磁场分离芯片

3.3 工艺讨论与分析

3.3.1 金属对位标记的制作

3.3.2 SU-8多层模具的加工制作

3.3.3 PDMS芯片的铸模成型

3.3.4 磁性粉末的磁学性能

3.4 磁珠捕获实验

3.4.1 实验流程

3.4.2 结果分析与讨论

3.5 蛋白捕获实验

3.5.1 仪器与试剂

3.5.2 实验流程

3.5.3 结果分析与讨论

3.6 本章小结

第四章基于磁珠技术的DNA微分析系统的研究

4.1 引言

4.1.1 基本要求

4.1.2 技术路线

4.2 仪器与试剂

4.3 基于磁珠技术的DNA提取

4.3.1 提取原理

4.3.2 常规提取

4.3.3 芯片提取

4.4 基于PDMS芯片的Micro PCR反应

4.4.1 芯片温度控制

4.4.2 芯片的密封

4.4.3 芯片内壁的表面处理

4.4.4 PCR反应体系和结果

4.5 单芯片（Single Chip）DNA微分析系统的研究

4.5.1 技术路线

4.5.2 实验流程

4.5.3 结果讨论与分析

4.6 本章小结

第五章磁珠微流控系统用于甲胎蛋白的快速检测

5.1 甲胎蛋白检测的临床意义

5.2 基于磁珠技术的生物样品检测原理

5.3 磁珠—ELISA法检测甲胎蛋白

5.3.1 实验方法

5.3.2 抗体在磁珠表面的固定

5.3.3 结果讨论与分析

5.4 磁珠—胶体金法检测甲胎蛋白

5.4.1 实验方法

5.4.2 结果讨论与分析

5.5 本章小结

第六章总结与展望

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