论文摘要
微纳流控是在20世纪末兴起的一种基于微纳米结构特殊性、通过对超微量溶液在微观结构中的控制而实现一系列功能操作的研究领域。在精确尺度生物仿生,药物筛选和控制释放,实时在线生命监测系统,微电子等领域都具有广泛的应用前景。由于制备技术的局限性,在很长一段时间里对小微米尺度(100nm～10μm)的研究一直是接近空白的,其中的一些特殊性质也没能得到充分挖掘和应用。本论文基于结构决定性质的基本思路,从芯片小微米管道的制备出发,研发了基于小微米管道的多种芯片结构,研究了小微米管道参与的气液界面的特殊性质,并将其成功应用于芯片分子富集、芯片细胞培养和物质细胞毒性筛选、芯片纳米材料制备和芯片分子检测等领域。具体的研究工作如下：1.玻璃过度刻蚀法制备微纳流控芯片新方法提出了一种简单实用的微纳结构制备方法。它主要基于微刻蚀法制备玻璃模具。这种刻蚀方法可以将玻璃模子上微米级的结构转化为亚微米的结构,并且具有图形设计的灵活性。通过结合氟化氢刻蚀过程中玻璃的各向同性以及表面铬层的阻挡效应,最终可以形成截面为脊状的玻璃突起结构。进一步的刻蚀会降低玻璃脊的尺寸,使之形成微米到纳米的结构。芯片尺寸的缩小具有自适应的特点,进入亚微米,尺寸缩小速度大大降低,增强了我们对小尺寸制备的控制性。通过PDMS倒模玻璃的结构,可以制得高重复性、力学稳定、并且可以外力调节的PDMS管道以及锥孔。我们通过扫描电镜(SEM)和激光干涉(LI)表征了这些微纳结构,通过单管道样品富集测试了小微米管道的可用性。2.利用小微米管道构建芯片上稳定的气液界面利用疏水性的小微米管道(smaller microchannel array SMA,高度≤10μm)阵列连通两根大微米管道实现了稳定的气液界面分离。一根大微米管道内填充溶液,另一根填充气体。在这个结构中,稳定界面是由小微米管道阵列中的毛细管力维持的。详细讨论了小微米管道介导的气液界面稳定性的基本物理原理,并通过实验验证了管道结构与稳定性的定量关系,为小微米管道稳定气液界面的应用打下了基础。3.芯片上动态稳定溶解气体浓度梯度的构建将稳定气液界面和一个单向流体场耦合形成了稳定的动态溶解气体浓度梯度(dissolved gas concentration gradient DgCG)。通过灵活设计小微米管道的疏密、分布和粗细,我们建立了对四种界面模式的理论模拟,可以获得线性分布甚至指数分布的溶解气体浓度梯度。4.静态液体中稳定溶解气体及气液双重梯度的构建将PDMS薄膜的慢速气体透过特性与小微米管道的快速气体透过特性相结合,制备了静态气体浓度梯度芯片。芯片采用三明治结构的基本架构。在上层为动态液体输送层,中层为静态溶液槽阵列,其下表面为气体交换网络,溶液槽与气体交换网络通过小微米管道阵列连结。底层为光滑基片。通过控制气体交换层中每一行PDMS薄膜的厚度可以有效改变溶液槽中溶解气体浓度梯度。进一步通过与上层第二维度的液体浓度梯度耦合,我们首次实现了芯片上溶解气体和液体的双重静态梯度。5.基于定量液体填充功能的芯片上细胞培养和细胞毒性梯度筛选系统提出了一种基于上述三明治结构的新颖的微流控细胞培养和药物筛选芯片平台。芯片由一组细胞静态培养单元连结动态物质输送网络构成。细胞培养单元上部连结液体物质输送网络,下部连接气体管道网络。在这种结构里可实现对每个细胞培养单元的物质定量填充。又借由物质传输网络可实现纳米颗粒或者分子的实时物质交换。由于液流方向与培养槽的连结管道互相垂直,培养槽中的细胞处于静止环境,有效地免除了环境流体剪切力对细胞生长的影响。此平台被成功应用于：(1)对细胞连续物质输送和单次物质输送模式下的培养,(2)对悬浮和贴壁细胞的二维和三维培养。培养槽内的细胞可以回收。将细胞培养单元与液体浓度梯度结构相结合可以进一步实现芯片上药物筛选功能。该系统被成功应用于纳米材料细胞毒性筛选。由于此平台对细胞培养种类、培养模式具有的较宽的适用性,因此有望发展成一种微芯片细胞培养和筛选的标准平台。6.气液双重界面用于生物相容性空心球壳型碳酸钙纳米颗粒的制备和实时分子掺杂基于单向流体场形成稳定溶解气体浓度梯度的基本原理,我们设计了具有小微米管道桥接气、液界面基本结构的碳酸钙微纳米结构生长条件筛选平台,探讨了碳酸钙的分布和结构变化特点与二氧化碳溶解梯度场的关系。基于这个工作的结论,我们进一步设计了碳酸钙纳米空心球的连续合成芯片平台。在此平台上可以实时形成具有空心结构的碳酸钙纳米球。通过调节流速可以控制溶解气体浓度梯度的基本分布,从而控制所得碳酸钙空心球的尺寸。由于实验只需室温进行,并且一步形成材料,因此通过直接加入分子可以实时对形成的纳米球壳进行掺杂。实验证实这种掺杂对形成的纳米球壳结构并无明显影响,且分子结合在材料中对荧光漂白具有一定耐受性。材料还具有较好的生物相容性。7.基于可控液体挥发功能的浓缩信号放大检测系统及其在多组分DNA同时检测中的应用提出了一种基于液体挥发放大效应的灵敏、可靠检测多组分DNA的微芯片平台。芯片有一组八个挥发槽阵列,一端连接垂直于挥发槽的液体管道,一端通过小微米管道连结气体管道构成。从液体管道中可以将样品输入到挥发槽阵列中。将液体管道中的液体用空气吹出后,形成八组分别独立的等体积样品。此时可以对样品进行挥发浓缩,并通过气流加速挥发。由于毛细凝聚的存在,溶液槽阵列中的液体在挥发一段时间后会达到一个相同的最终体积,并在较长的时间内保持不变。我们利用荧光分析法检测DNA,分子信标同时标记荧光基团和猝灭基团,互补链存在使分子信标打开,荧光恢复。利用这种浓缩效应可实现信号的放大,对DNA的检测限从10nM降低到100pM。同时这种挥发平台效应也使液体的浓缩过程高度可靠并可重复。通过在各个挥发槽中使用不同的分子信标,在此芯片上可实现多种DNA同时检测。由于具有芯片制备简单,使用方便,样品量少,信号放大的优点,这种基于微结构特殊性的挥发放大效果有望在生物芯片分析上得到较好的应用。
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