面向生物分子操纵的微纳流控芯片控制实验台的研制

论文摘要

近年来,随着微流控芯片技术的不断深入和发展,纳流控芯片技术或微纳流控芯片技术也得到了快速的发展。微纳流控芯片在离子或分子的分离与富集方面的研究有广阔的前景。随着纳流控芯片通道尺寸的降低,纳米通道具有一些特殊的性质如表面电荷,双电层,黏度增加和电渗流降低等,这些特殊的性质使得微纳流控芯片在生物化学分析方面具有重要作用。在这些重要应用中,工作电极起着非常重要的作用。本文根据微／纳流控芯片的特性,设计了面向生物分子操纵的微纳流控芯片控制实验台的结构,该微纳流控芯片以纳流控二极管和三极管为结构单元。根据纳流控二极管和三极管各自的功能,分别设计了各自的工作电极的结构,选取合适的制备方法,制备了控制电极,并对其进行检测,为生物分子操纵芯片控制电极的设计及制备提供了依据。然后,设计了生物分子操纵芯片的功能结构及尺寸参数,并根据芯片结构详细描述了电极的结构设计参数及功能。利用ANSOFT软件对芯片控制电极进行三维建模,对其进行三维静电场分析,讨论分析模拟结果。由于电极引线的作用,纳米通道方向上的电场强度呈现“抛物线”状。对电极结构进行一些优化,对比不同结构的电极在纳米通道表面产生的电场强度,找出了最符合要求的电极结构。利用GROMACS软件模拟了控制电极处的纳米通道表面电荷对通道内生物分子运动的影响。为以后生物分子的操纵实验奠定了基础。选取合适的生物分子操纵芯片控制电极的材料与制备方案,利用直流磁控溅射镀铜的方法,制备了生物分子操纵芯片的控制电极,并对薄膜电极进行了表征,验证了电极符合设计要求。最后,根据实验要求,在经过光刻-刻蚀方法制备的芯片背面制备铜电极,搭建了生物分子操纵的微纳流控芯片控制实验台。在芯片内注入DNA生物分子溶液,在显微镜下得到了DNA分子在压力驱动作用下的运动状况,实现了芯片内的生物分子探测,对实验现象进行讨论分析,验证了该实验台的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微流控芯片
• 1.2 纳流控芯片
• 1.3 微纳流控芯片工作电极研究进展
• 1.3.1 工作电极发展现状
• 1.3.2 工作电极的制作方法
• 1.3.3 碳电极
• 1.3.4 离子选择性电极
• 1.3.5 电化学修饰电极
• 1.4 微纳流控芯片预富集作用
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第2章 纳流控二极管控制电极的设计与制备
• 2.1 纳流控二极管芯片的简介
• 2.2. 纳流控二极管控制电极的设计
• 2.3. 纳流控二极管控制电极掩模的设计与制作
• 2.4 纳流控二极管控制电极的制备
• 2.5 纳流控二极管控制电极的表征
• 2.6 本章小结
• 第3章 纳流控三极管控制电极的设计与制备
• 3.1 纳流控三极管控制电极的设计
• 3.2 纳流控三极管控制电极掩模的设计与制作
• 3.3 纳流控三极管控制电极的制备
• 3.4 本章小结
• 第4章 生物分子操纵芯片控制电极的设计
• 4.1 微纳流控芯片的结构与功能设计
• 4.2 控制电极的结构设计
• 4.3 参数功能设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 芯片生物分子操纵的模拟
• 5.1 微纳流控芯片控制电极的静电场模拟
• 5.1.1 电场分析方案与原理
• 5.1.2 微纳流控芯片控制电极静电场的有限元分析
• 5.1.3 模拟结果与讨论
• 5.1.4 控制电极结构改进
• 5.2 微纳流控芯片内的生物分子控制模拟
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 生物分子操纵芯片控制电极的制备
• 6.1 控制电极的材料与制备方案
• 6.2 微纳流控芯片控制电极的制备
• 6.2.1 微纳流控芯片控制电极掩膜的设计
• 6.2.2 控制电极的制备
• 6.3 薄膜电极的表征
• 6.4 本章小结
• 第7章 芯片生物分子操纵控制实验台
• 7.1 实验台的功能和设计方案
• 7.2 实验台的组成
• 7.3 实验材料与步骤
• 7.3.1 DNA溶液及其缓冲溶液的配制步骤
• 7.3.2 实验步骤
• 7.4 微米通道与纳米阵列处的水流状况对比
• 7.5 芯片内生物分子的荧光测试实验
• 7.6 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢