热塑性聚合物微流控芯片制作、表面改性及在DNA分析应用中的研究

论文摘要

热塑性聚合物微流控芯片制作成本低，表面可采用多种物理或化学的方法进行改性，具有较好的生物适应性，易在片集成多种用途的功能组件等特性，已为人们所关注。微型化和集成系统的高表面体积比使得微通道表面的性质对于微流控芯片分析系统显得尤为重要，但目前对于热塑性聚合物微流控芯片表面改性的研究仍处于初始阶段。微流控芯片的应用是当今微流控研究中的薄弱环节，但随着微流控芯片制作及表面改性技术的发展，以及后基因组时代对基因结构和功能分析的需要，使得微流控芯片在生命分析中的应用成为今后研究的重点和方向。本论文采用简易热压装置，建立了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片和聚碳酸酯(PC)微流控芯片的热压制作技术；以分离DNA片段的筛分介质羟乙基纤维素(HEC)为涂层试剂，提出了适用于PMMA芯片、PC芯片，以及经硅烷化处理的玻璃芯片的静置动态涂层表面改性技术；采用小型化半导体激光诱导荧光检测DNA分析系统，实现了DNA片段及PCR产物的快速、高效分析测定。 在工作中将粉末压片机加控温及冷却水装置改装成简易热压装置，采用自行设计和制作的单晶硅阳模和玻璃阳模，研究了PMMA微流控芯片和PC微流控芯片的热压制作技术。在一台简易热压装置上实现了芯片微通道的压制与封接，SEM图和显微CCD照片表明微通道得到了很好的复制，PMMA基片与盖片、PC基片与盖片实现了热压封合。PMMA芯片的电渗流和伏安曲线与文献报道的相一致。在芯片有效分离通道长度仅为18mm，分离场强640V/cm条件下，实现了荧光染料Cy5与其副产物1和副产物2的在近70min的时间内连续11次基线分离，测定Cy5保留时间RSD为1.4％(n=11)，峰高RSD为2.2％(n=11)，理论塔板数n为7.4×10~4/m。本法可在普通化学实验室中制作小批量、供研究用热塑性聚合物微流控芯片。 采用简易热压技术制作的PMMA微流控芯片和PC微流控芯片，以DNA电泳分离的筛分介质HEC为涂层试剂，提出了PMMA芯片和PC芯片静置动态涂层表面改性新方法。在涂层改性最初72h内，随着静置动态涂层表面改性时间的增加，芯片电泳分离DNA片段的分离效能稳步提高。对于PMMA芯片静置动态涂层表面改性96h后，获得最佳的分离效能，271/281 bp片段得到很好的分离。以电泳谱图603bp片段峰计算理论塔板数n为1.14×10~6/m，271/281 bp的分离度R为1.2。对于PC芯片可较快地完成静置动态涂层表面改性，经涂层改性72 h后，获得最佳的分离效能，其11个片段均可获

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热塑性聚合物微流控芯片的结构成型技术
• 1.2.1 注塑成型技术
• 1.2.2 压印成型技术
• 1.2.3 激光烧蚀成型技术
• 1.2.4 微机械加工成型技术
• 1.2.5 光刻胶光刻成型技术
• 1.2.6 溶剂刻蚀成型技术
• 1.3 热塑性聚合物微流控芯片的封合技术
• 1.3.1 膜封合技术
• 1.3.2 热封合技术
• 1.3.3 热压封合技术
• 1.3.4 胶粘接封合技术
• 1.4 热塑性聚合物微流控芯片表面改性技术
• 1.4.1 微流控芯片表面改性技术概述
• 1.4.1.1 动态涂层表面改性技术
• 1.4.1.2 永久表面改性技术
• 1.4.2 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微流控芯片表面改性技术
• 1.4.2.1 PMMA芯片动态涂层表面改性技术
• 1.4.2.2 PMMA芯片永久表面改性技术
• 1.4.3 聚碳酸酯（PC）微流控芯片表面改性技术
• 1.5 热塑性聚合物微流控芯片在 DNA分析中的应用
• 1.5.1 热塑性聚合物微流控芯片在 DNA片段分析中的应用
• 1.5.2 热塑性聚合物微流控芯片在片 PCR反应中的应用
• 1.5.3 热塑性聚合物微流控芯片在 DNA基因突变检测中的应用
• 1.6 本论文工作目的及设计思路
• 第二章 热塑性聚合物微流控芯片简易热压制作技术的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与材料
• 2.2.1.1 单晶硅阳模的加工
• 2.2.1.2 玻璃阳模的加工
• 2.2.2 仪器和装置
• 2.2.2.1 仪器型号和来源
• 2.2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验操作
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 简易热压装置的设计
• 2.3.2 热塑性聚合物微流控芯片的制作
• 2.3.2.1 PMMA微流控芯片的制作
• 2.3.2.2 PC微流控芯片的制作
• 2.3.3 热塑性聚合物微流控芯片的形貌表征
• 2.3.3.1 PMMA微流控芯片的形貌表征
• 2.3.3.2 PC微流控芯片的形貌表征
• 2.3.4 PMMA微流控芯片电泳特性的研究
• 2.3.4.1 芯片电压-电流曲线的测定
• 2.3.4.2 芯片电渗流的测定
• 2.3.5 PMMA微流控芯片电泳（区带电泳）分离性能的考查
• 2.4 结论
• 第三章 热塑性聚合物微流控芯片静置动态涂层表面改性技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和材料
• 3.2.1.1 试剂规格及来源
• 3.2.1.2 溶液配制
• 3.2.1.3 材料及来源
• 3.2.2 仪器和装置
• 3.2.3 PMMA微流控芯片和 PC微流控芯片的制作
• 3.2.4 静置动态涂层表面改性
• 3.2.5 实验操作
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 微流控芯片静置动态涂层过程的设计
• 3.3.2 实验参数的优化
• 3.3.2.1 筛分介质浓度的影响
• 3.3.2.2 分离场强的影响
• 3.3.2.3 筛分介质pH值的影响
• 3.3.3 HEC涂层 PMMA芯片对 DNA片段分离效能的影响
• 3.3.3.1 0.5% HEC涂层 PMMA芯片对 DNA片段分离效能的影响
• 3.3.3.2 2% HEC涂层 PMMA芯片对 DNA片段分离效能的影响
• 3.3.4 HEC涂层 PC芯片对 DNA片段分离效能的影响
• 3.4 结论
• 第四章 改性热塑性聚合物微流控芯片在 DNA分析中的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和材料
• 4.2.2 PC芯片在片取样探针的加工
• 4.2.3 仪器与装置
• 4.2.3.1 小型光纤式激光诱导荧光检测器
• 4.2.3.2 小型正交式激光诱导荧光检测器
• 4.2.4 用于 DNA片段分析荧光染料的选择
• 4.2.5 实验操作
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 微流控芯片 DNA片段的连续分离测定
• 4.3.2 微流控芯片 PCR产物的连续分离测定
• 4.3.3 微流控芯片 DNA分析长期稳定性的考查
• 4.3.4 可在片换样芯片 DNA分析系统的设计
• 4.3.5 微流控芯片 DNA分析系统在 PCR产物分析中的应用
• 4.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研情况