基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片及其在连续流体表面增强拉曼散射分析中的应用

发布时间：2020-07-13 04:01

【摘要】：微流控芯片与传统的实验室相比,反应系统的小型化提供了实用的优势,正逐步在生物医学领域得到应用。表面增强拉曼散射(SERS)是一种非常强大的检测方法,它不仅能以特征振动光谱的形式提供被分析物分子结构的信息,而且能使灵敏度接近荧光光谱。微流控与SERS技术结合,将容易因为人工操作而产生误差的SERS检测过程变为自动化、高重复性的检测,并且将以前在实验室中大规模进行的检测过程变为在微小体积中进行的快速检测。然而传统的微流控芯片加工制备需要造价高昂的洁净室,且过程耗时耗力。其他无需洁净室的微流控芯片加工方法仍需昂贵且专业的仪器,加工精度在一定程度上受到限制。与此同时由柔性、透明、可拉伸、生物相容的软管作为微通道的软管微流控受到关注。本论文提出了基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片,并与SERS技术联用对连续流体进行检测分析。首先,本论文结合SERS检测要求和软管微流控的特点,设计制备了具有弯曲通道的平面和立体软管微流控芯片的3D打印支撑模板。通过对比5种不同材料软管的透明度、硬度、尺寸、拉曼背景,最终选择了Silicone软管作为软管微流控芯片微通道,并与3D打印支撑模板以及其他配件一起组装成软管微流控芯片。两种软管微流控芯片的溶液混合仿真结果显示两种芯片均能高效的混合液体。探究了不同流速对平面和立体软管微流控中SERS检测的影响。结果显示当流速为18μL/min和16μL/min时,分别在平面软管微流控和立体软管微流控中获取的SERS光谱均达到了最大的信号强度和最小的RSD。并且立体软管微流控芯片中最大的峰面积大约为平面软管微流控芯片中的1?2,因此平面软管微流控芯片比立体软管微流控芯片更适合用于连续流体的SERS检测。然后,在平面软管微流控的基础上,设计了三种不同通道形状的单位阵列化平面软管微流控芯片。SERS检测分析结果显示,U形通道中最佳的混合单元数和聚焦单元数是5,且测量得到的4-巯基苯甲酸(4-MBA)的SERS光谱1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰面积为34939±1886和60091±3118,RSD分别为5.40%和5.19%。半圆通道软管微流控芯片中进行SERS检测时,最佳的混合单元数为3,聚焦单元数是5,测量得到的4-MBA的SERS光谱1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰为39113±1886和63603±3059,RSD值分别为4.82%和4.81%。直线通道中,最佳的混合单元数和聚集单元数分别为3和6,4-MBA的SERS光谱1077 cm~(-1)和1590 cm~(-1)特征峰均值为最大值25315±2530和41117±1599,其RSD值分别为2.43%和2.32%。另一方面,三种不同通道形状的平面软管微流控中,半圆软管微流控不同混合单元数和聚集单元数之间的SERS光谱特征峰面积变化趋势最稳定。最后,本论文提出了基于软管微流控的连续流体SERS平台,并将其应用于无标记的细胞检测。与传统静态固体和静态液体测量方法相比,连续流体SERS平台能够动态地混合溶液、精确地控制混合时间并且能够连续地采集光谱。通过对模型分子的表征,所提出的连续流体SERS平台分别以1.90%和4.98%的相对标准偏差展现了良好的稳定性和重复性。在该平台上研究了一种正常乳腺细胞(MCF-10A)和2种乳腺癌细胞(MCF-7和MDA-MB-231)。选取270个细胞光谱作为基于K近邻(K-NN)算法的分类模型训练集。用含有180个细胞光谱的测试集进行三种细胞的分类鉴定,其灵敏度在83.3%以上,特异性在91.6%以上,准确度为94.4%。本文提出了基于3D打印模板支撑软管微流控,在不同维度,不同通道形状的软管微流控芯片进行SERS检测和分析,并积极探索基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片在连续流体SERS检测中的应用。提出的基于软管微流控的连续流体SERS平台具有信号强度高、重复性好、预处理少、获取光谱量大、时间消耗少等优点。它将成为细胞研究、临床诊断和食品安全领域强有力的检测工具。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492;TP391.73
【图文】：

通过组装简单的微流控模块来制作和创建各种适合特定应用的器件，这些模块被单独制作。模块化微流控制备方法为加工复杂的微流控装置提供了通用性。图1.1 微流控应用示意图。微流控应用从全自动 DNA 检测，到蛋白质分析，到细胞培养及分选，到药物筛选，到遗传学分析。

光刻和软光刻的微流控器件制造示意图

.3 Xurography 技术主要步骤和不同宽度 PDMS 微通道横截面显微图像[63]。(a) 用于在 中剪切绘图的绘图机；(b) 绘图机切割乙烯基薄膜以生成相应的模具；(c) 将 PDMS 倒从而获得拟用微通道；(d) 500 mm 宽的微通道横截面；(e) 300 mm 宽的微通道横截面；(mm 宽的微通道横截面。3) 微铣削微铣削是一种采用高精度计算机数控 (Computerized Numerical Control, C系统，有高速的主轴转速和能进行微加工的微铣刀[65]。微钻头是一种刀具，的尺寸可以小于 100 毫米。因此，该工具可以去除微米范围内的材料，从而使用洁净室设施等复杂环境的情况下生产出 5mm 以下的结构[65]。Lopes 等一项研究表明，微铣床可以制造宽度可达 30 mm 的微通道（图 1.4）[66]。需是，微铣削应该与热塑塑料、PMMA 和环烯烃共聚物 (Cyclic Olefin CopolC) 等硬质材料一起使用，只要铣削不对材料过度加热[66]。此外，他们还展示的微流控装置从血浆中分离红细胞的能力。虽然该技术看起来很有前途，但复杂的刀具、刀具容易断裂等缺点使得该方法在生物工程和生物医学工程领

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本文编号：2752931