多功能离心力微流控系统及其在核酸提取与检测方面的应用

发布时间：2020-07-08 16:49

【摘要】：微流控技术是一种在尺寸为数十至数百微米的通道网络中操纵和控制流体的技术,可以把实验室常见的生物、化学分析操作集成到芯片上,实现传统生化分析操作的小型化、集成化和自动化。微流控芯片有着高通量、样品消耗低、响应速度快、便于携带等优势,已经在生化分析、定点医疗、分子诊断、生物制药、环境检测等领域得到了广泛应用。然而,随着研究的不断深入,微流控芯片实现的功能越来越复杂,传统微流控技术的驱动方式限制了芯片的大规模集成,而微流控技术的重要分支离心微流控技术,能够很好地解决这个问题。离心微流控技术是利用电机旋转产生的离心力作为液体的驱动力,将生化检测分析流程集成在一个光盘大小的圆盘上的技术,因为驱动方式简单、成本低廉、集成度高等特点在学术领域和工业领域得到越来越多的关注和应用。本文提出了一种多功能离心力微流控系统,对系统进行了模块化的设计和分离。首先,检测芯片与系统进行了分离,只需要更换不同的微流控芯片,即可在系统中完成不同的检测。其次,系统各功能模块也进行了分离,包括主控板,检测板,电源板,控制板,被动板等,各模块之间相对独立,方便系统的维护和升级。系统集成了检测功能,可以用于荧光、化学发光的实时检测,系统能够实现加入检测芯片后,得到检测结果。系统集成了无线供电功能,系统中的旋转部分可以引入单片机控制以及加热融化的石蜡阀等,增加了芯片设计的灵活性。系统在手机上实现了智能操控平台,在平台上可以对芯片中使用的各种元器件进行定义,单独对元器件进行控制,也能编写流程,实现检测过程的自动化。本文还对系统的一体化设计进行了探索,设计了样机,将其用3D打印技术打印出来,并成功将系统安装到样机内。本文基于多功能离心力微流控系统,在双态模型基础上设计了液滴生成及全血DNA提取芯片。传统的离心力微流控芯片,液体通常只能在离心力的作用下径向向外流动,这在一定程度上限制了芯片所能实现的功能。通过在离心力芯片上引入额外的轴,利用旋转加速度产生的欧拉力,可以使芯片具有“左态”和“右态”两种状态,从而能在芯片上实现更复杂的控制。本文实现了多并行的双态芯片,并基于双态模型设计了液体计量以及液滴生成芯片,实验结果表明基于双态模型的液滴生成方式产生的液滴均匀性良好,而且这种方式通过一次“左态”、“右态”的切换产生液滴,液滴产生时机是可控的。本文基于双态模型,设计了全血的DNA提取芯片并进行了生物实验,与标准离心柱实验结果进行对比,结果表明基于双态提取芯片得到的DNA纯度与标准离心柱相差很小,提取的DNA可用于核酸扩增反应。本文接着DNA提取芯片设计了用于PCR的芯片,利用双态的特性,设计了两个不同温度的反应腔,使液体在两个反应腔之间来回流动从而实现热循环。本文结合石蜡阀和螺旋通道结构,设计了DNA提取及重组酶介导扩增(RAA)芯片。石蜡阀保证了试剂能够顺序加载,螺旋分发结构可以实现单芯片上多参数的检测,最终的实验结果表明,该芯片能很好地实现RAA扩增。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492;R440
【图文】：

微流控,离心力,平台

图１．３邋ＬａｂＣ〖）离心力微流控平台［４５］逡逑１世纪初，学术和商业发展迅速，离心微流控平台上加入了许多新的分析ｉｄｏ等人在２０００年第一次提出了用于农业和环境分析的基于圆盘的免疫列，他们将压电喷墨器应用于聚碳酸酯圆盘上的低密度微阵列，同时对多逡逑除草剂进行分析，他们的实验结张表明，基于光盘的微阵列技术川＇以提定Ｍ的分析结p}，并具ＭT对多种分析物进行分析的潜力［４６］。卜ｉｊ年，逡逑邋ＡＢ成立并将基于盘的自动夹心免疫操作系统商业化。此后一些其他的公司逡逑疫诊断应用到离心力微流控平台中，Ｑｕａｄｒａｓｐｅｃ^u发了无标签技术，川于逡逑丨＇丨质阵列的变化，丨（ｌｊ邋Ｂｕｒｓｔｅｉｎ和Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ａｒｒａｙ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ则在磁盘卜．开逡逑于分析核酸的阵列方法［３９］。逡逑年来，随着生物传感器和生物医学检测集成在离心微流控盘上的需求不断逡逑主动模式，特别是泵送和阀控模式被越来越多的引入到离心力微流控盘上。逡逑

欧拉力,离心力,科氏力,微流体

２．１离心力微流控理论分析逡逑在离心力微流控系统中，由于平台旋转存在三种假想力，即离心力、科氏力逡逑和欧拉力，这些力如图２．１所示，系统利用这三种力有效推动和控制圆盘状装置内逡逑的流体。逡逑离心力逡逑，概她ｉ逡逑和—ｆ＇ｔ逦＇‘Ｉ．逡逑Ｉ逡逑％邋？邋Ｊ逡逑佭逡逑图２．１用于在离心微流体平台上控制流体的力，包括逡逑离心力（Ｆｗ）、科氏力（厂（．）和欧拉力（／＝；：邋＞。逡逑离心力沿圆盘径向向外作用，与角速度的平方成正比，是用来将流体从圆盘逡逑中心移动到圆盘边缘的主要力；离心力的计算由式２．１给出：逡逑Ｆｃｏ邋＝邋ｐｒｏｆ逦（２．１）逡逑其中ｐ表示流体的质量密度，ｒ是流体距离圆盘中心的距离，0）是圆盘旋转的频逡逑率。这种离心力驱动机制己经成功地应用于离心力微流控系统中的各种液体运输，逡逑广泛地独立于它们的物理化学性质，证明了其在生物应用中的有效性，在生物应逡逑用中，能够处理同一圆盘上的多种液体类型和不同液体体积是非常g.要的。逡逑科氏力方向垂直于圆盘上移动粒子的速度

科氏力,离心力,临界频率,液体

在离心力微流控技术中，液体体积计量是一项重要的功能，它可以为诊断分逡逑析提供合适的试剂体积，对定量化学分析或合成至关重要。液体计量主要是通过逡逑简单的溢出原理来实现的，如图２．３所示，其工作原理可以简单描述为填充已知几逡逑何形状的液体腔。通过在液体腔的上部钻第？个孔，离心力将多余液体排出，直逡逑到液面到达孔的下边缘。下部引入的另一个孔的下边缘和第一个孔的下边缘定义逡逑／计量体积。在离心微流体技术中，第一个孔通常是将多余液体溢出到废液腔中，逡逑而第二个孔是由之前介绍的阀来实现的，例如毛细阀，虹吸阀等［７０］。逡逑过量液体邋逦逦逡逑匕．ｍ．ｉ＇邋１１出口至废液腔逡逑残留液体逡逑图２．３液体计量原理逡逑１５逡逑

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