基于凝胶的液滴微流控研究及应用

发布时间：2020-08-01 06:38

【摘要】：液滴微流控利用互不相容两相液体(水相和油相)之间的剪切力作用,以上千赫兹的频率在微流道内产生大小均一、体积仅为皮升量级的微液滴。由于液滴被油相溶液分隔,所以每一个液滴都可以作为独立的反应单元,从而显著提高了反应的通量,在基因筛选、疾病检测、酶定向进化、药物筛选、材料合成以及微结构制备等诸多领域均有广泛应用前景。然而液滴微流控仍存在一些问题与挑战。首先,普通水相液滴之间易发生融合,不易保存与后续处理；其次,液滴内外物质交换困难,液滴微反应器中的特定组分难以动态添加或移除。相比于普通水相溶液,琼脂糖具备受温度控制的“固-液”转换特性,一方面可在实验中通过简单降温冷却将大分子样本或反应产物固化在凝胶微珠内,为反应产物的保存以及后续的处理或分析提供了极大的便利；另一方面,可利用温度变化在芯片内进行高通量的微结构原位加工。同时,琼脂糖凝胶具有多孔结构,可通过渗透作用实现小分子试剂的添加或移除,简化了实验操作与芯片设计。因此,本文基于上述背景,将琼脂糖凝胶应用于液滴微流控技术,首先讨论了琼脂糖凝胶液滴微流控的基本实现原理,然后在此基础上创新性的提出了一种可原位合成的单向琼脂糖球阀结构与微泵系统,实现了流体方向的控制以及片外反应试剂的进样,最后,验证了利用琼脂糖液滴微流控实现PCR扩增的可行性。论文的具体研究内容为：1.摸索出一套在实验室内快速加工制备PDMS微流控芯片的方法。我们利用“软光刻”法加工出SU-8芯片阳模,通过“倒模法”制备PDMS芯片阴膜,采用“两步固化法”实现芯片阴膜与PDMS平面基板的不可逆键合,使用“软光刻-磁控溅射法”在芯片中修饰出微电极。相较于传统的微电子加工工艺,该方法对设备要求低、操作更加简单,降低了芯片的加工成本与加工耗时,为琼脂糖凝胶液滴微流控的研究提供了物理基础。2.研究在微流控芯片内产生琼脂糖液滴的基本原理和方法。我们采用聚焦流结构在芯片内高通量地产生出琼脂糖微液滴,为了定量分析液滴的大小及均匀度,我们利用数学分析软件MATLAB自行编写出一段能够自动提取液滴边缘并计算其直径的程序。根据定量分析结果,本文制得的琼脂糖液滴大小均一度良好,多分散指数小于5%,液滴产生频率稳定,产生频率均匀度达到84%。在芯片外对琼脂糖液滴进行收集,并在4℃冰箱内冷藏储存48h后,液滴仍然能够保持结构完整、大小均匀,从而证明了对其进行长期储存的可行性。3. 利用琼脂糖的“固-液”转换特性,创新地提出了一种在微流控芯片中原位合成单向琼脂糖球阀的方法,成功实现了对微流控芯片中液体流动方向的控制。基于该单向球阀结构,我们又设计出一种琼脂糖球阀微泵系统,成功地将片外试剂泵入了微流控芯片中。相比于其它微泵系统,我们的微泵无需进行复杂加工,可在芯片中原位合成,大大降低了微泵的加工难度与加工成本。同时,我们的微泵将驱动模块放在微流控芯片外,便于维修与更换,延长了微泵以及芯片的使用寿命。4.实现基于琼脂糖液滴微流控的PCR扩增。基于上述液滴产生原理,我们将DNA模板以及PCR反应试剂封装在琼脂糖微液滴内,在片外收集后进行PCR扩增,并成功获得了扩增产物。这证明了以琼脂糖液滴为微反应器实现高通量实验反应的可行性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492;R312

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