微流控芯片水力門控及其生物分析研究.pdf

1、近年來，芯片實驗室以微型化、集成化和自動化等優(yōu)勢成為生命科學(xué)領(lǐng)域研究方法革新的熱點。試樣引入是芯片實驗室中一個最基本的操作，其對后續(xù)樣品分析的性能有著重要影響。目前，文獻(xiàn)報道的各種試樣引入方法在應(yīng)用的對象上缺乏普適性，大多只適合于某些種類樣品的分析，并且在進(jìn)樣模式上缺乏靈活性，大多只能以單一的形式進(jìn)行試樣引入。
　　 本文提出了“水力門控”----一種簡單、靈活的流動控制策略，可用于芯片實驗室的試樣引入和分析。水力門控策略包含兩

2、種流動狀態(tài)，即門控狀態(tài)和進(jìn)樣狀態(tài)。門控時，緩沖液就像一個關(guān)閉的虛擬門，不讓樣品溶液進(jìn)入分析通道；進(jìn)樣時，虛擬門被打開，樣品溶液流入分析通道。通過控制虛擬門的打開方式和時機，可以控制樣品注入分析通道的時空分布。該策略既具有門控進(jìn)樣的靈活性和進(jìn)樣體積可控制性，又具有水力驅(qū)動的良好生物兼容性和強大的驅(qū)動力，可應(yīng)用于包括分子、細(xì)胞、線蟲在內(nèi)的各種生物樣品。在此策略基礎(chǔ)上，我們發(fā)展了三種進(jìn)樣模式，即夾流進(jìn)樣、全通道進(jìn)樣和界面可調(diào)進(jìn)樣，并建立相應(yīng)的

3、理論模型，能夠?qū)﹂T控狀態(tài)和進(jìn)樣狀態(tài)進(jìn)行定量的分析和控制。通過有限元數(shù)值模擬和流動可視化實驗，理論模型得到驗證。我們搭建了水力門控試樣引入和分析的實驗平臺，并利用該平臺建立了基于芯片實驗室的細(xì)胞分選方法、細(xì)胞藥物刺激方法、液滴純化方法以及液相色譜分離方法。在細(xì)胞分選中，系統(tǒng)根據(jù)熒光檢測開關(guān)虛擬門，選擇性的將熒光細(xì)胞注入分析通道。我們首先建立了基于夾流進(jìn)樣模式的細(xì)胞分選方法。利用此方法，依次分選了HeLa細(xì)胞的混合物和線蟲卵的混合物。實驗結(jié)

4、果顯示該方法具有良好的分選純度（>90％）、回收率（>90％）和生物兼容性。隨后，我們提出了基于界面可調(diào)進(jìn)樣模式的細(xì)胞分選方法，有望進(jìn)一步提高細(xì)胞分選的純度、通量和生物活性。在細(xì)胞藥物刺激中，我們首先建立了基于夾流進(jìn)樣模式的藥物刺激細(xì)胞的方法。系統(tǒng)評估顯示溶液交換的上升時間和下降時間分別為19.8±0.8 ms和20±1 ms。我們將此方法應(yīng)用于三磷酸腺苷刺激HeLa細(xì)胞，研究由P2Y-IP3 信號通路介導(dǎo)的鈣離子釋放。進(jìn)一步，我們探索

5、了將全通道進(jìn)樣模式和界面可調(diào)進(jìn)樣模式應(yīng)用于藥物刺激細(xì)胞。全通道進(jìn)樣模式可同時刺激多個貼壁細(xì)胞。界面可調(diào)進(jìn)樣模式可精確控制藥物溶液注入分析通道的時空分布。該方法的時間分辨率優(yōu)于43 ms，空間分辨率為3.4±0.2 μm，可應(yīng)用于研究單個細(xì)胞在局部藥物刺激下胞質(zhì)內(nèi)的分子動態(tài)，也可以用于研究細(xì)胞間的通訊。在液滴純化中，我們首先建立了基于界面可調(diào)進(jìn)樣模式的熒光激發(fā)液滴分選方法。該方法在同一塊芯片上集成了液滴發(fā)生和液滴分選兩個功能模塊，在發(fā)生液

6、滴的同時根據(jù)熒光純化包含有微球的液滴。實驗結(jié)果表明液滴發(fā)生的通量為18個/秒；液滴分選的純度和回收率均高于99％。進(jìn)一步，我們建立了基于水油二相微流體系的門控進(jìn)樣方法，并將其用于選擇性的液滴發(fā)生。該方法根據(jù)熒光檢測，向油相中注入水相形成液滴，并同步包裹微球。初步實驗結(jié)果顯示包裹單個微球的液滴純度可達(dá)92％，微球的回收率可達(dá)96％。在色譜分離中，我們初步探索了將水力門控策略應(yīng)用于開管液相色譜的進(jìn)樣和分離。通過以未改性的聚二甲基硅氧烷作為固