LSPR傳感與微流體系統(tǒng)集成化的生物芯片研究.pdf

1、隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和生物化學(xué)分析得到越來越多的重視，微納米結(jié)構(gòu)的微流體系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。本文的主要工作是在研究金納米粒子的局域表面等離子共振(LSPR)消光特性的基礎(chǔ)上，將行波壓電微泵與LSPR傳感器件集成制作在玻璃基片上，形成一體化的高靈敏度生物芯片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和低成本。在行波壓電微泵的制作中，設(shè)計(jì)了新型的微泵管道結(jié)構(gòu)，提高了微泵輸送液體的效率。為了給LSPR傳感區(qū)域的金納米粒子消光性質(zhì)提供理

2、論依據(jù)，采用離散偶極子近似(DDA)等仿真算法分析了不同間距的金納米粒子陣列的消光性質(zhì)，得出其分布密度對(duì)整體靈敏度的影響。并利用金納米粒子在可見光區(qū)的LSPR消光特性，分析納米粒子表面的分子反應(yīng)過程。本文的研究目的，是為了開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的小型、廉價(jià)、高靈敏度、集成化的LSPR生物芯片檢測(cè)系統(tǒng)。主要研究工作包括：
　　 1.行波壓電微泵的理論研究與仿真分析。選用壓電雙晶片作為行波壓電微泵的執(zhí)行器，詳細(xì)分析了壓電雙晶片振幅模型

3、的理論推導(dǎo)和行波在彈性管道上的形成機(jī)理：利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)壓電雙晶片進(jìn)行建模仿真，分析了幾個(gè)重要因素對(duì)壓電雙晶片振幅的影響，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；同時(shí)還分析了與彈性管道接觸的壓電雙晶片輸出不同位移時(shí)，管道內(nèi)部產(chǎn)生的位移響應(yīng)。
　　 2.行波壓電微泵的設(shè)計(jì)和制作。以PMMA為材料，用微機(jī)械加工方法制作行波壓電微泵基底和微泵管道模具；將液體高分子材料PDMS注入到PMMA模具中，經(jīng)過固化處理，制作出彈性微泵管道；在微泵

4、基底上制作了PDMS薄膜，利用熱鍵合工藝將微泵管道與基底粘合在一起，并將壓電雙晶片陣列安裝在泵區(qū)管道上方，完成行波壓電微泵的制作；將行波壓電微泵的泵區(qū)管道設(shè)計(jì)為多級(jí)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的鋸齒形管道，在較低的驅(qū)動(dòng)電壓下，提高了微泵的最大平均流速和背壓，分別達(dá)到33.36μL/min和1.13kPa；在相同的測(cè)試條件下，與平直結(jié)構(gòu)管道的行波壓電微泵的測(cè)試數(shù)值(24.88μL/min和0.64kPa)相比，新型結(jié)構(gòu)的微泵性能有較大的提高。
　　

5、3.對(duì)不同納米粒子及其陣列消光特性的仿真分析。采用離散偶極子近似(DDA)方法和時(shí)域有限差分(FDTD)方法，分析了金屬納米粒子的材料、形狀、大小以及陣列結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)其LSPR消光特性的影響；利用DDA方法仿真分析了不同間距的球形納米粒子陣列的LSPR消光特性，分析結(jié)果說明消光峰值波長和強(qiáng)度隨納米粒子間距的減小而增大，但在間距較大的情況下，納米粒子陣列的折射率靈敏度基本不變。因此，當(dāng)納米粒子陣列的間距較大時(shí)，其局部分布的不均勻不會(huì)影響L

6、SPR傳感芯片的整體性能。
　　 4.LSPR生物傳感芯片的測(cè)試。用檸檬酸鈉還原法水相合成球形金納米粒子，并將金納米粒子自組裝在硅烷化的玻璃基片表面，形成LSPR敏感膜；測(cè)試比較不同大小、不同分布密度的金納米粒子陣列在不同介質(zhì)中的消光特性，研究不同參數(shù)的敏感膜的LSPR消光光譜，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上說明金納米粒子間距對(duì)折射率靈敏度的影響。
　　 5.集成化LSPR生物傳感系統(tǒng)的制作。以LSPR生物傳感芯片為基底，利用紫外線鍵合工

7、藝將行波壓電微泵制作在芯片基底上，用來向敏感膜輸送樣品；并將檢測(cè)光纖引入到LSPR敏感膜處，通過光纖將傳感區(qū)域與片外分光光度計(jì)連接在一起，檢測(cè)LSPR消光光譜，完成集成化LSPR生物傳感系統(tǒng)的制作。
　　 6.生物免疫測(cè)量的應(yīng)用。用行波壓電微泵將巰基烷酸、交聯(lián)劑(EDC/NHS)和羊抗人IgG先后輸送到固定有金納米粒子陣列的LSPR敏感膜處，完成探針分子的修飾，測(cè)定各個(gè)反應(yīng)步驟的LSPR消光光譜和折射率靈敏度，制備出高靈敏度的生