基于MEMS技術(shù)的細(xì)胞破碎微流控芯片系統(tǒng)研究.pdf

1、細(xì)胞破碎的目的是對(duì)初級(jí)樣品實(shí)施細(xì)胞破碎處理以獲得其中的內(nèi)容物，例如蛋白質(zhì)、脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，簡(jiǎn)稱DNA)、核糖核酸(RiboNucleic Acid，簡(jiǎn)稱RNA)，這對(duì)大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的反應(yīng)和檢測(cè)進(jìn)行研究的微流控芯片是必不可少的。近幾年來電場(chǎng)法促使細(xì)胞破碎逐漸受到研究者們的關(guān)注，關(guān)于電子細(xì)胞破碎微流控芯片研究的報(bào)導(dǎo)數(shù)量也在逐漸上升。采用電場(chǎng)的方法進(jìn)行細(xì)胞破碎是因?yàn)殡妶?chǎng)破碎法相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械法、化學(xué)

2、法、生物法等簡(jiǎn)化了樣品提純的過程、而且不會(huì)使蛋白質(zhì)發(fā)生變性等，并且因?yàn)樵摲绞讲捎昧宋⑿突茌^容易和其他芯片進(jìn)行集成。
　　 本文基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicAlSystems，簡(jiǎn)稱MEMS)加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一種運(yùn)用較低的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞破碎的微流控芯片系統(tǒng)。該微流控芯片系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)的樣品預(yù)處理，為生物、化學(xué)后續(xù)的研究和分析奠定基礎(chǔ)。
　　 本論文中細(xì)胞破碎微流控

3、芯片的制作是運(yùn)用了微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)中的剝離工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻膠處理方法，以玻璃為基底，在玻璃上制作了Ti/Pt微電極。將外部的施加低脈沖電壓施加在6對(duì)微電極上，使微電極產(chǎn)生細(xì)胞破碎所需的高場(chǎng)強(qiáng)。同時(shí)，本論文還設(shè)計(jì)了專用的細(xì)胞破碎信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器是以C8051F020單片機(jī)為核心的硬件電路組成的。該信號(hào)發(fā)生器能實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片施加外部電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度、脈沖周期、脈沖電壓幅度的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)了細(xì)胞破碎效果檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用電荷

4、耦合器件(Charge Coupled Device，簡(jiǎn)稱CCD)將采集到的細(xì)胞圖片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用圖像處理技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出細(xì)胞破碎率。分別運(yùn)用八鄰域邊界跟蹤法和梯度Hough變換法對(duì)預(yù)處理后的細(xì)胞圖像進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果表明利用八鄰域邊界跟蹤標(biāo)號(hào)進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)，對(duì)沒有粘連細(xì)胞圖像計(jì)數(shù)效果較好；但是當(dāng)細(xì)胞圖像中存在粘連情況時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果影響較大。本文提出了利用梯度Hough變換法實(shí)現(xiàn)顯微細(xì)胞自動(dòng)計(jì)數(shù)。梯度Hough變換在標(biāo)準(zhǔn)Ho

5、ugh變換基礎(chǔ)上提高了對(duì)細(xì)胞計(jì)數(shù)的速度，并且結(jié)果顯示其計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率較八鄰域邊界跟蹤法高。分別采用BHK21（幼倉(cāng)鼠腎細(xì)胞），C2C12（小鼠成肌細(xì)胞）對(duì)芯片進(jìn)行了細(xì)胞破碎實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。在倒置顯微鏡下在線觀察BHK21、C2C12細(xì)胞破碎的過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低脈沖電壓形成的電場(chǎng)使這兩種細(xì)胞都完全破碎了，并且對(duì)從破碎物進(jìn)行了DNA質(zhì)量檢測(cè)。
　　 由于該系統(tǒng)制作了電極距離為微米級(jí)的微小電極， 3V的低脈沖電壓就實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞破碎。實(shí)驗(yàn)表明，

6、低電壓脈沖信號(hào)的寬度不同，其細(xì)胞破碎所需的電壓和破碎率關(guān)聯(lián)性。細(xì)胞破碎率和低電壓脈沖信號(hào)的寬度、電壓幅度和細(xì)胞懸浮液的電導(dǎo)率均有關(guān)系。通過實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)干凈的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，簡(jiǎn)稱PMMA)與芯片的玻璃襯底間形成了半封閉溝道，該溝道可以較好的防止施加低脈沖電壓時(shí)產(chǎn)生氣泡，實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)生的氣泡與細(xì)胞懸浮液的電導(dǎo)率有關(guān)聯(lián)。
　　 本論文基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的細(xì)胞破碎微流控芯片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在低電