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)胞破碎的目的是對初級樣品實施細(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，簡稱DNA)、核糖核酸(RiboNucleic Acid，簡稱RNA)，這對大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的反應(yīng)和檢測進(jìn)行研究的微流控芯片是必不可少的。近幾年來電場法促使細(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導(dǎo)數(shù)量也在逐漸上升。采用電場的方法進(jìn)行細(xì)胞破碎是因為電場破碎法相對于傳統(tǒng)的機(jī)械法、化學(xué)

2、法、生物法等簡化了樣品提純的過程、而且不會使蛋白質(zhì)發(fā)生變性等，并且因為該方式采用了微型化，能較容易和其他芯片進(jìn)行集成。
　　 本文基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicAlSystems，簡稱MEMS)加工技術(shù)，設(shè)計并制備了一種運用較低的脈沖電壓來實現(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對微電極上，使微電極產(chǎn)生細(xì)胞破碎所需的高場強(qiáng)。同時，本論文還設(shè)計了專用的細(xì)胞破碎信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器是以C8051F020單片機(jī)為核心的硬件電路組成的。該信號發(fā)生器能實現(xiàn)對芯片施加外部電壓信號，該電壓信號可實現(xiàn)脈沖寬度、脈沖周期、脈沖電壓幅度的調(diào)節(jié)。設(shè)計了細(xì)胞破碎效果檢測系統(tǒng)，運用電荷

4、耦合器件(Charge Coupled Device，簡稱CCD)將采集到的細(xì)胞圖片傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，利用圖像處理技術(shù)對細(xì)胞進(jìn)行計數(shù)，可以計算出細(xì)胞破碎率。分別運用八鄰域邊界跟蹤法和梯度Hough變換法對預(yù)處理后的細(xì)胞圖像進(jìn)行計數(shù)，結(jié)果表明利用八鄰域邊界跟蹤標(biāo)號進(jìn)行細(xì)胞計數(shù)，對沒有粘連細(xì)胞圖像計數(shù)效果較好；但是當(dāng)細(xì)胞圖像中存在粘連情況時，對計數(shù)結(jié)果影響較大。本文提出了利用梯度Hough變換法實現(xiàn)顯微細(xì)胞自動計數(shù)。梯度Hough變換在標(biāo)準(zhǔn)Ho

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

6、低電壓脈沖信號的寬度不同，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。通過實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)干凈的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，簡稱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產(chǎn)生氣泡，實驗表明產(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)計的細(xì)胞破碎微流控芯片系統(tǒng)，實現(xiàn)了在低電