文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
微流控芯片水力门控及其生物分析研究
姓名:陈璞
申请学位级别:博士
专业:生物医学工程
指导教师:刘笔锋
2011-01-21
华中科技大学博士学位论文
摘要
近年来,芯片实验室以微型化、集成化和自动化等优势成为生命科学领域研究
方法革新的热点。试样引入是芯片实验室中一个最基本的操作,其对后续样品分析
的性能有着重要影响。目前,文献报道的各种试样引入方法在应用的对象上缺乏普
适性,大多只适合于某些种类样品的分析,并且在进样模式上缺乏灵活性,大多只
能以单一的形式进行试样引入。
本文提出了“水力门控”——一种简单、灵活的流动控制策略,可用于芯片实
验室的试样引入和分析。水力门控策略包含两种流动状态,即门控状态和进样状态。
门控时,缓冲液就像一个关闭的虚拟门,不让样品溶液进入分析通道;进样时,虚
拟门被打开,样品溶液流入分析通道。通过控制虚拟门的打开方式和时机,可以控
制样品注入分析通道的时空分布。该策略既具有门控进样的灵活性和进样体积可控
制性,又具有水力驱动的良好生物兼容性和强大的驱动力,可应用于包括分子、细
胞、线虫在内的各种生物样品。在此策略基础上,我们发展了三种进样模式,即夹
流进样、全通道进样和界面可调进样,并建立相应的理论模型,能够对门控状态和
进样状态进行定量的分析和控制。通过有限元数值模拟和流动可视化实验,理论模
型得到验证。我们搭建了水力门控试样引入和分析的实验平台,并利用该平台建立
了基于芯片实验室的细胞分选方法、细胞药物刺激方法、液滴纯化方法以及液相色
谱分离方法。
在细胞分选中,系统根据荧光检测开关虚拟门,选择性的将荧光细胞注入分析
通道。我们首先建立了基于夹流进样模式的细胞分选方法。利用此方法,依次分选
了 HeLa 细胞的混合物和线虫卵的混合物。实验结果显示该方法具有良好的分选纯度
(>90%)、回收率(>90%)和生物兼容性。随后,我们提出了基于界面可调进样模
式的细胞分选方法,有望进一步提高细胞分选的纯度、通量和生物活性。
在细胞药物刺激中,我们首先建立了基于夹流进样模式的药物刺激细胞的方法。
系统评估显示溶液交换的上升时间和下降时间分别为 ± ms 和 20±1 ms。我们
将此方法应用于三磷酸腺苷刺激 HeLa 细胞,研究由 P2Y-IP3 信号通路介导的钙离子
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释放。进一步,我们探索了将全通道进样模式和界面可调进样模式应用于药物刺激
细胞。全通道进样模式可同时刺激多个贴壁细胞。界面可调进样模式可精确控制药
物溶液注入分析通道的时空分布。该方法的时间分辨率优于 43 ms,空间分辨率为
± µm,可应用于研究单个细胞在局部药物刺激下胞质内的分子动态,也可以
用于研究细胞间的通讯。
在液滴纯化中,我们首先建立了基于界面可调进样模式的荧光激发液滴分选方
法。该方法在同一块芯片上集成了液滴发生和液滴分选两个功能模块,在发生液滴
的同时根据荧光纯化包含有微球的液滴。实验结果表明液滴发生的通量为 18 个/秒;
液滴分选的纯度和回收率均高于 99%。进一步,我们建立了基于水油二相微流体系
的门控进样方法,并将其用于选择性的液滴发生。该方法根据荧光检测,向油相中
注入水相形成液滴,并同步包裹微球。初步实验结果显示包裹单个微球的液滴纯度
可达 92%,微球的回收率可达 96%。
在色谱分离中,我们初步探索了将水力门控策略应用于开管液相色谱的进样和
分离。通过以未改性的聚二甲基硅氧烷作为固定相,乙腈作为流动相,我们尝试了
分离三种荧光小分子。
总之,我们证明了水力门控是一种具有灵活性和普适性的微流控试样引入策略,
其有望作为一种芯片实验室的平台技术应用于各种生物分析研究。
关键词:芯片实验室微流控芯片水力门控试样引入细胞分析
生物分析
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Abstract
In recent years, lab-on-a-chip plays an important role in revolutionizing the
methodologies for biological researches due to its advantages of miniaturization,
integration and automation. Sample introduction is an indispensable standard operation for
lab-on-a-chip, which has a great impact