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基于纳米金标记的MEMS压阻悬臂梁生物芯片关键技术研究

葛悦涛  
【摘要】:针对我国中长期规划国家科技重大专项项目“转基因生物新品种培育重大专项”实施后,我国需要及时开展相应的检测技术研究,为我国农业安全、食品安全、环境安全、生态安全、经济安全、贸易安全保驾护航。 随着MEMS技术的深入发展,BioMEMS技术得到广泛关注。本文以转基因检测为目的,利用BioMEMS技术在适当的生物化学反应条件下对特异性转基因探针与生物样本靶标是否发生杂交反应作出判断,从而判断是否含有转基因片段。探针固定和杂交反应等相应生化反应都发生在MEMS悬臂梁表面。鉴于核酸本身质量很轻,甚至最少只有20个核苷酸的寡核苷酸几乎没有重量,杂交反应信息很难对MEMS悬臂梁产生机械变形,本文研究纳米颗粒的特性,重金属的特性,由于纳米金具有诸多优点,且不影响生物活性,所以本文引入惰性重金属纳米金溶胶,制备了20nm的纳米金,根据Au-S强化学键以及生物素-亲和素强结合原理,使纳米金结合杂交信息,由于纳米金质量远远大于核酸质量,从而压重MEMS悬臂梁,使得悬臂梁弯曲,提高了检测的灵敏度,建立了检测流程方案。研究了悬臂梁压力传感器的胡克定律,刚度矩阵、柔顺矩阵、弹性模量,以及薄膜的挠度近似,对空载普通通用硅悬臂梁进行了应力和应变仿真实验。研究了半导体的压阻效应、压阻张量、压阻系数,进而对MEMS悬臂梁进行了受力弯曲分析,分析压敏电阻的设计位置。研究了悬臂梁的各项性能参数包括噪声、灵敏度、最小分辨率、弹性系数、带宽等与悬臂梁尺寸的关系,以及噪声对掺杂浓度、尺寸的影响,最终对悬臂梁进行了优化设计。研究了作为生物溶液和悬臂梁的桥梁和媒介的微流控技术,设计了多溶液层流混合器和增强悬臂梁表面反应装置。 本文主要创新点如下: 1、本文首次提出将纳米金引入BioMEMS悬臂梁检测系统,并建立了基因检测的方法和流程。为克服微观DNA核酸质量微弱,特别是寡核苷酸几乎无重量的检测劣势,为提高杂交信息的重力特征并提高MEMS悬臂梁检测灵敏度,研究了纳米颗粒的性质,进而研究了惰性重金属纳米金颗粒的特征性质,根据Au-S、生物素-亲和素结合原理,建立了纳米金修饰杂交信息的流程,并设计了纳米金压重MEMS悬臂梁检测方案,以及为实现高通量的多通道检测方案。 2、本文对U型MEMS压阻式悬臂梁进行了优化设计。研究了MEMS悬臂梁压力传感器的参数和技术方法,并对空载悬臂梁进行了应力和位移仿真实验。讨论了纳米金标记MEMS压阻式悬臂梁基因检测生物芯片的工作原理。分析了弯曲悬臂梁结构应力和应变,研究了压阻式悬臂梁各项性能参数及各项参数对悬臂梁尺寸的影响,研究了Johnson噪声和1/f噪声的影响。 3、本文首次对微流通道内悬臂梁表面生化反应设计了增强反应装置模型。分析了生物化学反应中的微流技术、微流芯片技术,讨论了几种衬底材料和几种微流层材料的优缺点,对适合于本文的微流芯片材料做了最优选择。为解决来自多通道不同溶液混合缓慢的问题,设计了微电渗流混合器,并做了仿真实验。为增强微流通道内悬臂梁表面生化反应,减少溶液浪费,降低反应时间,设计了微流通道交流电动增强悬臂梁表面生化反应装置,并做仿真实验,提高了悬臂梁反应表面的分子传输。 论文最后对研究工作进行了总结,给出了进一步研究的方向。


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