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基于光流体技术的生物医学微流体芯片研究

黄华  
【摘要】:生物微流体检测芯片是集成化生物样品分析的微纳米器件,具有集成度高,体积小,高通量,低消耗等优点。大部分生物医学研究中,生物分子和细胞的检测是通过光学检测来实现的。 光流体技术是针对生物微流体芯片的光学集成提出的一种非常新的研究方向。不同于传统固体光学器件,光流体器件具有更好的光学性能和可调控性。最为重要的是,由于光流体器件的基本光学材料是液体,使得基于微流体光学检测芯片的光学部件可以非常容易的通过流体来实现,并与微流体芯片的其它部件有着非常自然的兼容性。 正是基于光流体器件的这些优点,本文探索了通过使用微流体结构来实现在微米尺度上对光进行控制的新方法,并利用这些光流体器件结合微流体其它部件实现在微米尺度上对荧光分子,粒子及其它光学物理量的检测研究。本文的主要研究工作的内容和创新点如下: (1)提出新的微流体结构以实现利用二维的液体梯度折射率分布来构造焦点可调控的液体透镜。在微流体腔内利用高低折射率液体的扩散构成梯度折射率的二维分布,并使用流速来控制折射率分布和对焦点进行调节。同时通过液体透镜对入射光的聚焦可以实现荧光激发光的增强。 (2)利用液体波导的液核加载荧光分子和金属银钠米粒子,用于实现增强荧光分子检测的荧光强度。通过液核实现了多模或单模波导,并利用其波导内的全内反射特性结合表面等离子体共振特性实现对特定角度内的荧光的收集和增强。通过双核液核波导间的耦合同样可以实现对波导内的荧光分子的激发和荧光增强。 (3)根据高低折射率液一液界面的光学特点,提出使用微流体波导和微流体全内反射器件构造的液一液界面来实现消逝波的产生,并结合微流体对粒子的聚焦功能,实现利用消逝波对流体中的单个荧光粒子加以快速检测。该方法是一个全新的基于光流体液一液界面的消逝波光学检测方法。 (4)根据液体在微流体通道内的扩散特点,通过声表面波对高折射率流体扩散进行调节,进而用来实现声波对流体梯度折射透镜光学聚焦功能的调节。 (5)结合声表面波和微流体器件用于粒子分离。通过利用声表面波在液体介质内传播时对不同直径大小的粒子产生的机械力的差别,在微流体通道内实现了微米尺度上对粒子的移动,并使用声波成功分离了不同直径大小的粒子。 (6)根据声表面波在微流体通道内的压力分布对粒子进行聚焦,通过在微流体芯片上结合声表面波对粒子的聚焦功能和光流体全内反射的液一液界面光学检测方法,实现了对单个粒子的聚焦和荧光检测。该方法第一次结合光学和声学的方法用于荧光粒子的快速检测。 (7)首次在微流体芯片上构建基于声波激发的细胞膜光散射检测器件。由于声波在液体介质中可以引起细胞膜的振动,通过测量声波引起的细胞膜振动导致的光的散射特性可以用来研究单个细胞的力学性能。 总之,本论文利用微流体的特点,提出并实现了多个以液体作为光学介质的生物光学检测的新方法。这些方法充分的利用了流体的光学性质实现了对光的聚焦;在液体界面上构建消逝波用于荧光检测;以及结合光学和声表面波来检测细胞的荧光及光散射特性等。本文提出的这些全新的光流体检测方法对于研究在微流体芯片上集成光学器件用于生物医学检测具有重要的意义。


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