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微流控高通量试样引入系统及其应用研究

杜文斌  
【摘要】: 微流控(Microfluidics)是在微米级通道结构中操控微升至皮升体积流体的技术与科学。其目标是通过对微通道网络中微流体的操纵和控制,在微芯片上集成试样引入、预处理、反应、分离、检测等功能,实现生化反应和分析在宏观系统中难以实现的的时间和空间精确控制,并实现分析系统的微型化、自动化、集成化与便携化。目前,微流控发展的重要瓶颈之一是宏观体系与芯片微通道的接口问题,开发高通量连续试样引入方法,对于微流控分析的发展和应用至关重要。本文进行了微流控高通量试样引入技术的研究,并将其应用于微流控流动注射分析、顺序注射分析和多相液滴生成与控制系统。 第一章首先综述了目前微流控高通量试样引入技术的研究现状。按照技术路线,划分为储液池阵列式、流通池式和取样探针式试样引入系统三种类型进行介绍。同时,对于高通量试样引入技术所应用的三类主要微流控分析系统的最近研究进展,也进行了相应介绍,包括基于连续流动、区带注入和非均相间隔模式的微流控分析系统。 第二章中,首次提出一种基于取样探针和缺口型试样管阵列的微流控高通量试样引入技术。系统由加工有取样探针的微芯片和可按设定程序自动平移的试样管阵列组成。在试样管上加工供取样探针进出的取样缺口,只需通过一维移动试样管阵列扫过取样探针即可实现高通量的试样引入。在该技术基础上,建立了高通量微流控芯片重力驱动流动注射分析系统。系统采用试样管和空白管间隔配置的试样管阵列,在进行试样引入的同时,完成流动注射进样操作;系统集成了液芯波导光度检测系统以实现高灵敏高通量检测。研究提供了一种构建芯片流动注射系统的新思路,系统无需加工微进样阀或借助外部液流驱动系统,整体结构和操作大大简化,对不同试样的分析通量大幅提高,最高达到1000样/小时,而其最低试样消耗仅为0.6nL/样,分析精度达到0.6%(RSD,n=11)。与国际上文献报道的同类芯片流动注射系统相比,新系统在分析通量、试样消耗和分析精度等项性能上,均达到领先水平。 第三章在上述研究的基础上,采用毛细管直接与缺口型试样管阵列结合的方法,首次建立了基于毛细管的微流控顺序注射系统。该系统无需任何微加工设备和技术即可构建,在单通道毛细管内实现纳升级试样和多个试剂的顺序引入、快速混合和反应,成功地解决了单通道毛细管系统不易实现多区带引入、汇合和反应的问题。同时,还对单毛细管通道内串行多液体区带间的混合行为进行了理论分析和实验验证,结果证明在纳升级区带体积范围内,在单通道内串行液体区带间可实现有效的混合,其混合行为可用泰勒分散模型准确预测和优化。该系统还被应用于基于β-半乳糖苷酶的高通量药物筛选实验,每次测定试样和酶试剂以及底物溶液的消耗量均为4.2nL,最高分析通量达到300样/小时。除激光诱导荧光检测方法外,还将该顺序注射系统与化学发光和液芯波导吸收光度检测方法联用,拓展了方法的适用范围。 第四章利用毛细管—缺口型试样管阵列顺序引入技术,首次建立可灵活和精确控制每个液滴大小和组成的自动化微流控液滴生成系统。系统由缺口型试样管阵列、毛细管和微量注射泵组成。首次采用了进口端拉尖的毛细管,使产生液滴体积可低至pL级。实验结果显示,该系统具有通过程序设定自动连续产生组成和大小不同的液滴的能力,这是目前文献报道的微流控连续液滴分析系统所不具备的。该系统被初步应用于纳升级液滴中的蛋白质结晶实验。


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