导　　师： 朱俊杰

学科专业： G0302

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 南京大学

摘　　要： 微流控芯片实验室又称芯片实验室或微流控芯片，是把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。 作为一种平台，芯片实验室的研究是以芯片毛细管电泳的形式开始的。20世纪90年代初，A．MANZ和D．HARRISON等进行了早期芯片电泳的开拓性研究，在往后的十多年中，微芯片电泳得到了广泛的关注。芯片毛细管电泳至今仍是芯片实验室中分离部分的主体。现在，作为微纳米技术的重要组成部分，芯片实验室所具有的多种单元技术灵活组合、整体可控和规模集成的特点，使其呈现出很多单一的单元技术无法比拟的特点，特别是它所体现的整体性和系统性，以及由此产生的难以估量的潜在能力。 本论文在微流体的表征、操纵和微全设备的操作技术方面做了一些工作，主要内容如下： 1．柱端安培法检测进样区带测量电渗流 提出了一种在微芯片毛细管电泳中通过柱端安培法检测进样区带测量电渗流的方法。基于KOHLRAUSCH REGULATING FUNCTION(KRF)，在背景电解质(BGE)中加入一种稀释的离子化的电活性物质。当不同浓度的类背景电解质样品进样后，进样区带会被检测，迁移时间与电渗流有关。在微芯片毛细管电泳聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃混合管道中，通过柱端安培检测法测定电渗流，并且讨论了样品浓度、添加不同电活性物质对电渗流的影响。应用于玻璃微芯片和PDMS微芯片的电渗流测量。与经典的电流监测法比较结果一致。 2．间接安培法测量电渗淌度和组分有效淌度 描述了在进样区带中探针的浓度随着KRF中的ω值变化的情况。在微芯片上使用间接安培法测量了阴极和阳极电渗流速率。测得的电渗流的速率与电流监测法一致。用间接安培法检测了电活性和非电活性的被分析物，被分析物的有效迁移率也可以准确地计算出来，推测了非电活性分析物K+、NA+、LI+的响应机理。 3．基于有效淌度恒定不变测量低速电渗流 提出了一种微芯片毛细管电泳中快速测定低速电渗流的新方法。这种测量方法基于探针物质的有效淌度只与背景电解质(BGE)有关，而与管道性质无关。在测量中，先在作为参比的快速电渗流微芯片测得某一快速组分的有效迁移率(μEFF)，再在未知的低电渗流微芯片测得探针物质的表观迁移率(μAPP)、，则低电渗流微芯片中的电渗流速率(μEOF)可以通过方程μEOF=μAPP—μEFF计算得到。用间接方法或其他常规方法都可以在参比微芯片中简单测算出μEFF。本方法特别适用于管壁修饰过的微芯片中低电渗流的测定。 4．二氧化硅纳米粒子修饰PDMS微芯片管道 介绍了通过一种简单、可重复的制备方法，制备了具有稳定电渗流的亲水性的纳米二氧化硅涂层PDMS微管道。在微管道表面先覆盖了一层PDDA涂层，在涂层上再通过静电作用吸附二氧化硅纳米颗粒。用接触角实验，电荷耦合器件图像传感器(CHARGE COUPLED DEVICE，CCD)成像，电渗流(EOF)测量和电泳分离实验表征了自组装的涂层。接触角测量表明涂层表面具有亲水性，修饰过的芯片上水的接触角为64°，而PDMS表面水的接触角为113°。CCD图象表明修饰过的PDMS芯片比未修饰过的PDMS芯片的亲水性要好。当PH大于7.0时，二氧化硅纳米粒子修饰过的PDMS芯片的EOF值与玻璃芯片相接近。涂层过的管道具有良好的稳定性和重现性，PDMS芯片和PDMS修饰过的芯片中EOF值的测量标准偏差(N=6)分别为1.58和0.57％。在涂层芯片上进行了多巴胺和肾上腺素的分离，两者的理论塔板数分别为1.40×105，1.39×105/M，而未修饰芯片上分别为0.79X105，0.88ν105/M。在3.60 CM的微通道上可达到1.7的分离度。 5．半胱氨酸修饰PDMS微芯片管道 用半胱氨酸修饰了PDMS微流控芯片，该芯片的电渗流可随着缓冲液的PH值改变而改变方向。首先用PDDA在PDMS微管道的表面涂层，再用金纳米颗粒层层组装结合到PDDA上以固定半胱氨酸。用表面全反射红外，接触角，电渗流(EOF)和电泳分离方法表征修饰的芯片。这种微管道的电渗流方向可以通过改变缓冲液的PH来改变。当PN较低时，管道表面带正电荷，EOF从阴极流向阳极；当PH较高时，表面带负电荷，EOF从阳极流向阴极；当PH 5.0时，即半胱氨酸的等电点附近，管道表面呈中性。当 PH 6.0以上或者4.0以下时，EOF的数值在一个很窄的范围内变化。修饰过的管道稳定性好、EOF重现性高，不同PH下的阴极/阳极的EOF转换的可逆性好。在修饰过的芯片实现了多巴胺和肾上腺素、精氨酸和组氨酸的有效分离。 6．倾斜微芯片法液压驱动进样 设计了一种适用于一次性使用的微芯片毛细管电泳的进样方式，以样品液体重力产生的液压驱动实现样品进样。通过倾斜微芯片，样品池中的液面高度高于样品废液池液面高度，于是产生液压差，样品在此压力的作用下由样品池流经进样管道进入样品废液池。当样品流经十字芯片的进样区域后，再将微芯片放平，施加分离电压后实施分离。在足够进样时间前提下，倾斜角度和初始液面高度对进样结果没有影响。获得一个稳定的样品塞的进样时间主要与倾斜角度有关，而与初始液面高度无关。实验结果与理论预测相一致。通过观测荧光物的流动状况和电化学检测多巴胺和儿茶酚的分离验证了倾斜微芯片实施液压进样的可行性，这种进样方法有很好的重现性。因为设备简单，不需要任何外加设备，因此适合在一次性微分析设备上使用。 7．液压驱动进样和辅助分离的微毛细管电泳系统 设计了一种适用于一次性设备的微毛细管电泳系统。使用商品化的毛细管用作分离管道，不需要额外的机械连接。由样品液体重力产生的液压作为进样驱动力不需要额外的电源或者驱动泵，使用6 CM长的毛细管，在缓冲液的液压辅助下用200 V的电压可以有效实现多巴胺和儿茶酚电泳分离。进样和分离之间的切换方便操作。液压进样的可行性通过电化学检测器检测电活性组分得以验证。本方法可以获得很好的重现性和分离效率。因为该设备简单和操作方便而且使用了可替换的商品化毛细管标准件作为分离管道，因此该微毛细管电泳系统可望应用于一次性设备中。

关 键 词： 纳米二氧化硅 微流控芯片 微芯片毛细管电泳 低速电渗流 微流体表征 微流体调控

分 类 号： [TN304.21]

领　　域： [电子电信]