离心式微流控等温扩增系统研究与实现

作     者：唐知谦 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邱宪波;董盛华

授予年度：2024年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：离心式微流控 等温扩增 高光谱检测 温度控制 现场快速检测(POCT) 

摘      要：核酸检测在生物医学研究、临床医学诊断以及突发公共卫生事件处理中发挥着至关重要的作用。聚合酶链式反应(PCR)受到精密温度控制及反应时间长的限制,不利于实现现场快速检测(Point-of-Care Testing,POCT)。对比起来,等温扩增,例如重组酶聚合酶扩增(Recombinase Polymerase Amplification,RPA)技术,能够实现恒温加热条件下的快速核酸扩增,有利于降低系统复杂度与装置体积,缩短检测时间。将等温扩增与微流控芯片相结合,能够进一步提升核酸检测的综合性能。当前,针对等温扩增产物,除了传统实时荧光检测方法外,其它新型检测方法研究也正受到大家的日益关注。本文围绕离心式微流控芯片及装置,以及扩增产物检测方法展开研究,实现了多种检测模式下的全自动核酸检测。 首先,对离心式微流控芯片的原理与设计进行了详细的研究与验证,主要包括:离心流体驱动、芯片阀与腔室、芯片回流结构以及芯片定量结构等功能模块。结合等温扩增的特点,研究了离心式微流控配套检测装置,主要功能模块包括:运动控制模块、荧光检测模块以及温度控制模块。在此基础上,完成了离心式微流控配套检测装置的软硬件设计与实现,主要包括:硬件电路整体设计、上下位机软件、及温度控制策略与算法。尤其是,研究优化的加热方法及控温策略,提升系统的温度控制性能。通过芯片与装置的相互配合,实现高效的等温扩增核酸检测。结合两步法微流控芯片,测试验证了装置的整体性能。 其次,设计了一种全集成的等温扩增离心微流控芯片。该全集成芯片包括细胞裂解、核酸扩增及检测等功能模块,能够实现一体化核酸检测。探讨了细胞样品与裂解试剂的混合方法,提升芯片上的细胞裂解效率;解决离心芯片上的流体驱动,实现原始核酸模板体积定量、干湿试剂混合及RPA扩增;优化扩增产物与核酸染料的混合方法,提升核酸产物的标记效率;构建基于高光谱的核酸检测方法,实现无荧光标记的核酸检测。借助离心微流控的整体式流体驱动,简化系统设计,降低装置复杂度。基于高光谱的低成本核酸检测方法,有利于克服荧光检测的光漂白及信号饱和等不足。以K562人慢性髓原白血病细胞为检测样本,测试验证了全集成等温扩增离心微流控系统的综合性能。