基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌免疫磁分离

开发一种用于鼠伤寒沙门氏菌快速分离与富集的免疫磁分离微流控系统,该系统由微流控芯片、微控制器、电磁分离与混合模块组成,具备电磁驱动混合和磁分离功能,能够实现免疫磁珠与鼠伤寒沙门氏菌的快速孵育、分离与富集。在最优条件下,可以在13 min内实现对牛奶样品中浓度范围为2×10^(1)~2×10^(6) CFU/m L鼠伤寒沙门氏菌的快速捕获与分离,捕获率在33.3%~67.5%之间,最低检测限为20 CFU/m L。因此,这种高度集成的免疫磁分离微流控系统能够从复杂食品基质中迅速、准确地富集目标细菌,为食源性致病菌的快速检测提供了有效的解决方案,对于应对食源性疾病引发的公共卫生问题具有重要意义。

基于微流控芯片评估富血小板血浆促进子宫内膜细胞的增殖

背景:富血小板血浆可促进薄型子宫内膜细胞的增殖,但存在剂量难以控制、取样困难等问题。微流控芯片具有高通量、低消耗、操作简便等优点,为模拟子宫内膜细胞在体微环境提供了新途径。目的:利用三通道微流控芯片构建富血小板血浆促进子宫内膜细胞增殖的研究模型。方法:从1名女性外周静脉血中提取富血小板血浆。采用含不同浓度[0%(对照),0.5%,1%,2%]富血小板血浆的无血清细胞培养基培养人子宫内膜间质细胞,采用划痕实验检测细胞迁移,CCK-8法检测细胞增殖。利用聚二甲基硅氧烷胶制备微流控芯片,该微流控芯片设计有3个通道,中间通道为细胞外基质水凝胶通道,左右两侧分别为人子宫内膜间质细胞及富血小板血浆通道,3个通道之间保存有可以相互沟通以及实现物质交换的面积,实验组两侧通道分别加入人子宫内膜间质细胞(绿色荧光蛋白GFP标记)和含0.5%富血小板血浆的无血清培养基,对照组两侧通道分别加入人子宫内膜间质细胞(绿色荧光蛋白GFP标记)和无血清细胞培养基,共培养48 h后,采用Ki67免疫荧光染色观察细胞增殖与迁移。结果与结论:(1)细胞划痕实验和CCK-8检测结果显示,与对照组相比,0.5%,1%,2%浓度的富血小板血浆可促进人子宫内膜间质细胞的迁移与增殖(P <0.05),并且0.5%浓度富血小板血浆的促进细胞迁移与增殖作用强于其他2个浓度(P <0.05);(2)Ki67免疫荧光染色结果显示,与对照组相比,实验组人子宫内膜间质细胞的增殖和迁移能力更强;(3)实验证实通过三通道微流控芯片可以模拟子宫内膜细胞的微环境,同时利用该系统验证了富血小板血浆可显著促进子宫内膜间质细胞的增殖与迁移。

用于土壤中氮钾含量快速测定的非接触电导微流控芯片

[目的/意义]土壤中氮、钾元素在作物生长和农业生产过程中具有关键作用。快速定量检测土壤中氮、钾含量对指导精确施肥具有重要意义。因此,建立一种快速可靠的土壤氮、钾含量检测方法十分必要。[方法]本研究建立一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)微流控芯片电泳和电容耦合非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D)方法,快速定量检测土壤中氮、钾养分离子。通过微流控电泳芯片实现对土壤中多种离子快速分离,利用C4D进行电导率变化的精准测量。基于检测器工作频率输出响应特性,激励电压响应特性和电泳电压,确定最佳分离和检测性能。[结果和讨论]该方法对钾离子(K+)、铵根离子(NH4+)和硝酸根离子(NO_(3)^(-))标准溶液的检测限(S/N=3)分别为0.5、0.1和0.4 mg/L。K^(+)、NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-)在0.5~40.0 mg/L范围内具有良好的线性关系,线性相关系数(R2)分别为0.994、0.997和0.990,表明该方法可以对土壤中氮、钾养分离子进行定量分析。同时,采用峰高、峰面积和出峰时间作为评价指标进行可重复性实验,其相对标准偏差(Relative Standard Deviation,RSD)均小于4.4%,说明该方法具有良好的重复性。此外,对土壤样品进行测试,K^(+)和NH_(4)^(+)可实现完全分离以及同步检测,其检测效率明显提高。通过标准加入法进行回收率实验,回收率保持在81.74%~127.76%。[结论]本研究为土壤氮钾养分离子的快速检测提供了一种简便、高效的方法。

微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

微流控创新实验设计与仿真实践

目前微流控技术是多学科交叉的研究热点,在生物检测和化学分析等领域发挥着重要作用。建立了一套微流控实验研究与分析系统,该系统基于开源流体力学软件OpenFOAM对实验结果进行机理分析。通过两相流控制实验演示和仿真实践,有效拓展了传统实验教学场景,丰富了实验教学形式。分析了液滴破碎与4种离散相流型转变的机理,探讨了液滴的数字化控制规律,有效降低了液滴形成的不稳定性与不确定性。

基于STM32的微流控芯片离心进样机设计

针对某种微流控芯片在使用过程中需要保证微腔室全部充满样品液的要求,设计了基于STM32单片机的离心进样机。硬件方面,选用STM32F103ZET6型单片机作为控制器,选用ECMAC20602RS型伺服电机作为驱动电机,选用TK6051iP型触摸屏作为人机交互界面,设计了设备的整体硬件结构。软件方面,编写了基于Modbus协议的串口通信程序,设计了触摸屏人机交互界面,设计了设备的控制程序流程。通过实验对设备的功能进行了测试,实验结果表明,当转速和时间分别设置为1500 r/min和120 s时,微腔室全部充满样品,并且没有出现液体渗漏,满足了微流控芯片的进样要求。

基于液体光阑的微流控可变光衰减器阵列

可变光衰减器(Variable optical attenuator,VOA)广泛应用于光通信和光电子系统中,然而很少有VOA阵列的报道。本文提出一种基于液体光阑的微流控VOA阵列,利用螺旋形轨道实现多光束能量同步非等量衰减,或者使用环形轨道同步等量衰减,其中液体光阑的通光孔径通过介质上电润湿效应调节。该VOA阵列结构紧凑、体积小、操作简单、成本低,可灵活调整多光束之间的衰减比以实现多信道功率均衡。研究结果表明:所提微流控VOA阵列具有超越一般VOA阵列的宽衰减范围(0-100%衰减)和很小的插入损耗(0.26 dB),响应时间为0.1 ms,对偏振不敏感。它也能兼作光开关阵列。所提VOA阵列展示了集成和高性能的潜力,并为应用提供一种经济有效的方式。

T型通道微流控芯片中液滴生成的影响因素研究

高效、可控的微液滴生成技术在药物封装、病毒检测、材料筛选、细胞培养、微流控芯片等生化领域具有广泛的应用前景。而液滴生成频率、大小以及生成位置是试剂定量以及结构改进的重要参考因素。该文基于两相流理论,采用水平集方法追踪连续相与分散相流体界面,探讨了不同流速比情况下壁面接触角、通道宽度比以及主管长度比对的液滴生成频率、大小和生成位置等的影响。结果表明:主要捕捉到分层平行流、段塞流、滴状流和泡状流四种流型,其中滴状流型分布较广,是稳定生成液滴中出现最多的一种流型,只要流速比η足够大(η≥3.0),在不同毛细数下,均能生成。压力差是段塞流的主要生成因素,而滴状流和泡状流液滴主要是由黏性剪切力、压差和界面张力的共同作用形成;流速比越大,液滴生成频率越高,直径越小,生成位置越远;接触角越大则连续相流体与壁面粘滞力越大,从而提高了两相流界面的剪切力,加速了液滴脱落,液滴生成频率增加,同时,凝并时间缩短,也使得液滴直径减小。但是接触角对液滴生成频率和大小的影响有限,而对生成位置的影响较大,尤其在接触角θ_(w)≥160°后液滴生成位置曲线呈收敛趋势,因此更高的连续相与壁面间黏性有助于提高系统的可控性;在流速比不变的情况下,通道宽度比λ对液滴的生成有促进作用,液滴生成频率、大小和生成位置均随通道宽度比的增加呈递增趋势。λ=0.3-0.55区间是不同流速下均能生成液滴的稳定区间;主管长度比φ=15为液滴生成位置的临界点,此时液滴生成位置较稳定;总之,液滴生成位置受接触角、主管长度比和通道宽度比的影响较大,接触角、主管长度比越大,管内沿程阻力越大、压力幅值越高,则生成位置越提前。而通道宽度比越大,则流动越顺畅,促使液滴生成位置靠后,越来越远离交叉口。

棉线基甲酸盐微流控燃料电池的性能测试

搭建了以棉线为流道材料的甲酸钠微流控燃料电池,利用电化学工作站测试了燃料的量、电解液的量及电极结构这三种因素对燃料电池性能的影响。结果显示:在电极结构相同的情况下,燃料的量与电解液的量均为1 mol/L时燃料电池性能较好;控制甲酸钠与氢氧化钠的量均为1mol/L,对比不同电极组合的燃料电池性能得到当阳极为石墨管电极,阴极为石墨棒电极时电池性能最佳,其最大功率密度可达85.66μW/cm^(2)。

基于微流控芯片的牵引力/硬度双重探针开发及应用

目的力学因素在胚胎发育的过程中发挥着重要作用。细胞硬度、牵引力等力学属性在发育的过程中会随着细胞位置的改变发生剧烈而迅速地变化,目前通过不同的探针分别对细胞硬度和牵引力进行测量的方法难以全面反映胚胎发育过程中力学属性的变化,因此急需开发一种可以原位测量硬度/牵引力双重属性的办法。方法通过微流控系统,用聚乙二醇凝胶包裹铂钴合金十字结构,制备成直径50μm探针。通过显微注射将探针注射到斑马鱼胚胎内。该探针在初始状态下处于高硬度状态,可测量细胞/组织硬度。在紫外光的照射下,聚乙二醇凝胶解聚,探针硬度下降,在周围细胞的挤压下产生形变,可测量细胞/组织产生的牵引力。结果使用4000高斯的脉冲磁场对该探针进行磁化,随后用15高斯交变磁场驱动探针刚性旋转,测得胚胎组织的硬度在100~300 Pa范围内。紫外光照射后探针测得胚胎组织产生的平均牵引力约为250 Pa,卵黄组织产生的平均牵引力约为50 Pa。结论微流控系统制备的牵引力/硬度双重探针在斑马鱼胚胎中成功实现硬度、牵引力的原位测量。

基于温度原位监测的微反应器在HNS微流道制备过程中的应用

针对含能材料微流道制备过程中缺乏温度原位监测手段的问题,提出一种集成薄膜温度传感器的微反应器系统;微反应器由包含薄膜温度传感器的玻璃基片与包含微流道的硅基片键合组成;微流道的上游、中游、下游分别放置了3个温度传感器,以实现微反应过程中高空间分辨率的温度测量;基于该微反应器,搭建了六硝基茋(HNS)连续化微流道制备系统,实时监测了HNS微纳米化及球形化过程中的温度变化。结果表明,微反应器具有精度高、耐腐蚀、可观测的优点;HNS微纳米化是一个放热反应,流体最大温升为6.4℃,由于HNS的逐渐析出,流体中的固体含量增大,流速变慢,流体温度的分布发生变化;在HNS球形化过程中,两相流体的混合是一个放热过程,流体最大温升为2.3℃;微流道中游处的温度明显高于上游与下游,说明当液滴流动至中游时,HNS微球已经制备完成。

微流控制备包覆含能材料模拟物的核壳结构微球

基于简单的生产单重乳液的液滴微流控技术,结合相分离和结晶固化的方法,制备出具有对硝基苯甲醛(p-NBA)核层和聚苯乙烯(PS)壳层的核壳结构微球,一步完成了对高能炸药3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的模拟物p-NBA的包覆;通过调控p-NBA、PS以及赋形剂乙基纤维素(EC)的含量配比,可以得到不同结构和形貌的微球,并研究了上述因素对核壳结构微球的影响;基于高能炸药DNTF的包覆钝化效果和包覆量双重条件,在使用大相对分子质量(M r=300000~350000)PS情况下,得出最佳实验条件为:EC和p-NBA质量比为1∶10,PS质量分数为8%。结果表明,赋形剂的添加有助于促进p-NBA的结晶,使其能够在液滴相分离的时候形成球形颗粒,从而被完整包覆;PS在微液滴中的初始质量分数越大,形成的壳层越厚、球形度越高,但封装DNTF的壳层越厚,爆炸威力会降低。

基于长期细胞培养的体外微流控系统研究人工心脏不同脉动工作模式的血流动力学效应

目的临床上基于恒定转速的连续流人工心脏会产生脉动性降低的非生理性血流动力学效应,从而导致内皮功能失调以及外周血管和其他器官的不良事件。而人工心脏的脉动工作模式可以改善上述情况。然而人工心脏不同脉动工作模式差异化调控动脉内皮功能的规律及其机制尚不明确,导致其工作模式的优化选择缺乏依据。本研究旨在利用可实现长期细胞培养的体外微流控系统研究人工心脏脉动工作模式的血流动力学效应。方法本研究设计了一种由微流控芯片和多后负荷元件组成的体外内皮细胞培养系统,该系统可进行长期细胞培养,并能够准确再现动脉内皮微环境中的血压、剪应力、周向应变及三者之间的耦合关系。通过4种不同脉动工作模式对内皮细胞中一氧化氮和活性氧表达的影响来评估所设计系统的性能。结果实验结果表明,2~3倍心动周期的人工心脏脉动工作模式可显著增加一氧化氮的产生并防止活性氧的过度生成,从而有可能最大限度地减少人工心脏辅助时内皮功能障碍和相关不良事件的发生,并且与动物实验结果一致。结论这项研究可为心衰患者选择最佳的人工心脏工作模式和潜在治疗方案提供科学依据;设计的经济高效的体外微流控系统可用于开发和测试不同类型的机械循环支持设备。

采用电解预刻蚀实现高界面结合强度的镍/钢微流控芯片模芯

采用微电铸工艺制作微流控芯片金属模芯的过程中,金属基底与沉积层之间的界面结合强度制约着金属模芯的成品率、制作周期、制作成本以及使用寿命。以NAK80模具钢基底和镍铸层的结合界面为研究对象,采用电解预刻蚀的方法提高界面结合强度。首先,为探究界面结合强度的影响因素,开展数值仿真研究。仿真结果表明,界面结合强度随表面粗糙度和刻蚀深度的增加均呈现增大的规律。为优选电解预刻蚀的工艺参数,开展刻蚀实验研究。实验结果表明,当电压为0~20V时,基底表面粗糙度随刻蚀电压的增加先增大后减小,优选电压为11.15V;当刻蚀电压一定时,刻蚀深度随刻蚀时间的增加而增加。为保证电沉积后铸层无缺陷,缩短电铸和后处理时间,针对60μm宽度的流道式芯片模芯,将刻蚀深度优选为30μm,以此获得优选的刻蚀时间为53s。基于以上仿真和实验结果,制作出了铸层厚度为40μm、整体尺寸为65mm×65mm的微流控芯片金属模芯。采用拉伸法测得界面结合强度为178.46MPa,相比于无刻蚀方法,电解预刻蚀后的界面结合强度提高了518.6%。

细胞球可控制备的微流控芯片

基于热发泡打印原理,采用互补金属氧化物半导体-微电子机械系统(CMOS-MEMS)技术设计了一种可以产生细胞球的微流控芯片,通过调整打印次数控制细胞球的直径。该芯片通过控制底层的CMOS电路驱动电阻发热,从而带动MEMS微结构中的细胞悬液被喷射到指定位置并形成细胞球。实验结果表明:打印过程中,该芯片对CHO细胞活性基本无损伤,且可以制备出平均直径250.4~449.1μm范围内的细胞球,细胞球直径均一性良好,变异系数(CV)为6.17%~10.22%,实现了直径均一的细胞球的可控制备。

液滴微流控技术制备纳米聚合物微球及性能评价

以改性聚丙烯酰胺作为分散相单体,3#白油和十二烷基硫酸钠(SDS)作为连续相,通过液滴微流控技术制备出一种纳米聚合物微球PQM-1。优化了PQM-1的制备条件,并评价了其吸附性能。结果表明:随着单体浓度和交联剂用量的逐渐增大,PQM-1的膨胀倍数逐渐减小;随着引发剂用量的逐渐增大,PQM-1的膨胀倍数逐渐增大。推荐最佳的单体浓度为25%,最佳的交联剂的用量为3%,最佳的引发剂的用量为3%。当亚甲基蓝溶液浓度为50mg/L,吸附时间为2h时,PQM-1对亚甲基蓝的吸附效率可以达到98.7%,吸附性能较好。

基于微流控芯片技术的细胞动力学研究

在体细胞微环境中的体液处于流动状态,流体中包含大量动态变化的生物化学信息。当细胞感受到来自于微环境的动态信息刺激后,产生细胞内的信息响应,从而对细胞自身的功能和行为进行调控。细胞动力学以系统动力学的观点研究细胞事件的动态变化以及内外环境因素对细胞结构和功能及整体行为的影响。目的基于微流控芯片技术体外模拟细胞外微环境信号,开展细胞动力学研究。方法细胞动力学实验分析利用微流控芯片技术平台模拟细胞外动态微环境信号,对芯片上的细胞施加动态力学和生化信号刺激,用多模态光学成像技术检测分析细胞事件的动态变化;细胞动力学理论分析则基于实验观测数据和细胞生物学机理建立描述细胞动力学机理模型,或建立数据驱动“黑箱”模型进行定量分析。结果与讨论微流控芯片技术可为细胞动力学实验分析提供精准的动态力学和生化信号微环境;细胞动力学机理模型可描述和解释实验观测的现象,为人类重大疾病发生发展机制探索提供定量线索;细胞动力学数据驱动模型可为细胞层面的疾病诊断与药物评估提供定量指标。结论细胞动力学分析可为人类重大疾病发生发展机制探索、疾病诊断与药物评估等方面提供动态定量信息。

用于药物输运跨细胞膜输运的微流控系统中的多尺度力学机理

目的实现药物跨细胞膜输运是生物医学工程和细胞力学生物学的重要研究内容,在细胞治疗、再生医学等众多领域具有重要的应用价值。现有的跨膜输运方法包括生物、物理、化学等方法。尽管这些方法都有自身的优势和特点,它们或者可能会对细胞造成永久性损坏,存活率较低;或者由于病毒转染和基因插入使得细胞发生癌变可能而存在生物安全性方面的隐患;或者只能适用于少数种类或者少数数量的细胞,应用范围不广。近年来,基于力学原理的方法因其高效、通量大、对细胞创伤小、生物安全性高,日益受到人们的关注。方法以声致穿孔(sonoporation)为背景,运用分子动力学和计算流体力学等方法,对冲击波撞击纳米气泡,引起细胞膜破裂,以及在此过程中力敏通道的门控机制等方面开展了一系列研究。结果和结论在此基础上,基于微流控系统,提出了一种基于零质量射流的跨膜输运技术,并研究了细胞在微管道中的变形与力敏通道开启的关系;基于人工智能技术,提出了细胞力学特性的预测方法,初步构建了基于零质量射流的跨膜输运微流控系统。

高储能性石蜡相变微胶囊的微流控制备与性能研究

高储能性相变微胶囊的可控制备对于相变潜热的高效利用具有重要意义。基于此,利用微流控技术,分别以石蜡和碳纳米管(CNT)复合海藻酸钠为芯材和壳材,通过乳化固化法制备得到了石蜡相变微胶囊,并研究了CNT含量对相变微胶囊性能的影响规律。结果表明:随着壳层中CNT含量的不断增加,微胶囊对石蜡的包封能力显著提高,当其含量为3%时,石蜡相变微胶囊的包封率接近96%,热焓值达206.8J/g。同时,石蜡相变微胶囊的光热转换能力也随CNT含量的增加而增强,并在光照11min后,其温度可达47℃。相关研究结果可为可控制备具有高储能性和光热转换性能的相变微胶囊提供科学指导。