● 摘要
硅藻是典型的微粒状生物多级结构，现存超过一万种，其细胞壁成分是无定形SiO2，具有规则的微纳米多级结构、机械性能良好、天然微流体特性以及光学特性。微流体芯片分析系统适用于药物筛选、食品安全、环境检测、疾病诊断、以及反恐、司法鉴定、航天等事关人类生产质量的方方面面。这些领域都要求芯片具有快速、高通量、高灵敏度和低消耗的特点，而这正是微流体芯片当前面临的关键问题所在。因此本文将硅藻壳体置于微流体芯片中，通过研究硅藻表面的过滤和吸附特性，来改善微流体芯片的性能。本文主要内容包括以下三个方面：硅藻的培养、壳体提取、结构表征、壳体表面微流体特性有限元分析；新型硅藻微流体芯片的设计和制造、硅藻的芯片培养装载技术、硅藻与芯片的连接工艺、芯片的封装工艺；研究纳米颗粒富集于硅藻壳体的机理、两种新型硅藻微流体芯片的性能测试。面向微流体芯片的硅藻表面微流体特性的研究目的：提出在微流体芯片中装载和连接硅藻技术；提高微流体芯片中的检测性能；推进我国丰富的硅藻和硅藻土资源在微纳制造领域的应用。主要创新研究内容如下：硅藻的培养、壳体提取、结构表征与表面微流体的有限元分析：从中科院武汉水生所和厦门大学挑选中国典型的淡水、海水硅藻，设计快速批量培养箱，结合逐次扩大培养方法实现硅藻的快速养殖；硅藻常规酸洗去有机质方法简介，给出典型硅藻的酸洗参数；对典型硅藻壳体微结构进行结构表征，讨论并简化不同种类硅藻的孔结构；用Ansys Fluent仿真硅藻表面微流体过滤和吸附特性，分析由于硅藻多级孔结构而产生的孔内漩涡及其对增强硅藻壳体吸附特性的作用，且分析法向过滤时，液体对壳体本身产生巨大的压强有可能是冲碎硅藻壳体的原因。新型硅藻微流体芯片设计和制造、硅藻装载、与芯片的连接、芯片封装：针对不同种类的硅藻，设计不同形式的流道，并通过SU-8光刻制作模具，用PDMS浇铸制作芯片；提出在微流体芯片中培养硅藻，从而将硅藻装载在芯片中的方法；结合传统的Si-O-Si键合工艺，提出壳体与PDMS基片的紫外活化键合方法；用紫外照射封装和热封装完成新型硅藻微流体芯片的制作，并分析了这两种封装的键合界面。新型硅藻微流体芯片实现了将硅藻通过培养的方式装载于芯片并且固定于芯片，以备用于新型硅藻微流体芯片的性能测试。新型硅藻微流体芯片的性能检测：通过普通反应区/硅藻反应区和圆筛藻阵列的荧光检测实验，探索硅藻壳体增强荧光检测信号的机理研究，主要硅藻壳体的精细多级三维微纳孔表面的比表面积大，且其无定形SiO2是透明材质，通过蒸发聚集能使目标颗粒聚集与硅藻壳体表面；通过微泵将FITC标定的蛋白质溶液注入新型硅藻微流体芯片，硅藻壳体表面的微流体由于多级微纳孔的作用，在孔中形成涡流，从而使得FITC标定的蛋白质颗粒与硅藻壳体接触概率增加，当用过量的去离子水冲洗时，硅藻壳体的微纳孔结构及其表面特殊电位和弱酸性又能很好的保护孔内及其表面的FITC标定的蛋白质颗粒不被冲走，从而大大提高了微流体芯片的检测能力和长效性。面向微流体芯片的硅藻过滤及吸附特性研究的前景预测：通过仿真分析硅藻表面微流体特性，发现流体经过具有二级微孔的硅藻壳体时，其微孔内会产生漩涡，从而提出硅藻壳体用于微流体芯片高灵敏度检测探针载体的设想；设计制造新型硅藻微流体芯片，验证壳体提高微流体芯片荧光检测信号强度的作用；对新型硅藻微流体芯片、检测微器件等应用进行了前景预测。