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PDMS芯片表面修饰及其在生物分子分离分析中的应用研究

作　者: 干桂花
导　师: 梁汝萍
学　校: 南昌大学
专　业: 分析化学
关键词: 聚二甲基硅氧烷芯片毛细管电泳表面修饰电化学检测脱氧核糖核酸二氧化钛纳米粒子氨基酸
分类号: O658.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

芯片毛细管电泳是近年来快速发展和具有广泛应用前景的新技术。该技术是在常规毛细管电泳原理的基础上发展起来的,利用微电子机械系统（MicroElectro Mechanical System,MEMS）技术在玻璃、硅、聚合物等基片上制作一系列微管道等结构单元,利用微芯片体积小、热传导效率高等优点实现对生化样本更加快速、高效的分离分析。PDMS由于具有良好的光学透明性、容易封合、无毒、低电导率、价格低廉、多功能性、固化温度低和生物相容性等优点,在制作微芯片装置中得到了广泛的应用与发展。然而,将PDMS用于微芯片电泳仍需克服其不足,如电渗流（EOF）不稳定、表面疏水性较强、易于吸附分析物等。这些缺点大大限制了可在PDMS上分离的分析物种类,并导致低的分离效率。对PDMS微通道表面进行适当的改性和修饰,可以有效控制EOF,减小分析物和管壁之间的作用,解决分析物在PDMS通道上的吸附问题,我们开展了以下几个方面的工作。1.绪论部分对芯片毛细管电泳的工作原理、特点、评价标准和研究进展进行了总结。介绍了芯片毛细管电泳中芯片材料种类及制作和各种芯片毛细管联用检测技术。简介了高分子聚合物PDMS芯片毛细管电泳的优缺点,讨论了PDMS表面改性和修饰技术。PDMS表面改性及修饰技术主要有高能氧化、动态修饰、本体修饰和层层组装（LBL）技术等技术。非共价键作用力常被用来构建各种薄膜,最有效的非共价键驱动力是静电相互作用力,被广泛应用于聚离子间的层层组装。本论文中我们采用层层组装技术通过静电作用在通道表面组装了不同物质,并研究了修饰后的芯片的表面性质。2.利用LBL技术,将壳聚糖（chitosan）和DNA交替组装于PDMS微芯片通道表面,构建了chitosan-DNA生物分子功能化PDMS微芯片通道。采用衰减全反射傅里叶变换红外吸收光谱（ATR-FT-IR）和接触角实验对chitosan-DNA功能化PDMS芯片进行了表征。结果表明,经chitosan-DNA修饰后的PDMS芯片,EOF得到了稳定控制,而且表面亲水性得到了明显改善。以尿酸和抗坏血酸为分离模型体系,对chitosan-DNA功能化PDMS芯片的性能进行了考察。与未经修饰的PDMS芯片相比,尿酸和抗坏血酸在chitosan-DNA修饰PDMS芯片上的分离分析时间大大缩短了,从未修饰时的200 s减少到修饰后的85 s,并且分离效率和分析灵敏度都得到了有效提高,在分离电压为1300V时,尿酸和抗坏血酸的理论塔板数分别为43450和46790N/m。将chitosan-DNA修饰PDMS芯片应用于尿样中尿酸和抗坏血酸的分离和检测,获得满意效果。3.利用LBL技术将TiO₂ NPs组装到预修饰了一层聚阳离子PDDA的PDMS通道表面,实现了PDMS表面纳米功能化。经PDDA-TiO₂ NPs修饰后的芯片改变了EOF和溶质的迁移速度,提高了分离效率。将该修饰芯片用于神经递质多巴胺和肾上腺素的分离。与未修饰芯片相比,多巴胺和肾上腺素在PDDA-TiO₂NPs修饰芯片上不仅达到了良好的基线分离,而且峰电流显著增大,峰宽变窄,在通道表面的吸附作用得到了有效抑制,分离效率和分析灵敏度也明显提高,在pH 7.0的PBS（40 mM）缓冲液中,分离度由空白芯片上的0.61增加到修饰芯片上的1.55。在1000V的分离电压下,修饰芯片上多巴胺和肾上腺素的理论塔板数分别为1.2534×10⁵N/m和9.5757×10⁴N/m。多巴胺和。肾上腺素的线性范围均为30-600μM,检测限分别为2.1μM和3.2μM。此外,该修饰方法呈现长期的稳定性和很好的重现性,修饰的PDMS芯片可以连续使用两周。4.氨基酸是构建许多生物相关分子的基本单元,其在神经信息的传递、维持和调节新陈代谢行为、生物合成蛋白质和多肽、为机体和大脑提供能源等方面起着重要的作用。建立快速、简单的氨基酸分析方法具有十分重要的意义。然而,在电泳分离过程中,氨基酸在PDMS芯片微通道内吸附严重,致使样品峰拖尾,分离效率低下。本文以Cu微盘电极为工作电极,采用柱端安培检测模式,在PDDA-TiO₂ NPs/PDMS修饰芯片上对五种氨基酸进行了分离检测。与未修饰芯片相比,经PDDA-TiO₂ NPs修饰的PDMS芯片在5.0mM硼砂缓冲液中获得了稳定、降低的EOF,这非常有利于在短的分离通道内,分离具有相似迁移时间的氨基酸。实验结果表明,精氨酸、脯氨酸、组氨酸、缬氨酸和苏氨酸在PDDA-TiO₂NPs/PDMS修饰芯片表面的吸附得到了有效抑制,90 s内即得到良好的基线分离,而且分离效率大大提高。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第1章绪论  11-25
  1.1 芯片毛细管电泳简介  11-15
    1.1.1 概述  11-12
    1.1.2 理论部分  12-15
  1.2 芯片材料和制作  15-16
    1.2.1 玻璃、石英芯片  15
    1.2.2 高分子聚合物芯片  15-16
  1.3 芯片毛细管电泳联用检测技术  16-21
    1.3.1 光学检测器  17-18
    1.3.2 质谱检测器  18
    1.3.3 电化学检测器  18-21
  1.4 PDMS芯片毛细管电泳  21-24
    1.4.1 概述  21-22
    1.4.2 PDMS芯片通道表面改性和修饰  22-24
  1.5 芯片毛细管电泳研究展望  24-25
第2章尿酸和抗坏血酸在修饰PDMS通道中的分离及检测  25-37
  2.1 引言  25-26
  2.2 实验部分  26-29
    2.2.1 试剂  26
    2.2.2 仪器  26-27
    2.2.3 实验过程  27-29
      2.2.3.1 PDMS芯片制作及其通道修饰  27
      2.2.3.2 碳纤维电极的制作  27-28
      2.2.3.3 PDMS表面修饰层的表征测量  28
      2.2.3.4 电泳和电化学检测  28
      2.2.3.5 电渗流的测定  28-29
  2.3 结果与讨论  29-36
    2.3.1 PDMS芯片表征  29-31
    2.3.2 Chitosan-DNA修饰芯片上的电渗流  31
    2.3.3 尿酸和抗坏血酸在chitosan-DNA修饰芯片上的电泳分离  31-32
    2.3.4 电泳条件的优化  32-34
      2.3.4.1 检测电位的选择  32-33
      2.3.4.2 分离电压的影响  33-34
    2.3.5 Chitosan-DNA修饰芯片的稳定性和重现性  34
    2.3.6 检测范围、检测限及应用  34-36
  2.4 结论  36-37
第3章二氧化钛纳米粒子修饰PDMS芯片分离多巴胺和肾上腺素  37-47
  3.1 引言  37-38
  3.2 实验部分  38-39
    3.2.1 试剂  38
    3.2.2 仪器  38
    3.2.3 实验过程  38-39
    3.2.4 二氧化钛纳米粒子的合成  39
    3.2.5 分离通道的表面修饰  39
  3.3 结果与讨论  39-46
    3.3.1 PDMS芯片表面修饰  39-40
    3.3.2 PDDA-TiO_2 NPs修饰芯片上的电渗流  40-41
    3.3.3 DA和EP在PDDA-TiO_2 NPs修饰芯片上的电泳分离  41-42
    3.3.4 电泳条件的优化  42-45
      3.3.4.1 检测电位的选择  42-43
      3.3.4.2 缓冲溶液浓度的影响  43
      3.3.4.3 分离电压的影响  43-45
    3.3.5 PDDA-TiO_2 NPs修饰芯片的稳定性和重现性  45
    3.3.6 线性范围和检测限  45-46
  3.4 结论  46-47
第4章氨基酸在修饰PDMS芯片上的分离检测  47-54
  4.1 引言  47-48
  4.2 实验部分  48-50
    4.2.1 试剂  48-49
    4.2.2 PDMS芯片毛细管电泳装置  49
    4.2.3 Cu微盘电极的制作  49-50
    4.2.4 分离通道的修饰  50
  4.3 结果与讨论  50-53
    4.3.1 电渗流的测定  50-51
    4.3.2 柱端安培检测  51
    4.3.3 氨基酸在PDDA-TiO_2 NPs修饰芯片上的电泳分离  51-52
    4.3.4 分离电压的影响  52-53
    4.3.5 PDDA-TiO_2 NPs修饰芯片的稳定性和重现性  53
    4.3.6 线性范围  53
  4.4 结论  53-54
参考文献  54-66
攻读学位期间的研究成果  66-67
致谢  67

PDMS芯片表面修饰及其在生物分子分离分析中的应用研究

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