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微粒分选在生物医药、临床检测以及化学分析等领域有非常广泛的应用。基于微阵列的非生物微粒分选具有样品用量少、效率高的特点,是微粒分选领域的一个研究热点。外力驱动的确定性侧向位移(force-driven deterministic lateral displacement,f-DLD)分选是微阵列分选的方法之一,具有装置简单、芯片结构设计要求低、不需注射泵驱动等优点,被广泛应用于分选细胞、抗体等。但是,常见的驱动力如电场力、离心力等易对细胞等生物微粒造成损伤。因此,本文以对生物物质无损伤的磁力作为驱动力,建立了一种磁力驱动的确定性侧向位移磁珠分选方法,称为磁力驱动的确定性侧向位移(magnetic-driven deterministic lateral displacement,m-DLD),并且将其用于抗体检测。
首先,利用COMSOL Multiphysics5.5软件建立二维仿真模型,仿真了长方体磁铁、圆柱体磁铁、三棱柱磁铁、六棱柱磁铁产生的磁场以及直径为10μm、20μm、30μm、40μm的四种磁珠在磁场中的受力情况,未考虑芯片结构对磁珠受力的影响,仿真结果为实验设计提供指导。使用长方体磁铁构建磁场时,磁力变化较小,有利于增加磁珠运动的稳定性。因此,本文选择长方体磁铁构建磁场。芯片越长,通量越大,磁力越小。综合考虑芯片的通量及磁珠的受力,本文将芯片的长度设置为1.2cm。通过分析不同微阵列布局的特点,确定了芯片的微阵列类型为镜像微柱阵列。
选择直径10μm和30μm的磁珠作为实验对象,在微流控芯片上开展磁珠分选实验,探究了芯片的强迫角度和入口宽度对分选效率的影响。实验得出了最佳的强迫角度和入口宽度,直径为10μm和30μm磁珠的分选效率分别达到87.58%、92.78%,证明了m-DLD分选磁珠的可行性。为了使m-DLD具有更广泛的应用,本文扩展芯片的微阵列级数,由一级扩展到两级,具有两级微阵列的芯片和具有一级微阵列的芯片的结构参数(微阵列级数、微柱直径、微柱间隙及微通道的入口形状)不同。探究了两级微柱阵列的强迫角度对分选效率的影响以及第二级微柱阵列的入口宽度对分选效率的影响。成功实现了10μm、20μm、40μm三种磁珠的分选,分选效率分别达到88.04%、90.10%、93.30%。
最后,利用新建立的m-DLD方法开展抗体检测的初步应用研究,分析了免疫荧光法检测多种抗体时存在的弊端及利用m-DLD优化免疫荧光法检测多种抗体的方法。将10μm、20μm、40μm的磁珠分别与不同抗体偶联,完成了免疫磁珠的制备。利用m-DLD完成了免疫磁珠的分选,根据出口编号成功识别抗体的种类,测定了出口处免疫磁珠的荧光强度。实现了鼠抗人甲胎蛋白单克隆抗体、鼠抗人前列腺特异抗原单克隆抗体、鼠抗人乙肝表面抗原单克隆抗体的定性和半定量分析。基于m-DLD的抗体检测法对免疫荧光法进行了优化,增加了分选免疫磁珠的步骤。通过出口编号识别抗体种类的方法简洁直观,避免了免疫荧光法检测抗体时受磁珠荧光区域影响的问题。
首先,利用COMSOL Multiphysics5.5软件建立二维仿真模型,仿真了长方体磁铁、圆柱体磁铁、三棱柱磁铁、六棱柱磁铁产生的磁场以及直径为10μm、20μm、30μm、40μm的四种磁珠在磁场中的受力情况,未考虑芯片结构对磁珠受力的影响,仿真结果为实验设计提供指导。使用长方体磁铁构建磁场时,磁力变化较小,有利于增加磁珠运动的稳定性。因此,本文选择长方体磁铁构建磁场。芯片越长,通量越大,磁力越小。综合考虑芯片的通量及磁珠的受力,本文将芯片的长度设置为1.2cm。通过分析不同微阵列布局的特点,确定了芯片的微阵列类型为镜像微柱阵列。
选择直径10μm和30μm的磁珠作为实验对象,在微流控芯片上开展磁珠分选实验,探究了芯片的强迫角度和入口宽度对分选效率的影响。实验得出了最佳的强迫角度和入口宽度,直径为10μm和30μm磁珠的分选效率分别达到87.58%、92.78%,证明了m-DLD分选磁珠的可行性。为了使m-DLD具有更广泛的应用,本文扩展芯片的微阵列级数,由一级扩展到两级,具有两级微阵列的芯片和具有一级微阵列的芯片的结构参数(微阵列级数、微柱直径、微柱间隙及微通道的入口形状)不同。探究了两级微柱阵列的强迫角度对分选效率的影响以及第二级微柱阵列的入口宽度对分选效率的影响。成功实现了10μm、20μm、40μm三种磁珠的分选,分选效率分别达到88.04%、90.10%、93.30%。
最后,利用新建立的m-DLD方法开展抗体检测的初步应用研究,分析了免疫荧光法检测多种抗体时存在的弊端及利用m-DLD优化免疫荧光法检测多种抗体的方法。将10μm、20μm、40μm的磁珠分别与不同抗体偶联,完成了免疫磁珠的制备。利用m-DLD完成了免疫磁珠的分选,根据出口编号成功识别抗体的种类,测定了出口处免疫磁珠的荧光强度。实现了鼠抗人甲胎蛋白单克隆抗体、鼠抗人前列腺特异抗原单克隆抗体、鼠抗人乙肝表面抗原单克隆抗体的定性和半定量分析。基于m-DLD的抗体检测法对免疫荧光法进行了优化,增加了分选免疫磁珠的步骤。通过出口编号识别抗体种类的方法简洁直观,避免了免疫荧光法检测抗体时受磁珠荧光区域影响的问题。