化学浓度梯度在生命活动中发挥着极为重要的作用,模拟生物体内浓度梯度的微环境对生物医学研究具有重要的科学意义;浓度梯度技术还是科学研究中优化实验条件的常用手段,常被用于药物筛选、免疫分析、细胞刺激等领域。微流控芯片具有微型化、自动化、高通量等优点,而且易于调整和精确控制,因此在浓度梯度研究上发挥着得天独厚的优势。本文以微流控芯片为平台,针对多数芯片只能形成单一浓度梯度、浓度梯度生成过程产生较大剪切力、浓度梯度生成需要较复杂的外接装置等问题,设计了三种新型微流控浓度梯度芯片,并将其用于酶反应和细胞研究。本文的主要研究内容如下:(1)设计了一种平移型的微流控滑移芯片装置并用于双浓度梯度研究。该装置包含上下两块相同的PDMS-玻璃杂合芯片和一个芯片夹,两块芯片在芯片夹的固定下共同组成该双浓度梯度平台。两种样品分别通过上下层芯片进样,能同时在不同平面上各自形成浓度梯度;然后再将两块芯片在芯片夹的滑道中进行滑动,使得两块芯片上不同类别的试剂得以接触、混合并反应,从而实现多路双浓度梯度反应。我们在用计算流体力学模拟浓度梯度形成效果的基础上,用色素和荧光素对系统进行了表征,确认了该方法的可靠性,并进一步实现了 β-半乳糖苷酶反应条件的优化分析。实验结果表明,该装置能有效生成稳定可靠的双浓度梯度,并具有结构简单、低消耗等优点,特别适用于多因素的复杂反应分析。(2)建立了一种旋转型的微流控滑移芯片并用于双浓度梯度研究。该滑移芯片通过中心螺丝将两块不同的PDMS-玻璃杂合芯片连接起来,而无需借助芯片夹。该芯片可以同时在不同平面上稳定且独立地生成不同样品的浓度梯度,并能通过简单的旋转操作将两种浓度梯度样品混合反应,从而便捷地实现双浓度梯度研究。我们用色素、荧光素和磺酰罗丹明B对该双浓度梯度发生器进行了表征,确认了该方法的可靠性,并进一步实现了 β-半乳糖苷酶反应条件的优化测定。实验结果表明,该芯片能稳定地生成双浓度梯度,且操作更加简单方便,适用于各种多因素多水平的复杂反应。(3)发展了一种无剪切力无泵的微流控芯片并用于浓度梯度研究。这种芯片无需借助外围设备如流体泵,通过液体静压力驱动流体便可形成浓度梯度;通过调节相应芯片通道的长度比例可生成任意浓度梯度以满足特定研究需要;静压驱动的低流速可以确保芯片内极低的剪切力,有效保护细胞不受剪切力损伤害。我们在该芯片中对NIH-3T3细胞进行了 5天的长时间培养,并将芯片应用于基于细胞的高通量适应性细胞保护作用分析。结果表明,该无泵微流控梯度芯片可以产生任何满意的具有稳定和超低剪切力特性的浓度梯度,既能用于长期细胞培养,也可以进一步应用于适应性细胞保护作用分析。综上所述,本文针对微流控浓度梯度研究中的一些问题和需求,提出了三种不同的微流控浓度梯度芯片,分别实现了复杂双浓度梯度和无剪切力单浓度梯度的生成,并将其应用于酶反应和细胞研究中。这为微流控浓度梯度研究提供了新的思路,并有望在多路复杂反应和细胞学实验中得到更深入的应用和研究。