微流控作为一种新兴技术,被广泛应用于化学和生物分析、医学研究、疾病早期诊断等领域。它能够处理微升/纳升乃至更小体积的液体生物样品和试剂,实现样品输运、泵送、混合、细胞处理,生物反应以及生物检测等,并且新的功能仍然在不断涌现。芯片实验室作为微流控技术的延伸,在一个小芯片上集成了生物传感和样品前处理等更多功能。对比传统的分析方法,微流控和芯片实验室具有更小的尺寸,因此允许使用少量试剂及分析少量样品,并实现了单一芯片上的多功能集成,从而避免潜在的交叉污染和人为的操作错误。微流控技术的其他优势还包括低成本,一次性使用,快速分析等,其可在几分钟内获得结果,而不是同传统分析方法的几小时或者几天。由于其独特的功能和巨大的应用潜力,各大公司,学校及政府都大量投入,进行深入广泛的研究探索。由于SAW可用于开发运输,泵送,混合,雾化,液滴生成,生物传感,颗粒(细胞)集聚,分拣和分离等,近些年,表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)被用于开发基于SAW单一原理的微流体及片上实验室,其结构和工艺简化,成本低,将在老龄化社会的健康呵护和医疗应用方面发挥重要作用。本人博士期间研究的目标是探索基于SAW的微流体或芯片实验室的新颖应用,特别是用于健康呵护和医疗应用。主要研究内容包括三种新型SAW微流控应用:1.基于SAW的液体表面张力测量法,用于测量流体之间的界面或表面张力;2.集成SAW微流控的无透镜CMOS成像系统,用于细胞成像和计数;3.能实现片上冷冻防护剂(CPA)导入和去除的SAW微流控系统,用于干细胞的低温保存。声表面波在压电基板上产生,并沿着基板的表面传播。当声表面波在传播路径上遇到液滴时,它与液体相互作用,声能被耦合到液滴中,在液滴上产生声压,引起声致微流或沿着传播路径泵送液滴等。这些效应被用于开发微混合器和微泵,实现在二维和三维几何形状的通道中移动和混合小体积液体,用于生物和医学领域。例如,声表面波微流控能够使我们分析血液流通条件下细胞、蛋白质和化学物质的生化与物理特性间的复杂相互作用等。对于所提出的张力测量系统,通过改变施加在叉指示换能器(interdigital transducers,IDTs)上的射频(RF)功率,声表面波可使微通道中包裹在矿物油中的液滴产生形变。叉指换能器可以向液滴施加具有不同声压的声表面波,通过快速成像技术,可以对变形的液滴进行成像和分析。通过建立相关数学模型,可以提取液滴的界面张力。这是第一种用于表面张力测量的SAW微流控系统,其对化学、生物样品分析非常有用,该技术也可能扩展到医疗诊断研究中,通过分析细胞微力学诊断疾病。细胞成像和计数对于疾病诊断非常有用,特别是对于癌症诊断,因为肿瘤细胞与正常细胞在力学特性上是非常不同的。基于无透镜CMOS的成像芯片具有小型,低成本,自动分析等特点,此前已被深入研究和探索以用于细胞成像和计数,然而目前的无透镜CMOS成像芯片需要分离的流体泵系统来运输和混合生物样品/试剂等,体积较大,需要大量的生物样品和特殊操作,仅适用于实验室或医院使用。对此,我们提出并开发了一种新型无透镜CMOS成像芯片,该芯片具有集成的SAW微型泵,可用于微量生物样品的输送,并研究了其性能。该工作提出了一种基于时间差分的有效运动检测算法,用于连续流动细胞检测和计数。通过人骨髓基质细胞实验,证明该SAW微流体集成成像系统可以自动检测和计数细胞,具有约6.53%的低统计误差率。这是第一个集成SAW微泵的无透镜微流控成像系统,用于便携式POC生物医学诊断领域的流动细胞检测和计数。至于第三个工作,SAW被用作实现片上CPA导入和去除的微混合器。冷冻保存需要CPA抑制冷冻期间细胞内冰晶的形成,但由于其毒性,必须在临床使用前将其除去。传统的多步CPA导入和去除方法采用手动操作方式,较为耗时,易产生渗透冲击对生物样品造成机械损伤。我们设计了一种新型的基于SAW的芯片实验室系统,该系统可以高效地将CPA导入到细胞中进行冷冻保存,并在解冻时去除细胞中的CPA。CAP的每一步导入和去除过程仅需10秒,并且在大约一分钟内完成多步CPA导入和去除(以最小化渗透压冲击),大大缩短了操作时间。细胞活力测试结果表明,与传统方法相比,该技术对脐带基质间充质干细胞的伤害最小,并且在保持细胞完整性和形态的同时,通过该方法获得的细胞存活率比传统方法高24%。这是第一种用于冷冻保存应用的芯片实验室系统,可以为基于干细胞的细胞疗法做出重要贡献。