Микрофлюидные устройства для исследований биологических проб методами флуорометрии и оптической микроскопии высокого разрешения

• Автор: Евстрапов, Анатолий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 353 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1 Аналитические системы на основе микрофлюидных

устройств

1.1 Микроаналитические системы и микрофлюидные устройства

1.2 Микрофлюидная платформа. Классификация, состав, основные элементы микрофлюидных устройств

1.3 Моделирование в микрофлюидике

1.4 Материалы и методы изготовление микрофлюидных устройств

1.4.1 Материалы для микрофлюидных устройств
1.4.2 Методы И способы изготовления микрофлюидных устройств

1.5 Наноразмерные структуры в микрофлюидных устройствах
1.6 Разделение компонентов пробы в микрофлюидных устройствах ^
1.6.1 Выделение и разделение частиц в микрофлюидных устройствах
1.6.2 Микрофлюидные устройства для разделения и анализа

нуклеиновых кислот и белков
1.7 Микрочиповые устройства для полимеразной цепной реакции
1.8 Детектирование в микрофлюидных устройствах ^
1.9 Коммерциализация микрофлюидных устройств и приборов для

исследований биологических проб Выводы к Главе 1 ^
Глава 2 Теоретические основы создания аналитических систем на базе микрофлюидной платформы и оптических методов детектирования
2.1 Микрофлюидные устройства для электрофоретического анализа
2.1.1 Электроосмотический поток и электрофоретическое разделение пробы в микрофлюидном устройстве
2.1.2 Инжекция пробы в микроканал
2.2 Оптическое детектирование в микрофлюидных устройствах ]
2.2.1 Детектирование флуоресценции
2.2.2 Особенности флуоресцентного детектирования в МФЧ Ю
2.3 Методы и способы фиксации биологических объектов для

микроскопии высокого разрешения
2.3.1 Способы фиксации и удержания биологических объектов в микрофлюидных устройствах
2.3.2 Фиксация и удерживание микрообъектов в гидродинамических (механических) ловушках
2.3.3 Особенности диэлектрофоретического метода фиксации и удерживания биологических объектов
Выводы к Главе
Глава 3 Экспериментальные исследования. Методы и способы изготовления микрофлюидных чипов
3.1 Химические, теплофизические и оптические свойства стеклянных материалов для МФЧ
3.2 Формирование микро- и наноразмерных структур в стеклянных подложках
3.2.1 Формирование микроструктур методами фотолитографии и кислотное травления стекла
3.2.2 Формирование наноразмерных каналов и пор в стеклянной подложке техникой сфокусированного ионного пучка
3.3 Герметизация микрофлюидных чипов
3.3.1 Герметизация стеклянных микрочипов методом термического связывания
3.3.2 Герметизация микрочипов полимерными материалами
3.4 Формирование микроструктур в полимерных материалах
3.4.1 Метод лазерной абляции при формировании микроразмерных структур
3.4.2 Формирование микроразмерных структур в полиметилметакрилате
3.4.3 Герметизация микрочипов из полиметилметакрилата
3.4.4 Формирование микроразмерных структур в поликарбонате
3.4.5 Формирование каналов в полиимидных пленках
Выводы к Главе
Глава 4 Аналитические системы и приборы на основе микрофлюидных чипов
4.1 Аналитическая система для электрофоретических методов исследования проб
4.1.1 Микрофлюидные чипы для электрофоретических методов исследования

4.1.2 Аналитическая система с детектором лазер-индуцированной флуоресценции для электрофоретических методов анализа на МФЧ
4.1.3 Основные правила работы с МФЧ для электрофореза: подготовка, эксплуатация и хранение
4.2 Приборы и микрочипы для проведения ПЦР
4.3 Экспериментальная установка для исследований микрообъектов на основе оптического инвертированного микроскопа и микрофлюидной платформы
4.3.1 Микрофлюидные чипы с гидродинамическими ловушками
4.3.2 Микрофлюидный чип для диэлектрофореза Выводы к Главе
Г лава 5 Экспериментальные исследования наноразмерных структур
5.1 Массив полупроводниковых нитевидных нанокристаллов ОаАэ
5.1.1 Оптические свойства массива ННК
5.1.2 Воздействие лазерного излучения на массив ННК
5.1.3 Образование пространственных регулярных структур в массиве ННК
Выводы к разделу 5.
5.2 Пористые стекла, как функциональные элементы микрофлюидных устройств
5.2.1 Оптические свойства пористых стекол
5.2.2 Исследование пористых стекол методами конфокальной лазерной микроскопии и оптической микроскопии ближнего поля
5.2.3 Пористые стекла как основа для создания оптических чувствительных элементов
Выводы к разделу 5.
Глава 6 Экспериментальные исследования. Анализ биологических проб на микрофлюидном чипе
6.1 Электрофоретическое разделение биологических проб на микрофлюидном чипе
6.1.1 Экспресс-анализ полинуклеотидов
6.1.2 Разделение фрагментов ДНК
6.1.3 Иммунный анализ инсулина

небольшого ассортимента материалов, а именно - высокочистого кремния и некоторых марок стекол (например, кварцевого стекла, стекол фирмы Согп^, Пирекс). Все перечисленные марки стекол относительно дороги, поэтому актуальным является поиск альтернативных дешевых и доступных материалов.
Формирование микроразмерных структур в полимерных материалах при лазерной микрообработке
Методы формования и литья полимеров являются наиболее доступными, позволяют тиражировать МФЧ с относительно простой топологией, но требуют высокоточных дорогостоящих пресс-форм (мастер-форм) и соответствующего оборудования. В условиях исследовательских лабораторий более приемлемым с точки зрения стоимости и удобства является использование прямых методов микроизготовления, таких как лазерная микрообработка (в том числе - лазерная абляция) и ионная литография, позволяющих формировать практически любую топологию МФЧ.
Лазерная абляция (ЛА) - совокупность физико-химических процессов, происходящих под воздействием лазерного излучения, результатом которых является удаление (унос) вещества с поверхности или объема твердого тела [140]. Локализация во времени и пространстве энергии с высокой плотности мощности излучения (1014—1026 Вт/см2) дает возможность реализовать различные механизмы энергетического воздействия на материал. При обработке миллисекундными или микросекундными лазерными импульсами имеет место механизм: нагрев-плавление-испарение материала, что
определяет образование зоны термического влияния (в зависимости от свойств материала ее размеры могут составлять до десятков микрометров). Метод позволяет изготовить микроструктуры (отверстия и каналы) размером 50-250 мкм при толщине материала до ~5 мм. Использование более коротких импульсов нано- и пикосекундной длительности приводит к другому