摘要
介电润湿(Electrowetting-on-dielectric，EWOD)效应作为一种微流体现象已经被广泛应用于数字微流控（Digitalmicrofluidic，DMF）系统中。基于EWOD效应的数字微流控技术是一种新型的离散液滴操控技术，该技术可以处理平面电极阵列上皮升至微升体积的微液滴，实现液滴生成、合并、混合、分裂等一系列流体操作。研究EWOD效应液滴驱动的物理机制是揭示数字微流控液体处理的理论基础，也是实现各种生化应用的前提。免疫传感是一种特异性强、灵敏度高且操作简便的分析工具，当光学、电学等免疫传感方法与数字微流控系统结合时会表现出独特的优势。例如，处理小体积的试剂液滴不仅可以降低试剂成本，还能有效减少分子扩散时间，提高实验效率和检测通量。另外，全自动液滴处理能力可以有效降低样本处理流程的复杂度，提高自动化程度及样本处理精度。因此，本论文通过探究EWOD效应液滴操控的物理机制，分别构建了基于数字微流控技术的化学发光和电化学免疫传感检测方法，实现了对特定蛋白分子的特异性免疫检测。 一、在本论文中，我们首先概述了介电润湿效应，并总结了基于EWOD效应的数字微流控技术的国内外发展现状。然后，对数字微流控技术、免疫传感技术和基于数字微流控技术的生物传感检测进行了综述。分析并总结了数字微流控技术在免疫传感中的优势和意义。 二、开展了基于EWOD效应的微滴操控机理和微滴动力学的研究，首先，从液滴的表面张力出发，讨论了杨氏方程的起源。基于经典热力学理论模型，结合Young-Lippmann方程分别对电润湿和介电润湿进行理论分析。其次，从热力学和静电学两方面讨论了液滴模型移动所受的EWOD力，并分析了影响EWOD力的因素。当液滴受EWOD力移动时，研究了液滴的接触角滞后效应及其形成原因。最后，针对EWOD中的影响液滴移动速度和液滴分裂的物理参数进行了理论探究。 三、开展了EWOD中电极结构对液滴操控影响的研究。首先，基于双板封闭式数字微流控芯片建立了方形和六边形电极结构有限元仿真模型，通过“相场法”和“蠕动流法”对芯片中的液滴操控进行了理论模拟分析。其次，基于理论模型的电极结构制备了数字微流控芯片，开展了电压对生成液滴体积影响的实验。最后，结合理论模拟和实验结果，讨论了方形和六边形电极结构对液滴分裂、生成和移动的影响，最终证明了六边形电极比方形电极具有更快的液滴分裂速度和更稳定的液滴生成优势。 四、在数字微流控芯片上提出了一种“双向液滴分裂”的液滴生成方法，该方法可以将一个大液滴分裂生成三个小液滴，并在不改变芯片几何尺寸的情况下分裂出“高纵横比”的小液滴。结合该液滴生成方法的优势，设计并集成了磁吸模块、光学检测模块、三轴控制模块以及液滴驱动硬件电路系统，构建了一个基于数字微流控的磁微粒化学发光免疫检测平台。该平台具备高效的免疫磁珠洗涤效率，最终，实现了针对五组B型利钠肽样本的并行免疫检测，证明了该平台具备提高检测通量和加快生化样本分析的能力。 五、基于数字微流控技术强大的液体处理能力和电化学免疫检测灵敏且便携的优势，将两项技术进行有机结合，开展了基于数字微流控的电化学阻抗免疫传感研究。我们首先利用激光直写技术快速便捷的制备了金电极，并进行了电阻抗免疫传感的可行性验证实验。通过有限元分析和离子溶液浓度阻抗测量对电极性能进行了表征分析，并对金电极表面进行生物功能化，实现了对免疫球蛋白G（IgG）的电阻抗免疫检测，验证了所制备的金电极和电极修饰方法用于免疫检测的功能性和可行性。然后，根据可行性实验结果并结合数字微流控芯片电极结构，优化免疫传感电极设计，在数字微流控芯片顶板上制备了“阵列式”叉指金电极，通过有限元分析和片上样本稀释操作分别验证电极传感性能和液滴操控能力。最终，在数字微流控芯片上实现了低浓度IgG的电阻抗免疫检测。
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