仿生界面上液滴滑动行为的调控及其在生物传感领域的应用

论文摘要

仿生超浸润表面由于其独特的浸润性,具备自清洁、减阻、抗浸润、抗结冰、抗污、抗反射等性能,已被广泛用于现代医学、航天、工业、能源等领域。近年来,基于浸润性的生物传感,如蛋白质,核酸,细胞或小分子等的检测可用于重大疾病的诊断和治疗,生命毒性分子,生物战剂的即时监测等,展现了巨大的研究及应用价值受到人们的广泛关注。在该研究背景下,本论文构建了仿猪笼草捕食容器表面结构的仿生滑动界面,通过设计被排斥液滴的核酸序列,利用滚环等温扩增反应(Rolling Circle Amplication,RCA)制备生物靶标分子诱导的RCA液滴实现链增长,调节生物靶标分子诱导的RCA液滴,改变润滑油种类及基底形貌,实现链增长物与油凝胶润滑界面之间的界面作用力。研究靶标诱导RCA液滴在润滑界面上的运动行为的差异,实现基于滑动角(Sliding Angle,SA)的可视化即时检测(Point of Care Test,POCT)。主要工作如下:1.发展了一种液相调控液滴运动行为的手段。运用六种表征界面作用力的手段探索了液滴运动行为调控的机理;运用观察临界滑动角(Critical Sliding Angle,CSA)的方法检测了三种重大疾病生物标志物分子以及癌症病人细胞样本中的标志物。通过控制液相中DNA的链长改变其在以水为介导物的亲疏水基团的暴露程度,从而引起液滴与油膜之间作用力的变化,后测量液滴在油膜上的不同SA。通过界面作用力的六种表征手段首次证明短链DNA片段与油膜之间的作用力大于长链DNA与油膜之间的作用力。通过设计与重大疾病标志物(如助溶剂三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphates,ATP)、血栓标志物凝血酶以及癌症标志物microRNA)特异性结合的核酸序列,调节生成不同链长DNA。观察不同浓度标志物生成的不同链长RCA液滴的SA,实现对重大疾病标志物以及前列腺癌、乳腺癌临床病人细胞中病毒标志物的体外检测。该研究中的液相调控机理对调节液滴运动液相设计具有指导意义。设计不同标志物的RCA生物反应,以CSA为信号输出指标的可调控体系对可视化生物传感具有重要意义,对患有色盲或色弱疾病的人群,这种可视化检测意义更为重大。2.发展了一种温度调控的液相生物液滴运动行为调控策略。通过改变环境温度改变液相中DNA分子的构象,引起DNA亲疏水基团的暴露程度,实现液滴与油膜之间粘附力的改变,观察到液滴在油膜上呈现不同的SA。这种生物液滴的热响应运动行为调节规则为更高级的防污系统的设计提供新的思路,为生物芯片和微反应器装置中液体的可操纵性提供一个有前景的系统。3.发展了一种固相基底形貌和液相化学成分同时改变的双相结合的调控液滴滑动行为体系。运用两种理论模型对双调控体系CSA进行拟合,验证Dussan理论对CSA拟合的适用性。通过两种表征界面作用力的手段验证短碱基DNA与油膜具有较大的界面作用力。通过观察CSA,使用双调控体系检测助溶剂ATP、监控癌细胞生长速率和识别5种不同链长DNA。由于双调控体系对生物液滴临界滑动角具有大范围精准调控的特征,同时具有较低的检测限,因此对需要精确地双向控制液滴运动行为的液体定向运输、液体印刷、分离、微流控设备、生物传感器和相关研究具有重要意义。

论文目录

作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 仿生界面

1.1.1 生物启发的理念

1.1.2 仿生界面的定义

1.1.3 仿生界面的设计思想及制备方法

1.1.4 理论部分

1.2 液滴调控的常见方法

1.2.1 pH

1.2.2 温度

1.2.3 光

1.2.4 电

1.2.5 动态外应力

1.2.6 磁

1.3 液滴调控的应用范围

1.3.1 微流控

1.3.2 生物孔道

1.3.3 印刷行业

1.3.4 水收集

1.3.5 定向传输

1.3.6 生物传感

1.3.7 生物抗污

第二章仿生界面上不同链长DNA滑动行为的调控及其在生物传感领域的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 实验步骤及操作

2.3 结果与讨论

2.3.1 油凝胶润滑表面的制备原理及表征

2.3.2 检测原理

2.3.3 实验方案的优化及选择

2.3.4 DNA链长调节液滴滑动速度的机理研究

2.3.5 液滴的可调控性在生物传感领域的应用

2.3.6 油凝胶润滑界面的抗污性能

2.4 本章小结

第三章温度响应下不同链长DNA在仿生界面上滑动行为的调控

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 实验步骤

3.2.3 实验表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 生物液滴和润滑油灌注的光滑表面的设计

3.3.2 RCA液滴的热响应粘附力

3.3.3 影响界面粘附力的机理探究

3.3.4 液滴可调粘附力的重复性和特异性

3.4 结论

第四章各向异性仿生界面不同链长DNA滑动行为的调控及其在生物传感领域的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 微槽各向异性SLIPS制备步骤

4.2.3 生物液滴的制备方法

4.2.4 细胞培养和细胞裂解质液的制备

4.2.5 接触角、临界滑动角以及表面张力的测定

4.2.6 倒置荧光显微镜对界面的表征

4.2.7 激光共聚焦对界面的表征

4.2.8 琼脂糖电泳凝胶实验

4.2.9 数据分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 生物液滴在各向异性SLIPS表面的可调滑动行为

4.3.2 生物液滴与润滑油界面的分子作用力机理

4.3.3 各向异性SLIPS表面上生物液滴滑动行为的精准调控

4.3.4 各项异性PDMS SLIPS表面上含有ATP生物液滴的特异性及其摩擦力

4.3.5 利用两种模型对生物液滴的临界角滑动角的理论计算比较

4.3.6 应用

4.4 小结

第五章总结

5.1 主要结论

5.2 研究创新点

5.3 研究不足及展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王金花

导师: 夏帆

关键词: 仿生,液滴调控,生物传感,疏水基键合力,响应性

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 中国地质大学

分类号: Q811;TP212.3

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000094

总页数: 143

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