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摘 要

SERS技术与微流控技术相结合能够实现在微尺度、低试剂量损耗的情形下对一种或多种物质进行快速、灵敏的光学检测。利用这种新兴的技术能够在生物分子的检测上带来一种全新的免疫检测方式。本文围绕SERS微流控芯片如何进行生物分子的免疫检测展开了如下工作。首先，为实现SERS技术，金属纳米粒子不可或缺，实验的第一部分针对各种不同的金属纳米粒子进行了制备，包括银纳米粒子、金纳米粒子、金纳米棒以及金核-银壳纳米棒，利用紫外可见光消光谱以及TEM等对其进行了表征，为后续实验做准备。之后，围绕微流控芯片的制备、衬底的铺置以及SERS活性的检测展开了实验，利用不同浓度的4MBA对银衬底的微流芯片进行了SERS活性的检验。最后，进行了微流芯片内的三维培养，利用共焦荧光成像图探究了人脐静脉内皮细胞HUVEC出现血管出芽现象的原因，并证实了乳腺癌细胞MCF7的确能够促进HUVEC形成血管结构。随后利用之前制备的金属纳米粒子制备血管内皮生长因子（VEGF）的探针并测量了其检测限，达100pg/ml（换算为2.6pM）。利用这批探针检测了细胞培养液内的VEGF浓度差异，证明了比起HUVEC单独培养的培养液中，MCF7与HUVEC共培养的细胞培养液的VEGF浓度更高。

关键词：微流控，SERS，三位培养，免疫检测

ABSTRACT

The combination of SERS technology and microfluidic technology enables rapid and sensitive optical detection of one or more substances in the presence of micro-scale, low-loss reagents. Utilizing this emerging technology can bring a whole new way of immunodetection to the detection of biomolecules. This article focuses on how the SERS microfluidic chip performs immunodetection of biological molecules. Firstly, in order to realize the SERS technology, metal nanoparticles are indispensable. In the first part of the experiment, various metal nanoparticles were prepared, including silver nanoparticles, gold nanoparticles, gold nanorods, and gold core-silver shell nanorods. It was characterized by UV-Vis spectroscopy and TEM to prepare for subsequent experiments. Afterwards, experiments were carried out about the preparation of microfluidic chips, the deposition of substrates, and the detection of SERS activity. The SERS activity of silver microfluidic chips was tested using different concentrations of 4MBA. Finally, three-dimensional culture in microfluidic chip was performed and the cause of blood vessel sprouting in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) was explored using confocal fluorescence imaging. It was confirmed that breast cancer cells MCF7 indeed promoted the formation of vascular structures in HUVEC. Subsequently, using a previously prepared metal nanoparticle to prepare a vascular endothelial growth factor (VEGF) probe and measuring its detection limit, up to 100pg/ml. Using these probes, the difference in VEGF concentration in the cell culture fluid was examined, and it was confirmed that the VEGF concentration of the cell culture medium co-cultured with MCF7 and HUVEC was higher than that in the culture fluid cultured with HUVEC alone.

KEY WORDS: Microfluidic, SERS, three-dimensional culture, immunoassay

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 5

1.1 引言 5

1.2 表面增强拉曼散射(SERS)技术 5

1.2.1 拉曼散射 5

1.2.2 表面增强拉曼散射 6

1.2.3 表面增强拉曼散射（SERS）的机制 6

1.2.4 表面增强拉曼散射（SERS）的发展 6

1.3 微流控芯片 7

1.4 微流结合SERS的免疫检测 7

1.5 论文主要工作 7

第二章 金属纳米粒子的制备以及表征 8

2.1 引言 8

2.2 实验仪器 9

2.3 实验材料 9

2.4 实验部分 9

2.4.1 银胶的制备 9

2.4.2 金胶的制备 9

2.4.3 金棒的制备 9

2.4.4 金核银壳棒(Au@AgNR)的制备 10

2.5 实验结果与讨论 10

2.5.1 银纳米粒子的表征 10

2.5.2 金纳米粒子的表征 11

2.5.3 金纳米棒的表征 12

2.5.4 金核银壳纳米棒的表征 12

2.6 本章小结 13

第三章 PDMS微流SERS芯片的制备及SERS活性检验 14

3.1 引言 15

3.2 实验仪器 15

3.3 实验材料 15

3.4 实验部分 15

3.4.1 PDMS芯片的制备 15

3.4.2 玻璃片的清洗和表面修饰 15

3.4.3 银胶的制备 15

3.4.4 微流通道内Ag基底的制备 16

3.4.5 SERS检测 16

3.5 实验结果与讨论 16

3.6 本章小结 17

第四章 细胞的三维共培养以及生物分子的免疫检测 18

4.1 引言 18

4.2 实验仪器 18

4.3 实验材料 19

4.4 实验部分 20

4.4.1 PDMS芯片的制备 20

4.4.2 探针的制备 20

4.4.3 衬底的封闭性验证实验 21

4.4.4 探针的活性检测 21

4.4.5 三维培养 21

4.4.6 血管形成的共焦成像 22

4.4.7 细胞培养液中VEGF的检测 22

4.5 实验结果与讨论 22

4.5.1 血管形成荧光图像 22

4.5.2 探针的表征 26

4.5.3 衬底封闭性实验验证结果 27

4.5.4 探针的检测限结果 28

4.5.5 细胞培养液中VEGF检测结果 29

4.6 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

引言

在过去的二十年中，基于微流体系统的发展，从分子，细胞到小型多细胞生物的生物系统的探索已经爆炸式地发展。这种技术允许以不可能使用传统测试系统的方式来感测不断减少的样品体积和目标分析物浓度。这种技术还具有减小器件尺寸的益处，使得一系列基本特征能够伴随系统小型化。例如比起宏观技术检测，微流控系统有以下优点：减少试剂消耗量，由于快速混合而具有高时间分辨率，高通量检测，更少的浪费，降低成本等^[1]。它是一个强有力的工具，具有前所未有的性能，并且在化学和系统生物学^[2-4]，高通量生物筛选^[5]，细胞分析和临床诊断^[6]中已经找到独特的应用，以及用于生物医学和环境监测的及时诊断（POC）离子分析^[7]。

最近，生物分析和临床分析的重大发展主要是由对快速和可靠结果的强烈需求所驱动的，这对于早期诊断和进一步的医疗治疗是必不可少的。有关潜在药物靶点，疫苗研究和毒性物质形态的结果也必须具有最高的可靠性。在许多情况下，这些生物分析挑战可以通过使用专门设计和制造的称为实验室芯片系统或微型总分析系统（μTAS）的小型化工具来解决^[8]。技术的进步使得化学和生物过程可以集成到一个平台上。

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