3d打印微流芯片进行atp生物发光检测【字数：10691】
生物发光已广泛用于重要的生物传感应用，如测量三磷酸腺苷（ATP）、生物系统中的能量单位和重要过程指标。目前的检测技术主要基于大型器械等设备，其工作耗时长，结果滞后，因此一种小型化的生物发光传感系统是非常需要的。此系统通过集成形成一微流芯片，此芯片低成本、一次性使用且可以灵敏地传感连续监测ATP，可以用于处理生物样品。在这里，设计制造和测试3D打印的微流体芯片与硅光电倍增管（SiPMs）相结合，实现敏感的实时ATP检测。 3D微流控芯片可减少反应物的消耗并促进靠近硅光电倍增管的溶液输送，以提高检测效率。我们的系统检测ATP的检测限（LoD）为8 nM，分析动态范围为15nM和1μM，稳定性误差为10％，再现性误差低于20％。 我们演示了在连续流动系统中ATP的动态监测，表现出快速响应~4s时间，并在17s内完全恢复到基线水平。
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 ATP生物发光检测国内外应用背景 1
1.1.2 当前ATP生物发光检测仪器介绍 1
1.1.3 研究意义 2
1.2 ATP生物发光技术简介 2
1.3 器材介绍 2
1.3.1 硅光电倍增管（SiPM） 2
1.3.2 Objet 30型的3D打印机和DLP打印机 3
2. 微流体与硅光电倍增管集成在一起小型化芯片设计方案 5
2.1 设计介绍 5
2.2 设计方案 6
2.2.1方案介绍 6
2.3 方案选择 8
3. 3D打印ATP生物发光检测微流芯片 10
3.1 SolidWorks软件简介 10
3.1.1 装配设计 10
3.1.2 工程视图 10
3.1.3 模型参数 10
3.1.4 Solidworks绘图 11
3.2 3D打印机打印实物 12
3.2.1 操作概述 12
3.2.2 3D打印价格 14
3.2.3打印后实物处理及优点 15
4. 制备检测材料和确定检测标准 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.1 标准制备（Standard preparation ）和ATP生物发光测量 16
4.1.1 ATP生物发光检测 16
4.2 细胞裂解物样品的制备和实际样品测量 16
4.3 光学测试标准 17
5. 微流芯片测试 18
5.1 静态性能 18
5.2动态性能 19
6. 结语 22
文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 ATP生物发光检测国内外应用背景
ATP生物发光在环境保护上的应用。列如：湖水环境对生态好坏检测主要采用化学化验各种元素的量来判断水质的好坏。其成本高，效率低下。
ATP生物发光检测在医学中的应用。列如：药敏试验实现单独化治疗和评价药物的疗效；对药物进行筛选和药效测评由于ATP生物发光简单，快速，灵敏等特点，因此被广泛用于筛选需要大量快速初选的新药；检测细胞免疫活性ATP生物发光法也可用于测定T细胞的免疫活性和细菌总数。
图1.1 检测仪原理图
1.1.2 当前ATP生物发光检测仪器介绍
ATP生物发光检测仪器分为三部分：自动进样单元、光电转换单元和信号采集、处理和控制单元。在这其中，自动进样单元中有三个不同的动力泵如图1.1。根据检测需要，动力泵向光电转换单元输入样液，并加入对应的荧光酶试剂。光电转换模块中有检测样品的容器也称为反应室和光电转换器件。因有自然光的干扰会使结果产生误差，所以要一个密封盒把反应室密封在盒子中，光电转换是PN结在接受反应放出荧光后产生电子，经由光电倍增管放大转换成电信号，经过一系列处理显示出所测得的数据。
1.1.3 研究意义
由上面几个小结可得知，目前的检测技术主要基于大型阅读器和成像系统等设备需要密集和耗时程序如1.1.1小结。而在1.1.2小结介绍了ATP检测仪器得知仪器相当巨大，无法携带。因此一种小型化的生物发光传感系统，可以灵敏地传感通过集成的低成本一次性微流体室连续监测ATP用于处理生物样品是非常需要的。
1.2 ATP生物发光技术简介
用于执行生物测试或环境监测的可用平台是昂贵，巨大，以高功耗为特征。对分散监测（例如工作或自然环境）的需求的日益增长推动科学界开发小型化平台，促进生产便宜且易于使用的系统。需要微生物含量或细胞的实例测量包括临床分析，细菌污染水平的测定，检测饮用水污染，食品安全和公共卫生。活体生物可以通过多种方法检测，活细胞的生物发光检测利用酶与荧光素酶催化的荧光素反应，产生中间复合物，与氧结合产生氧化荧光素和560nm处的光子。完整的反应是：
（1）
ATP生物发光分析是测量活细胞数量的可靠技术或生物分子在样品中并且是广泛的用来表示微生物污染。ATP生物发光法的检测步骤大体包括：取样、样品ATP萃取、添加荧光素荧光素酶、测定生物发光量、求出ATP浓度和活菌数。通常，样品未经处理是不能测定ATP的。测定时需先将样品与ATP提取剂混合，使细胞膜和细胞壁溶解，释放出ATP。ATP提取剂是以表面活性剂为基质的专用试剂。然后，提取出的ATP再与荧光素荧光素酶生物发光剂作用，用发光检测仪测定ATP与发光剂反应的生物发光量。通过预先测定的ATP标准曲线，得出活菌的总ATP量，即可得出细菌总数。
1.3 器材介绍
1.3.1 硅光电倍增管（SiPM）
硅光电倍增管，由卡塔尼亚STMicroelectronics的研发传感器团队开发。 它包含25个像素，其中每个像素都是以Geiger模式工作的单光子雪崩二极管（SPAD）。 每由于挖掘的存在，像素在光学和电学上与其他像素绝缘在它们周围制造，并用氧化物或金属（光学沟槽）填充。该用于该应用的SiPM表现出0.4×0.4mm 的物理尺寸、频率（DC）7.9?104 Hz和串扰概率为0.03。 它工作在低工作电压（30V），高速（~150ps），高增益（?1.5×106），简单的输出电子器件和高灵敏度（~76±2 nA）。发出的荧光需要使用硅光电倍增管（SiPM）检测发射的光。存在的每个SPAD的电阻（几百kΩ）允许单个像素作为一个像素工作独立光
子计数器，因为它关闭了SPAD（数字操作模式）内产生电子空穴对触发的雪崩。目前产生的由于每个像素中产生的电荷量，因此与点亮像素的数量成比例在雪崩事件期间是相同的。使输出信号是电流水平这可以很容易地在线操作和可视化。
图1.2 Objet 30型
目录
1. 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 ATP生物发光检测国内外应用背景 1
1.1.2 当前ATP生物发光检测仪器介绍 1
1.1.3 研究意义 2
1.2 ATP生物发光技术简介 2
1.3 器材介绍 2
1.3.1 硅光电倍增管（SiPM） 2
1.3.2 Objet 30型的3D打印机和DLP打印机 3
2. 微流体与硅光电倍增管集成在一起小型化芯片设计方案 5
2.1 设计介绍 5
2.2 设计方案 6
2.2.1方案介绍 6
2.3 方案选择 8
3. 3D打印ATP生物发光检测微流芯片 10
3.1 SolidWorks软件简介 10
3.1.1 装配设计 10
3.1.2 工程视图 10
3.1.3 模型参数 10
3.1.4 Solidworks绘图 11
3.2 3D打印机打印实物 12
3.2.1 操作概述 12
3.2.2 3D打印价格 14
3.2.3打印后实物处理及优点 15
4. 制备检测材料和确定检测标准 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.1 标准制备（Standard preparation ）和ATP生物发光测量 16
4.1.1 ATP生物发光检测 16
4.2 细胞裂解物样品的制备和实际样品测量 16
4.3 光学测试标准 17
5. 微流芯片测试 18
5.1 静态性能 18
5.2动态性能 19
6. 结语 22
文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 ATP生物发光检测国内外应用背景
ATP生物发光在环境保护上的应用。列如：湖水环境对生态好坏检测主要采用化学化验各种元素的量来判断水质的好坏。其成本高，效率低下。
ATP生物发光检测在医学中的应用。列如：药敏试验实现单独化治疗和评价药物的疗效；对药物进行筛选和药效测评由于ATP生物发光简单，快速，灵敏等特点，因此被广泛用于筛选需要大量快速初选的新药；检测细胞免疫活性ATP生物发光法也可用于测定T细胞的免疫活性和细菌总数。
图1.1 检测仪原理图
1.1.2 当前ATP生物发光检测仪器介绍
ATP生物发光检测仪器分为三部分：自动进样单元、光电转换单元和信号采集、处理和控制单元。在这其中，自动进样单元中有三个不同的动力泵如图1.1。根据检测需要，动力泵向光电转换单元输入样液，并加入对应的荧光酶试剂。光电转换模块中有检测样品的容器也称为反应室和光电转换器件。因有自然光的干扰会使结果产生误差，所以要一个密封盒把反应室密封在盒子中，光电转换是PN结在接受反应放出荧光后产生电子，经由光电倍增管放大转换成电信号，经过一系列处理显示出所测得的数据。
1.1.3 研究意义
由上面几个小结可得知，目前的检测技术主要基于大型阅读器和成像系统等设备需要密集和耗时程序如1.1.1小结。而在1.1.2小结介绍了ATP检测仪器得知仪器相当巨大，无法携带。因此一种小型化的生物发光传感系统，可以灵敏地传感通过集成的低成本一次性微流体室连续监测ATP用于处理生物样品是非常需要的。
1.2 ATP生物发光技术简介
用于执行生物测试或环境监测的可用平台是昂贵，巨大，以高功耗为特征。对分散监测（例如工作或自然环境）的需求的日益增长推动科学界开发小型化平台，促进生产便宜且易于使用的系统。需要微生物含量或细胞的实例测量包括临床分析，细菌污染水平的测定，检测饮用水污染，食品安全和公共卫生。活体生物可以通过多种方法检测，活细胞的生物发光检测利用酶与荧光素酶催化的荧光素反应，产生中间复合物，与氧结合产生氧化荧光素和560nm处的光子。完整的反应是：
（1）
ATP生物发光分析是测量活细胞数量的可靠技术或生物分子在样品中并且是广泛的用来表示微生物污染。ATP生物发光法的检测步骤大体包括：取样、样品ATP萃取、添加荧光素荧光素酶、测定生物发光量、求出ATP浓度和活菌数。通常，样品未经处理是不能测定ATP的。测定时需先将样品与ATP提取剂混合，使细胞膜和细胞壁溶解，释放出ATP。ATP提取剂是以表面活性剂为基质的专用试剂。然后，提取出的ATP再与荧光素荧光素酶生物发光剂作用，用发光检测仪测定ATP与发光剂反应的生物发光量。通过预先测定的ATP标准曲线，得出活菌的总ATP量，即可得出细菌总数。
1.3 器材介绍
1.3.1 硅光电倍增管（SiPM）
硅光电倍增管，由卡塔尼亚STMicroelectronics的研发传感器团队开发。 它包含25个像素，其中每个像素都是以Geiger模式工作的单光子雪崩二极管（SPAD）。 每由于挖掘的存在，像素在光学和电学上与其他像素绝缘在它们周围制造，并用氧化物或金属（光学沟槽）填充。该用于该应用的SiPM表现出0.4×0.4mm 的物理尺寸、频率（DC）7.9?104 Hz和串扰概率为0.03。 它工作在低工作电压（30V），高速（~150ps），高增益（?1.5×106），简单的输出电子器件和高灵敏度（~76±2 nA）。发出的荧光需要使用硅光电倍增管（SiPM）检测发射的光。存在的每个SPAD的电阻（几百kΩ）允许单个像素作为一个像素工作独立光
子计数器，因为它关闭了SPAD（数字操作模式）内产生电子空穴对触发的雪崩。目前产生的由于每个像素中产生的电荷量，因此与点亮像素的数量成比例在雪崩事件期间是相同的。使输出信号是电流水平这可以很容易地在线操作和可视化。
图1.2 Objet 30型
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/54.html
