1、單分子、單細胞是生物體系的最基本單位。分子之間的不同決定了其引發(fā)反應的不同，細胞之間的不同決定了生命活動的不同。因此，深入研究單分子和單細胞對人們探索生命活動本質是十分必要的。與傳統研究對象不同，單個分子、單個細胞的研究需要更加精準的研究平臺，從而避免大背景的干擾，提高信噪比。微流控芯片，是一種將常規(guī)反應小型化、集成化新型的技術。其具有反應迅速、反應體積小、信噪比高、通量高、結果精準、試劑節(jié)約等特點，這些優(yōu)點十分符合目前對單分子、單細胞

2、研究的要求。因此在近些年來，微流控芯片技術在單分子、單細胞分析領域得到廣泛的發(fā)展。
　　雖然微流控平臺在單分子、單細胞的研究領域內，已經展現了良好的應用價值和實用性，但是隨著對單分子、單細胞研究的深入，傳統微流控平臺的一些缺點逐漸顯現:昂貴的進樣系統、復雜的液滴生成操作、芯片內產物難以回收、死體積大、單細胞捕獲效率低等。這些問題一直限制著微流控芯片在單分子、單細胞的研究上得到更大的發(fā)展。針對上述問題，本論文嘗試解決困擾微流控平臺的

3、一些問題，論文內容主要分為以下三部分:
　　(1)單分子核酸擴增及其在數字化檢測和功能化產物分析中的應用
　　液滴微流控技術已經在單分子核酸擴增中顯示出強大的應用前景。液滴微流控芯片降低了單分子核酸擴增時的腔體體積、提高了反應腔體的通量，并且將數字化檢測成為可能。為了克服微流控技術一直存在的耗時長、兼容性差、易融合、產物回收難等問題，發(fā)展了一種高通量液滴生成微陣列芯片，用于實現芯片內的單分子核酸擴增，數字化檢測超低濃度核酸等

4、目的。利用該芯片，我們實現了對單分子克隆產物進行有效的回收、貯存和后續(xù)分析。我們使用單核酸擴增的方式，將單克隆產物直接與靶標結合，考察結合強度，從而直接得到結合力強的單克隆產物，大大簡化了傳統核酸適體篩選需要對分子庫測序及大量合成的不足。該單分子核酸擴增方法對功能化單克隆的產物分析、核酸測序和后續(xù)分析儀器兼容性方面也具有極大的應用價值。
　　(2)非泵型高通量液滴生成微流控芯片
　　傳統微流控液滴生成方式已經成功在單分子、單

5、細胞研究上取得一定的成果，然而傳統的液滴生成方式，往往依賴于進樣泵對芯片內流體進行精密地控制。這增加了液滴的生成成本和復雜程度，限制了液滴在多種生物分析領域的應用。如何克服液滴生成過程中對儀器的依賴，簡化液滴生成操作，成為擴大其應用范圍的關鍵。為此，我們開發(fā)兩種非泵型微流控芯片，只需簡單操作即可形成高通量的液滴的芯片，其分別采用離心式和按壓式進行液滴生成。離心式液滴生成芯片，使用離心力控制流體間壓力，通過油水界面處的特殊結構，利用表面張

6、力生成液滴。該方法生成簡便，液滴直徑均一可控，液相無死體積殘留。這些優(yōu)點克服了傳統液滴生成方式的一些弊端，為后續(xù)將該方法應用在單細胞測序等領域提供了一定基礎。按壓式瓊脂糖液滴生成方式，通過將液態(tài)瓊脂糖按壓入預制的PDMS陣列芯片內，我們可以高通量地生成直徑均一可控的液滴。而且液滴固定在PDMS陣列中，解決了傳統液滴隨油相飄動難以長期對特定液滴觀察的缺點。此外，利用瓊脂糖固-液轉換的特點，瓊脂糖液滴可轉化為瓊脂糖微球，從而實現單一微球的回

7、收與樣品的進一步分析的目的。
　　(3)基于流體力學設計的單細胞高效捕獲微流控芯片
　　單細胞做為人們研究的熱點，其分離與捕獲一直是人們所急需解決的問題。由于單細胞體積小，形狀不規(guī)則性，如何高效地分離并捕獲單細胞成為一項艱巨的任務。針對這一問題，作者設計一款用于高效單細胞捕獲的芯片。該芯片使用簡便，單細胞捕獲捕獲效率高、捕獲速度快?；诹黧w力學計算優(yōu)化的芯片結構，細胞捕獲效率可以高達91％，單細胞捕獲效率高于70％，該方法克