光流控芯片,即是可以在微纳米尺度下,利用光与流体以及流体中的物质的相互作用,实现对生化样本筛选和分析研究的片上实验系统。光与流体的相互作用以及光与流体中物质的相互作用都是光流控芯片研究的关键科学问题。其中,针对光与流体的相互作用,例如利用流体的渐变折射率分布或是阶跃折射率分布来操控光,使其发生聚焦,转角和分束等现象,如此实现片上微纳光学器件的开发与应用;再者针对光与流体中物质的相互作用,这些物质包括微纳米颗粒,细胞以及生物大分子等,例如利用光束的全内反射形成的具有高灵敏度和高信噪比的倏逝场来进行细胞分析等等。如此不仅扩大了光流控芯片的实用性,还为微纳尺度下的生化样品分析提供了更多的技术平台。相比传统技术手段,光流控芯片更加具有低损耗,快速,精准且高效的探测和分析的优势。近些年来,借助这些优势,针对生化样本(包括纳米颗粒和单细胞)的探测分析的光流控研究越来越多。其中,对于纳米颗粒,不仅仅包括合成的纳米颗粒也包括天然的生物纳米颗粒(如生物大分子,细菌,病毒和向光的细胞器等),在最近的几十年里不断地被作为研究对象来推进包括物理、化学、生物医学和材料学等科学在内的发展。再者单细胞作为另一重要的流体中可存在的物质,以及生物的基本组成单元之一。针对单细胞的分析的研究不仅能够在癌症分类、诊断和治疗中发挥重要的作用,也能够突出单细胞在生命活动中特异性质。最近,一系列基于光流控芯片的肿瘤单细胞分析和研究被报道出来,从而在理解癌症发生,进展,转移和耐药性方面取得了令人兴奋的进展。特别是在药物耐药性方面,各种技术手段都被用于到单细胞分析中。不同于临床试验,基于光流控芯片上的单细胞分析更具有时效性和针对性,所以在癌症特效药的研制中具有重要的地位。本文正是基于上述光流控芯片技术的优点,结合全内反射技术,以微流控控制系统和光流控芯片为操作平台,以流体以及流体中的物质如纳米颗粒和肿瘤单细胞为主要的研究对象,开展了相应的纳米颗粒识别探测和肿瘤单细胞分析的研究。本文的研究工作如下:1.基于Dean flow,为提高肿瘤单细胞在低倍镜下成像的效果,设计出了一个三维液液透镜的光流控芯片。利用对称的弧形微流管道来形成一个三维液液透镜。实验中,光流控芯片中的液液透镜的三维结构,形成条件和可行范围都被一一论证。同时,我们研究了在液液透镜下光路的聚焦情况,并探究了其相关光学特性。如此,在最优的条件下和在同等放大倍数下,我们还将此透镜与传统透镜进行了成像对比。2.基于全内反射技术,结合流式细胞仪的高通量优势,设计出一个光流控流式细胞仪并且应用到纳米颗粒的探测中,特别是对100nm以下的金纳米颗粒的识别和探测。我们利用两相流的理想天然平滑界面,为全内反射的形成提供物理条件。通过实验研究选取有效的液体材料用作探测环境,也研究了该液体在微流沟道中的三维分布情况,也通过实验验证了光学探测倏逝场的具体分布情况。在此之下,通过利用暗场下纳米颗粒的成像图、散射光谱来分辨和计数出50和100nm金颗粒和200nm的荧光聚苯乙烯微球。3.基于全内反射技术和药物浓度的对流扩散机理,设计出一个用于急性髓系白血病单细胞的关于壬二酸药物毒性的研究的光流控芯片。在此,通过模拟和实验,我们研究并确定出流体流动和药物扩散在光流控芯片中的基本趋势和分布情况。在明场下,探究了受药物作用的单细胞的形貌特征及其响应时间。在暗场下,利用全内反射荧光显微镜,实现了对药物浓度的监测,也同时实现了对单细胞活性的检测,从而得到急性髓系白血病细胞的抗药性响应。