集成微流PCR聚合物芯片的研究

摘要

20世纪90年代初由瑞上的Manz和Widmer提出的以微机电系统(mlcro-electromechanicalsystems,MEMS)技术为基础的“微型全分析系统”(mniaturized total analysis systems,μTAS)引发了新一轮的研究热潮。uTAS的H的是通过对生物化学分析设备的微型化和集成化,最大限度地实现常规生物化学分析设备的功能,甚至实现整个分析实验室的功能。微流控芯片(microfluidicchips)是μTAS当前最活跃的领域和发展前沿,它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。将生物化学分析系统缩微成单独一个完整的微芯片,小仪仪是分析系统尺寸的变化,而且在分析性能上也带来了巨人的提升。 木研究的目的是利用先进的MEMS技术,发展一种单片微型结构的高效廉价的集成微流控PCR(polymerase chain reaction)芯片,并且可以与一些样木的操作过程进行集成,从而能够进行快速、自动、封闭的生物化学分析。 论文的主要研究内容和成果如下: 1.本文对在微芯片上实现PCR反应作了研究,综合国内外的研究成果,设计了一种结构简单、易于实现的集成聚合物PCR芯片,同时在片上集成了微泵、微阀、微混合结构、微加热器和温度传感器、微反应腔等功能单元,以实现快速、自动、封闭的PCR反应。 2.对PCR的原理进行了研究,用,一维传热理论对PcR芯片的温度梯度及瞬态热反应进行了计算。采用有限元软件Cosmos进行了PCR芯片的三维温度场模拟。 3.开发出一种高效、低成本、易于集成的微加工工艺.芯片采用玻璃一PDMS两层混合结构,通过软刻蚀法加工包含微腔和微管道结构的下层PDMS基底:采用Lifl-Off工艺在玻璃基片加工出加热电极及传感电极,并在基片上钻出进样孔与提样孔；最后通过紫外光照射封装的方法将PDMS基底与玻璃基片封装成为闭合的集成聚合物PCR芯片。 4.微流控芯片驱动与控制单元的研究.采用一种简单的化学反J啦产生气体做驱动动力.通过对各种微阀的比较,确定了一种结构简单、易于集成的微毛细管阀.通过固、液、气界面处的表面自由能分析,得出材料表面特性、阀尺寸结构与微阀背压的关系。通过微泉与微阀的配合实现一种溶液定量的方法。 5.研制了集成PCR芯片的控制器。利用虚拟仪器技术搭建出整个芯片的控制平台,大大节省了开发时间。平台包括软件和硬件部分。硬件部分包括数据采集卡、信号放人电路、电源、驱动电路、PC机和风扇6个部分。在利用增量型PID控制的基础上,提出了增量型伪秋分饱和状态下参数微分化的错位控制PID算法,为了达到更好的PCR温度控制效果,进一步设计了新型的模糊逻辑结合PID的算法。 6.进行了集成PCR芯片总体测试与PCR生物试验。验证了芯片驱动、控制样本流动的功能,对集成PCR芯片进行了实际PCR生物试验,通过优化温度与时间等参数,成功地扩增出目标DNA。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2μTAS 的发展

1.3微流控芯片的发展

1.4微流控芯片加工技术的发展

1.5本论文的研究意义及主要研究内容

1.6本章小结

第二章芯片PCR反应的研究

2.1引言

2.2 PCR技术的基本原理

2.3 PCR芯片结构设计

2.4一维热传导理论研究PCR芯片的传热过程

2.5 PCR芯片三维温度场有限元分析

2.6本章小结

第三章集成PCR聚合物芯片总体设计

3.1引言

3.2芯片微流驱动单元设计

3.3 芯片微阀单元设计

3.4芯片微混合单元设计

3.5 芯片PCR反应单元设计

3.6芯片的控制单元设计

3.7芯片总体布局设计

3.8本章小结

第四章集成PCR聚合物芯片的制作工艺

4.1引言

4.2掩模版的制作

4.3软光刻法制作PCR聚合物芯片的PDMS基底

4.4微加热子和测温传感器的制作

4.5 PDMS-玻璃微流控芯片封装

4.6集成PCR聚合物芯片显微照片

4.7本章小结

第五章集成PCR聚合物芯片微泵与微阀的研究

5.1微氧气泵

5.2微毛细管阀

5.3 PCR聚合物芯片溶液定量操纵原理

5.4集成PCR芯片微泵与微阀试验研究

5.5本章小结

第六章集成PCR聚合物芯片的控制系统研究

6.1集成芯片控制系统简介

6.2硬件控制系统设计与实现

6.3控温系统算法理论研究

6.4 PCR温度控制系统软件设计

6.5本章小结

第七章集成PCR聚合物芯片性能测试

7.1试验装置组成

7.2集成PCR芯片驱动、混合及控制测试

7.3集成PCR芯片稳态温度性能测试

7.4集成PCR芯片瞬态温度性能测试

7.5集成PCR芯片控温测试

7.6生物实验、结果及其分析

7.7本章小结

第八章全文总结与展望

8.1论文研究工作总结

8.2本文创新点小结

8.3未来工作展望

攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

参考文献

致谢