高聚物基连续流式PCR微流控芯片系统与应用技术研究

摘要

PCR(聚合酶链式反应)微流控芯片是一种单元反应界面为微米量级的微型化学反应系统，具有线性尺寸小、物理量梯度高、比表面积大和流动状态为低雷诺数层流等特点，可以实现柔性生产、规模放大，以及快速和高通量筛选等功能。PCR微流控芯片将PCR技术与微流控芯片技术有机地结合起来，实现了DNA的体外快速扩增，成为微机电系统(MEMS)技术发展的一个重要研究方向。与常规PCR热循环仪相比，PCR微流控芯片可以缩短反应时间，减少反应试剂消耗量，增强扩增特异性，而且便于与其他分析和检测设备进行集成。 为了开发一套实用的PCR微流控芯片系统，本论文对以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)为基底材料的连续流式PCR微流控芯片系统及其应用技术进行了研究。采用准分子激光和CO2激光直写刻蚀方法在PMMA材料基片表面加工微通道，通过对工艺参数进行分析与控制，分别加工出横截面形状为矩形、半圆形和高斯形的微通道，并利用热压键合方法制作出密闭的连续流式PCR微流控芯片。 采用准分子激光直写刻蚀方法加工微通道时，因为准分子激光具有脉冲输出特性，所以在微通道底部存在由于光斑叠加而形成的周期性刻蚀波纹；采用CO2激光直写刻蚀方法加工微通道时，由于在刻蚀过程中产生的熔融物质重新凝固后又附着在微通道壁上，所以会在微通道表面形成各种不规则的突起物。本论文利用准分子激光辐照的方法，对微通道表面进行抛光处理，提高了表面质量，使得流体能够在微通道中连续地流动，流动时没有气泡产生，显著提高了流动速度的稳定性。此外，准分子激光刻蚀与辐照方法还可以提高PMMA微通道与基片材料表面的亲水性，有利于其在PCR微流控芯片中的应用。 为了分析微通道形状与流体在其内部流动状态之间的关系，以及温度变化的影响，本论文基于计算流体力学方法，对流体通过具有不同形状横截面的微通道时的流动状态进行了数值模拟研究。由于微通道尺度小，流速较低，所以流体在微通道内的流动呈层流状态，流速分布不均匀，在微通道中心处的流速最大，这种现象有利于PCR混合液在流动过程中的扩散与混合；微通道横截面形状的不同会导致流体速度场中不同速度的相对分布比例不同；温度变化导致的流体粘度改变，对流体流动状态的影响可以忽略不计；而流体在微通道中的压力降随着流速的增加而增大，随着温度的升高而减小；流体在微通道内的压力降会受到微通道横截面形状的影响，当水力学直径相同时，使用具有较大横截面面积的微通道(高斯形)更有利于降低流动的摩擦阻力，减小压力降，增强流体的流动性和稳定性。 本论文对连续流式PCR微流控芯片系统的整体结构进行了改进与完善，设计了竖插式的进样接口，减少了接口处的死体积，减小了因通道尺寸变化造成的流速不稳定；采用新型接口密封形式提高了接口密封材料的使用寿命，延长了芯片的使用时间，稳定了实验条件；对温度控制系统进行参数优化，改善了芯片的温度分布特征，通过添加隔热挡板，增强了不同温区之间的隔热效果；搭建了一套适用于连续流式PCR微流控芯片的简易气动进样装置，该装置没有死体积，减少了样品用量，可以灵活控制PCR混合液在微通道中的流动速度，而且能够实现液滴式的多样品间断进样，有助于实现多样品的连续扩增。 最后，本论文利用经过改进后的PMMA基连续流式PCR微流控芯片系统对长度为400bp的DNA模板进行扩增实验，并对扩增参数进行了优化。在扩增时，PCR混合液中应添加一定浓度的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)溶液，对PMMA微通道表面进行动态钝化改性处理，以减少PCR混合液中聚合酶在微通道表面的吸附，从而确保扩增反应的顺利进行，但是在本论文中PVP溶液的浓度对钝化效果的影响并不显著；在进行PCR微流控芯片的微通道排布结构设计时，延长预变性通道以及增加变性通道和退火通道的长度，有利于DNA模板的充分变性和退火时引物与模板的完全复性，能够提高扩增效率；合理控制PCR混合液在微通道中的流动速度与温度循环次数，可以获得更好的扩增结果；由于高斯形横截面的微通道内流体速度场分布较差，造成PCR混合液在各阶段反应的时间存在微小差别，所以其扩增效果略差于微通道横截面为矩形和半圆形的PCR微流控芯片，但是扩增结果依然能够满足凝胶电泳的检测要求；使用准分子激光加工出的微通道，其表面的羧基基团数量在微通道刻蚀过程中可能有所增加，使得表面亲水性得到提高，因此与使用CO2激光直写刻蚀方法加工出的微通道相比，其表面更有利于减少对PCR混合液中聚合酶的吸附，从而获得更好的扩增效果。 连续流式PCR微流控芯片系统每次所需的PCR混合液最小用量约为8μL。利用多样品间断进样方法，能够实现多样品的连续扩增，扩增效率较高，结果稳定。该系统还对其它DNA模板(180bp的拟南芥DNA模板与990bp的假单胞菌种DNA模板)实现了扩增，进一步验证了该套系统的可行性与通用性。 本论文搭建了一套比较完整的连续流式PCR微流控芯片系统，并对其应用技术进行了研究。将廉价的高聚物材料与快速简便的激光微加工方法应用于PCR微流控芯片的制备，同样能够实现良好的扩增效果，而且能够显著降低实验室的研发成本。该套系统的使用，对于今后PCR微流控芯片的商品化应用与集成化研究有一定的指导和借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2微流控芯片

1.3 PCR微流控芯片

1.3.1 PCR技术的基本原理

1.3.2 PCR技术的特点与应用

1.3.3 PCR微流控芯片的研究意义与分类

1.4 PCR芯片材料

1.5高聚物基PCR微流控芯片加工方法

1.6 PCR微流控芯片研究现状

1.6.1静态微腔式PCR芯片研究现状

1.6.2动态连续流式PCR微流控芯片研究现状

1.7课题来源及主要研究内容

1.7.1课题来源

1.7.2主要研究内容

第2章 PMMA微通道的激光加工

2.1引言

2.2微通道的准分子激光直写刻蚀

2.2.1准分子激光刻蚀PMMA反应机理

2.2.2准分子激光直写刻蚀PMMA微通道工艺研究

2.3微通道的CO2激光直写刻蚀加工

2.3.1 CO2激光刻蚀PMMA反应机理与理论模型

2.3.2 CO2激光直写刻蚀PMMA微通道工艺研究

2.4 PCR微流控芯片的热压键合

2.5本章小结

第3章 微通道表面的激光抛光及亲水性研究

3.1引言

3.2准分子激光抛光机理

3.3准分子激光直写刻蚀微通道的准分子激光抛光

3.3.1实验条件与参数

3.3.2实验结果与分析

3.4 CO2激光直写刻蚀微通道的准分子激光抛光

3.4.1实验条件与参数

3.4.2实验结果与分析

3.5 PMMA微通道与基片材料的表面亲水性改进

3.5.1实验条件与参数

3.5.2实验结果与分析

3.6本章小结

第4章微通道内部流体流动状态数值模拟分析

4.1引言

4.2微通道与流体模型的建立和数值模拟条件

4.2.1微通道横截面尺寸的确定

4.2.2微通道与流体模型的建立

4.2.3数值模拟条件

4.3数值模拟结果与分析

4.3.1微通道出口速度场分布

4.3.2微通道内流体压力梯度

4.4本章小结

第5章PCR微流控芯片系统构建与完善

5.1引言

5.2芯片接口设计与密封形式

5.2.1侧插式进样接口

5.2.2竖插式进样接口

5.2.3芯片接口密封形式

5.3温度控制系统参数优化与芯片温度分布特征改善

5.3.1温度控制系统的建立与改善

5.3.2芯片温度分布特征改善

5.4 PCR微流控芯片简易气动进样装置设计与搭建

5.4.1进样装置结构与工作原理

5.4.2进样装置的工作性能

5.5本章小结

第6章PCR微流控芯片扩增与参数优化

6.1引言

6.2反应试剂与检测仪器

6.2.1反应试剂

6.2.2扩增产物检测方法与仪器

6.3 PCR微流控芯片扩增与参数优化

6.3.1微通道排布结构

6.3.2温度循环次数

6.3.3微通道表面钝化处理

6.3.4 PCR混合液流动速度

6.3.5微通道横截面形状及表面性质

6.3.6多样品连续扩增

6.4实验结果与分析

6.4.1微通道表面钝化对扩增结果的影响

6.4.2微通道排布结构对扩增结果的影响

6.4.3 PCR混合液流动速度对扩增结果的影响

6.4.4温度循环次数对扩增结果的影响

6.4.5微通道横截面形状与表面亲水性对扩增结果的影响

6.4.6多样品连续扩增效果

6.4.7 PCR微流控芯片系统最小用样量

6.5其它DNA模板扩增结果

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢