2023年全國(guó)碩士研究生考試考研英語(yǔ)一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁(yè)
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1、微流控電泳芯片是微全分析系統(tǒng)的重要組成部分,它以高效、快速、樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn),在DNA測(cè)序、氨基酸分離、藥物篩選等方面得到了廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為當(dāng)前生物科學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域的重要研究平臺(tái)。但是,傳統(tǒng)微流控電泳芯片需要幾百伏甚至數(shù)千伏的電壓完成樣品的進(jìn)樣和分離,不僅存在安全隱患,而且通常高壓電源體積較大,不利于系統(tǒng)的微型化和集成化。針對(duì)上述問(wèn)題,有學(xué)者提出低電壓電泳芯片的設(shè)想,但目前它還處于初級(jí)研究階段,需要完成以下關(guān)鍵技術(shù)才能使芯片系統(tǒng)得

2、到更好的應(yīng)用。包括解決陣列電極直接與樣品溶液接觸產(chǎn)生氣泡影響樣品遷移問(wèn)題,芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),芯片制作的最佳工藝,芯片簡(jiǎn)易低成本的親水改性方法,小型化控制系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)的研制等。為此,本文針對(duì)低電壓電泳芯片系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。
  低電壓電泳芯片和傳統(tǒng)電泳芯片的工作原理相似,都以電泳技術(shù)為基礎(chǔ),區(qū)別在于具體的控制方式有所不同。依據(jù)傳統(tǒng)電泳芯片驅(qū)動(dòng)原理,分析了低電壓電泳芯片的驅(qū)動(dòng)原理,設(shè)計(jì)了十字形和螺旋形通道的兩種低電壓電泳芯片

3、,并使用ANSOFT有限元軟件對(duì)芯片進(jìn)樣和分離過(guò)程的電勢(shì)、電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了低電壓驅(qū)動(dòng)方式的可行性。分析了低電壓電泳芯片通道深度、電極寬度、電極間距、絕緣材料及薄膜厚度等參數(shù)對(duì)通道內(nèi)電場(chǎng)分布的影響,得出了芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。
  根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作出低電壓電泳芯片,使用磁控濺射法制作了鉑金屬陣列電極基片,利用濕法腐蝕工藝制作了玻璃蓋片。分別選取硅和SU-8兩種材料利用模具復(fù)制法制作了PDMS蓋片,SU-8以其加工周期短、圖形

4、復(fù)制準(zhǔn)確、微結(jié)構(gòu)邊緣陡直等優(yōu)點(diǎn),成為制作PDMS模具的最佳選擇。
  為了解決嚴(yán)重制約低電壓電泳芯片實(shí)際應(yīng)用的氣泡問(wèn)題,采用在陣列電極表面制作絕緣薄膜的方案,開展了二氧化硅和PDMS兩種絕緣薄膜的制備研究。使用電子束蒸發(fā)方法制作了二氧化硅絕緣膜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在基片溫度300℃條件下生長(zhǎng)的4μm二氧化硅薄膜,可以承受500KV/cm場(chǎng)強(qiáng),耐壓200V,能夠滿足低電壓電泳芯片應(yīng)用的需要。采用旋涂法制作了PDMS絕緣薄膜,測(cè)試結(jié)果表明

5、,厚度為4μm的PDMS可以承受560KV/cm的場(chǎng)強(qiáng),耐壓220V。從電絕緣特性可以看出,兩種絕緣膜都適用于低電壓電泳芯片的制作,但是PDMS絕緣膜與二氧化硅薄膜相比,具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn),因此芯片最終選用PDMS絕緣膜進(jìn)行制作。
  直接固化的PDMS蓋片和絕緣薄膜因材料的固有特性,表面能比較低,呈疏水性,不利于生物樣品在通道內(nèi)的移動(dòng),需要對(duì)PDMS表面進(jìn)行親水改性。實(shí)驗(yàn)采用臭氧紫外法對(duì)PDMS表面進(jìn)行改性,并與無(wú)臭氧

6、紫外方法的處理效果進(jìn)行了對(duì)比,使用多種表征方法分析了改性機(jī)理。在相同的處理時(shí)間內(nèi),經(jīng)臭氧紫外處理的PDMS表面水接觸角更小,親水性明顯增強(qiáng)。紅外光譜測(cè)試表明,臭氧紫外改性后的PDMS表面各種官能團(tuán)變化較大,其中-CH3疏水基團(tuán)隨著處理時(shí)間的增加大幅減少,Si-OH和-OH兩種親水基團(tuán)大量增加,并出現(xiàn)了二氧化硅的典型紅外光譜峰。使用X射線衍射、掃描電鏡與能譜測(cè)試的結(jié)果證明,PDMS表面改性后生成了類玻璃態(tài)二氧化硅物質(zhì),親水基團(tuán)的增多和二氧

7、化硅物質(zhì)的生成是PDMS表面親水性顯著增強(qiáng)的主要原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,臭氧紫外處理方法是一種操作簡(jiǎn)單、低成本的PDMS親水改性手段。
  設(shè)計(jì)并制作了低電壓電泳芯片的電極控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32芯片為主控制器,結(jié)合驅(qū)動(dòng)芯片、陣列光耦、放大濾波電路、D/A及A/D電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片陣列電極電壓幅值、進(jìn)樣時(shí)間、電極切換的精確控制。研究并設(shè)計(jì)了以FPGA芯片為核心,包括激光器、CCD傳感器、預(yù)處理電路的熒光檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序

8、,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低電壓電泳芯片樣品檢測(cè)和電泳譜圖實(shí)時(shí)顯示的功能。
  利用低電壓電泳芯片、電極控制系統(tǒng)和熒光檢測(cè)系統(tǒng),組建了低電壓電泳芯片分析系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)進(jìn)行了兩種絕緣薄膜消除氣泡效果的測(cè)試,選用羅丹明6G和羅丹明B溶液為樣品,在十字形和螺旋形通道的低電壓電泳芯片上分別進(jìn)行了電泳分離實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明,二氧化硅和PDMS絕緣薄膜在樣品電泳過(guò)程中完全抑制了通道內(nèi)氣泡的產(chǎn)生,兩種低電壓電泳芯片都可以在90V電壓作用下實(shí)現(xiàn)樣品的電泳分

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