無(wú)傳感器PCR芯片陣列的測(cè)量與控制技術(shù)研究.pdf

1、本文在測(cè)控技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域展開研究，旨在通過(guò)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新，獲得一種在生命科學(xué)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值的新型設(shè)備，某些研究結(jié)果也有可能推廣為相關(guān)領(lǐng)域的共性技術(shù)。 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chmn Reaction，PCR)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。本課題提出并研究一種新型的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)設(shè)備，使用與微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electromechanical Systems，MEMS)技術(shù)密切相

2、關(guān)的PCR芯片容納PCR反應(yīng)體系，充分利用PCR芯片熱容量小、比表面積大、節(jié)省珍貴樣品的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)現(xiàn)有設(shè)備而言具有新穎性、先進(jìn)性、實(shí)用性。 研究目標(biāo)是如何在目前實(shí)用技術(shù)條件下降低微反應(yīng)槽PCR芯片成本、提高芯片的可靠性、實(shí)現(xiàn)多芯片并行工作。研究路線是省略原本集成在芯片內(nèi)部的微傳感器、微加熱器，通過(guò)簡(jiǎn)化芯片的微結(jié)構(gòu)、微加工工藝、微加工設(shè)備，形成低成本PCR芯片；通過(guò)芯片外部測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部反應(yīng)體系溫度的隨動(dòng)控制。研

3、究的側(cè)重點(diǎn)從MEMS器件的微細(xì)加工問(wèn)題轉(zhuǎn)換為MEMS器件的測(cè)量與控制問(wèn)題，發(fā)揮了控制類學(xué)科的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，微細(xì)加工能力與水平不足是目前國(guó)內(nèi)有關(guān)企業(yè)的現(xiàn)狀，避開復(fù)雜的微加工工藝、微加工設(shè)備，有利于研究成果被企業(yè)接受，從而盡快走出實(shí)驗(yàn)室、走向市場(chǎng)。 測(cè)量、建模、控制問(wèn)題與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微加工工藝、微尺度效應(yīng)一樣，屬M(fèi)EMS的基礎(chǔ)性問(wèn)題。本文所述測(cè)控系統(tǒng)可提供一個(gè)研究MEMS測(cè)控問(wèn)題的基本平臺(tái)，有關(guān)PCR芯片測(cè)量、建模、控制的某些研究結(jié)

4、果，也可向一般MEMS器件推廣。 分別以硅和聚合物為基本材料設(shè)計(jì)了兩種類型、各具特色的無(wú)傳感器低成本PCR芯片：首次提出并研究了PCR芯片系列化設(shè)計(jì)問(wèn)題，認(rèn)為可采用R5/2派生數(shù)系并增加1.6μL規(guī)格作為微槽容積標(biāo)稱值，制作了芯片試驗(yàn)件；針對(duì)所設(shè)計(jì)的無(wú)傳感器PCR芯片，提出了一種測(cè)量與控制新方法，它是本文原始創(chuàng)新點(diǎn)之一。該方法將宏觀集中控制與微觀分散控制有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)Χ嘀恍酒纬傻男酒嚵型瑫r(shí)進(jìn)行溫度循環(huán)控制。簡(jiǎn)述該方法如下

5、：芯片以陣列形式放置在特制快速換熱器的上表面，集中控制裝置以水為傳熱媒質(zhì)通過(guò)換熱器提供芯片所需的大致溫度。利用銅箔具有阻值且其電阻率與溫度有確切對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理，在柔性印刷電路板上制作與芯片陣列對(duì)應(yīng)的微型傳感器及加熱器陣列，針對(duì)各芯片進(jìn)行分散的溫度補(bǔ)償。將換熱器的上表面劃分為若干個(gè)等溫區(qū)，在每個(gè)等溫區(qū)中選擇一只最具代表性的芯片作為測(cè)控樣板芯片，在其微槽中設(shè)置一支微型溫度傳感器并充滿蒸餾水，而其余非樣板芯片內(nèi)部不設(shè)傳感器。PCR反應(yīng)實(shí)際上是

6、在非樣板芯片內(nèi)完成的。根據(jù)樣板芯片傳感信號(hào)所得到的控制輸出同時(shí)作用于該等溫區(qū)的所有芯片，于是可認(rèn)為同一等溫區(qū)內(nèi)所有芯片溫度相同。樣板芯片方法的提出，使得無(wú)傳感器PCR芯片的溫度得以間接測(cè)量，而且與集成PCR芯片控制系統(tǒng)相比，在擴(kuò)增樣品數(shù)量相同的前提下，將傳感器和控制回路的數(shù)量減少了若干倍，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件配置。樣板芯片可視為測(cè)控系統(tǒng)的固有配置，從而可以對(duì)其進(jìn)行精確標(biāo)定，確保間接測(cè)量的精度。提出多單元多分辨率集總參數(shù)熱電模擬法，經(jīng)與有限元

7、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)該方法的有效性，建立了芯片的熱電模擬模型，分析了芯片的穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，對(duì)所提測(cè)控新方法進(jìn)行了仿真與論證；以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，研制成功專用的高效快速換熱器。 準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)非樣板芯片PCR反應(yīng)液溫度的間接測(cè)量是重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題之一，為此對(duì)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，在以下方面有創(chuàng)新或特色： (1)針對(duì)傳感器對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)的負(fù)荷效應(yīng)，首次提出了取名為“二減一”法的實(shí)用解決方法并成功實(shí)施

8、。對(duì)MEMS器件而言，其本身體積微小，傳感器負(fù)荷效應(yīng)是一個(gè)普遍的、不可回避的問(wèn)題，該方法可向一般MEMS推廣。 (2)對(duì)樣板芯片內(nèi)傳感器的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)重復(fù)性、動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差進(jìn)行了充分研究，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的智能補(bǔ)償。目前尚沒有傳感器動(dòng)態(tài)重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)化定義，仿照靜態(tài)重復(fù)性，定義了一階傳感器動(dòng)態(tài)重復(fù)性指標(biāo)。 (3)進(jìn)行了樣板芯片內(nèi)部液體溫度測(cè)量誤差分析與綜合，對(duì)實(shí)際進(jìn)行反應(yīng)的非樣板芯片進(jìn)行了間接測(cè)量不確定度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果

9、為0.52℃。 本系統(tǒng)是一個(gè)小、微尺度器件溫度隨動(dòng)控制系統(tǒng)。在建模、優(yōu)化、控制方面，進(jìn)行了下列有創(chuàng)新或有特色的工作： (1)提出并實(shí)施了先多級(jí)梯形網(wǎng)絡(luò)模擬然后進(jìn)行降階處理的MEMS控制模型的建立方法：基于多單元集總參數(shù)熱電模擬網(wǎng)絡(luò)，對(duì)兩種類型的低成本PCR芯片分別建立了其高階動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用Pade方法對(duì)模型進(jìn)行降階處理，對(duì)降階處理結(jié)果的精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，利用串級(jí)控制策略完成各回路的控制。隨著梯形網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)的增多，它將逐步

10、逼近分布參數(shù)對(duì)象。目前一般采用有限元方法研究MEMS的分布參數(shù)特性，不便控制專業(yè)使用。 (2)提出并實(shí)施了一種接觸熱阻均勻性的實(shí)用監(jiān)控方法：若同一溫區(qū)內(nèi)各芯片接觸熱阻差異過(guò)大，將會(huì)造成控制系統(tǒng)性能的嚴(yán)重降低、擴(kuò)增失敗。然而接觸熱阻是難以實(shí)時(shí)檢測(cè)的。為此采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量柔性PCB板與各芯片交界面處的溫度，間接監(jiān)測(cè)各芯片接觸熱阻的均勻性。 (3)一般而言，動(dòng)態(tài)溫區(qū)劃分需要借助復(fù)雜、貴重的測(cè)量設(shè)備，為避開此問(wèn)

11、題，利用系統(tǒng)自身資源，通過(guò)優(yōu)選法進(jìn)行了換熱器上表面溫區(qū)劃分，采用模糊優(yōu)選決策理論確立了各樣板芯片的位置。 (4)提出并實(shí)施了一個(gè)校正算法，依據(jù)該算法，非標(biāo)準(zhǔn)化分度傳感器可使用標(biāo)準(zhǔn)化、商品化的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，降低了系統(tǒng)的硬件開發(fā)量，有利于提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。該方法對(duì)于某些多品種、少批量的測(cè)控系統(tǒng)具有一定參考價(jià)值；模擬器件的參數(shù)分散性是客觀存在的，提出并實(shí)施了PCB板加熱器阻值分散性的硬件補(bǔ)償方法。 (5)建

12、立了PCR芯片系統(tǒng)溫度循環(huán)性能指標(biāo)體系，對(duì)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)照MW-1型可編程DRI-PLATE PCR系統(tǒng)的有關(guān)指標(biāo)，本系統(tǒng)滿足PCR對(duì)溫度循環(huán)性能的要求。 總之，研究了一種無(wú)傳感器PCR芯片陣列測(cè)控系統(tǒng)，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：與現(xiàn)有設(shè)備相比，其技術(shù)性能優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)備但成本并不高于現(xiàn)有設(shè)備；與處于研究階段的集成PCR芯片相比，技術(shù)性能相當(dāng)，但芯片成本大幅降低，特別是無(wú)傳感器聚合物PCR芯片可作為一次性芯片使用，避免了繁雜的清洗