集成微流PCR聚合物芯片的研究.pdf

1、20世紀(jì)90年代初由瑞上的Manz和Widmer提出的以微機(jī)電系統(tǒng)(mlcro-electromechanicalsystems,MEMS)技術(shù)為基礎(chǔ)的“微型全分析系統(tǒng)”(mniaturized total analysis systems,μTAS)引發(fā)了新一輪的研究熱潮。uTAS的H的是通過對生物化學(xué)分析設(shè)備的微型化和集成化,最大限度地實現(xiàn)常規(guī)生物化學(xué)分析設(shè)備的功能,甚至實現(xiàn)整個分析實驗室的功能。微流控芯片(microfluidic

2、chips)是μTAS當(dāng)前最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿,它最集中地體現(xiàn)了將分析實驗室的功能轉(zhuǎn)移到芯片上的思想。將生物化學(xué)分析系統(tǒng)縮微成單獨一個完整的微芯片,小儀儀是分析系統(tǒng)尺寸的變化,而且在分析性能上也帶來了巨人的提升。 木研究的目的是利用先進(jìn)的MEMS技術(shù),發(fā)展一種單片微型結(jié)構(gòu)的高效廉價的集成微流控PCR(polymerase chain reaction)芯片,并且可以與一些樣木的操作過程進(jìn)行集成,從而能夠進(jìn)行快速、自動、封閉的

3、生物化學(xué)分析。 論文的主要研究內(nèi)容和成果如下: 1.本文對在微芯片上實現(xiàn)PCR反應(yīng)作了研究,綜合國內(nèi)外的研究成果,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的集成聚合物PCR芯片,同時在片上集成了微泵、微閥、微混合結(jié)構(gòu)、微加熱器和溫度傳感器、微反應(yīng)腔等功能單元,以實現(xiàn)快速、自動、封閉的PCR反應(yīng)。 2.對PCR的原理進(jìn)行了研究,用,一維傳熱理論對PcR芯片的溫度梯度及瞬態(tài)熱反應(yīng)進(jìn)行了計算。采用有限元軟件Cosmos進(jìn)行了PC

4、R芯片的三維溫度場模擬。 3.開發(fā)出一種高效、低成本、易于集成的微加工工藝.芯片采用玻璃一PDMS兩層混合結(jié)構(gòu),通過軟刻蝕法加工包含微腔和微管道結(jié)構(gòu)的下層PDMS基底:采用Lifl-Off工藝在玻璃基片加工出加熱電極及傳感電極,并在基片上鉆出進(jìn)樣孔與提樣孔；最后通過紫外光照射封裝的方法將PDMS基底與玻璃基片封裝成為閉合的集成聚合物PCR芯片。 4.微流控芯片驅(qū)動與控制單元的研究.采用一種簡單的化學(xué)反J啦產(chǎn)生氣體做驅(qū)動動

5、力.通過對各種微閥的比較,確定了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于集成的微毛細(xì)管閥.通過固、液、氣界面處的表面自由能分析,得出材料表面特性、閥尺寸結(jié)構(gòu)與微閥背壓的關(guān)系。通過微泉與微閥的配合實現(xiàn)一種溶液定量的方法。 5.研制了集成PCR芯片的控制器。利用虛擬儀器技術(shù)搭建出整個芯片的控制平臺,大大節(jié)省了開發(fā)時間。平臺包括軟件和硬件部分。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集卡、信號放人電路、電源、驅(qū)動電路、PC機(jī)和風(fēng)扇6個部分。在利用增量型PID控制的基礎(chǔ)上,提出了