大面积精确温控模块及PCR芯片关键技术研究
发布时间：2020-06-01 14:56
【摘要】：PCR(Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应)技术是一种用于核酸扩增和核酸检测的重要手段。PCR芯片是PCR技术与生物芯片技术的结合,克服了常规PCR的易污染、试剂消耗量大、成本高等缺点,极大的加速了PCR技术的发展,被广泛应用于食品安全监测、疾病预防与诊断、环境保护等领域。但复杂的结构和高昂的加工与材料成本阻碍了PCR芯片的量产和推广。本文设计了一种低成本多通道的PCR芯片和基于MEMS技术加工的加热器芯片以及大面积精确温度控制系统。PCR芯片由玻璃与PDMS材料组成,由经过铝模具制作的PDMS边框和玻璃片通过氧等离子体键合得到。加热器芯片由氧化硅片作为基片,铂作为加热器线圈材料,经过溅射、光刻、离子铣、去胶等工艺加工而成。为了得到加热线圈的最优结构,使用COMSOL Multiphysics软件对加热线圈的表面温度分布进行了电热学仿真。大面积精确温控模块由硬件电路部分和软件部分组成。硬件电路系统包括微控制器电路、加热与制冷控制驱动电路、信号采集电路、信号放大电路、模数转换电路、数据传输电路等。软件设计包括软件整体流程设计和温度控制算法的设计,本研究使用的是位置式PID算法公式。对加热器芯片线宽和电阻值的测试表明加工工艺有很好的可行性以及重复性。温度控制实验表明系统的升温速率能到达2.2℃/s,降温速度能达到2.4℃/s,稳态控制精度为±0.5℃。
【图文】：
应系统体积更小更加便携；硅材料有很高的热导率循环时间变短，大大提升了效率；很大程度的降低变得更低。这些优点使得 PCR 芯片被广泛使用并飞照结构和反应方式一般可以分为静态反应室和连续反应过程中核酸溶液是否流动来区分。 PCR 芯片系统可以看作是微小型化的传统 PCR 系基片上加工出微反应室结构，芯片和芯片微反应室的控制下在三个温度状态依次循环来进行扩增反应是由 Northrup 等发明的，该芯片以硅作为基底，，利底部集成了多晶硅作为加热元件，为静态反应室 PCao[25]于 2003 年研发出的静态反应室 PCR 芯片成功硅反应室底部的氮化硅薄膜上，如图 1-1 所示。这/s，这也证实了 PCR 芯片比传统 PCR 反应速率更快明的基于 PDMS（聚二甲基硅氧烷）和玻璃的静态成本，使得 PCR 芯片的大批量生产成为可能。
沟道由刻蚀工艺加工而成，芯片底部是三个温度恒定的铜制下匀速在沟道中流动，依次通过 60°C、77°C、95°C 三反应。芯片包含 22 个循环区域，该芯片最快只需 90 s 便能u[28]于 2014 提出了一种基于聚酰亚胺（Polyimide，缩写 芯片，如图 1-2 所示。该芯片以铜作为加热器，蠕动泵控在 5 分钟内扩增了含 90 对小鼠基因的模板,该芯片有扩增功耗等优点，也有被集成在更复杂的片上实验系统 2015 年发明了一种无须外部泵的自流动 PCR 芯片，只需口，反应液就会在在毛细管力的驱动下自主流动实现扩增流量控制泵，使系统更加的简单易用，同时也为医疗诊断 DNA 分析实现革命性突破提供了手段。Carballo[30]在 2性环烯烃聚合物制成的连续流动式 PCR 芯片，采用热压印 1560 mm，深度为 50 μm，可容纳最大体积为 20 μL 的反检测也证实了芯片的可行性，同时它的便携性和低成本使很大的应用前景。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q503;TN409
本文编号：2691649
【图文】：
应系统体积更小更加便携；硅材料有很高的热导率循环时间变短，大大提升了效率；很大程度的降低变得更低。这些优点使得 PCR 芯片被广泛使用并飞照结构和反应方式一般可以分为静态反应室和连续反应过程中核酸溶液是否流动来区分。 PCR 芯片系统可以看作是微小型化的传统 PCR 系基片上加工出微反应室结构，芯片和芯片微反应室的控制下在三个温度状态依次循环来进行扩增反应是由 Northrup 等发明的，该芯片以硅作为基底，，利底部集成了多晶硅作为加热元件，为静态反应室 PCao[25]于 2003 年研发出的静态反应室 PCR 芯片成功硅反应室底部的氮化硅薄膜上，如图 1-1 所示。这/s，这也证实了 PCR 芯片比传统 PCR 反应速率更快明的基于 PDMS（聚二甲基硅氧烷）和玻璃的静态成本，使得 PCR 芯片的大批量生产成为可能。
沟道由刻蚀工艺加工而成，芯片底部是三个温度恒定的铜制下匀速在沟道中流动，依次通过 60°C、77°C、95°C 三反应。芯片包含 22 个循环区域，该芯片最快只需 90 s 便能u[28]于 2014 提出了一种基于聚酰亚胺（Polyimide，缩写 芯片，如图 1-2 所示。该芯片以铜作为加热器，蠕动泵控在 5 分钟内扩增了含 90 对小鼠基因的模板,该芯片有扩增功耗等优点，也有被集成在更复杂的片上实验系统 2015 年发明了一种无须外部泵的自流动 PCR 芯片，只需口，反应液就会在在毛细管力的驱动下自主流动实现扩增流量控制泵，使系统更加的简单易用，同时也为医疗诊断 DNA 分析实现革命性突破提供了手段。Carballo[30]在 2性环烯烃聚合物制成的连续流动式 PCR 芯片，采用热压印 1560 mm，深度为 50 μm，可容纳最大体积为 20 μL 的反检测也证实了芯片的可行性，同时它的便携性和低成本使很大的应用前景。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q503;TN409
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 周晓丽;朱国坡;李雪华;王艳玲;刘兴友;;实时荧光定量PCR技术原理与应用[J];中国畜牧兽医;2010年02期
本文编号：2691649
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