基于石墨烯加热的数字PCR系统及热力学特性研究
发布时间：2022-02-17 10:31
随着芯片实验室的发展,微流控技术凭借其便携性,精准性、集成化等优点而在生物医学检测和化学分析等领域应用的越来越广泛。基于此,本文提出了一种基于石墨烯加热的数字PCR系统。设计了一种液滴流道式PCR扩增的方法,PCR反应液以液滴的形式在微流道内完成PCR扩增反应,可以缩短数字PCR扩增的时间。同时,开发了一个高精度多路温控系统,并采用新型材料石墨烯作为加热材料,能够提高PCR系统控温过程的准确性和可靠性。设计了一种液滴数字PCR微流控芯片,芯片前端为生成液滴的T型流道,后端为PCR反应的扩增流道。由于流道的尺度为微米级,在流量一定的情况下,PCR反应液在扩增流道内的流速较大,因此该设计可以提高PCR扩增的速度。建立了液滴生成的数学模型,推导了液滴相对长度与流道几何参数和两相流流量比的关系式。然后仿真分析了毛细管数对液滴形成状态和两相流流量比对液滴相对长度的影响,验证了液滴生成数学模型和仿真的准确性。建立数字PCR芯片的三维模型,使用有限元软件COMSOL仿真分析了微流道内的温度分布。考虑流道内部流体的强制对流换热、微流控芯片与空气的自然对流换热以及石墨烯、玻璃片和微流控PDMS芯片间的热...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微液滴的基本操控
酶链反应（polymerasechainreaction，后文简称PCR）已成为用特定序列检测衡量DNA或RNA的重要工具和提供量化靶序列拷贝数最灵敏的方法[10]。然而，对于大多数实时定量PCR测定，绝对定量仍然是一个挑战。数字式PCR检测方法是以分布靶点为原理的终点检测方法[11]，它将目标DNA分配到大量分区并对这些正反应的分区进行计数，在量化稀有样本的绝对定量方面已变得越来越有前景。近年来，数字PCR在医学中的多个领域应用的较为广泛，例如致病基因检测[12]、少数等位基因[13]、拷贝数变异[14]、以及高度准确的量化基因表达[15]。图1-2展示了利用微液滴检测病毒感染性的检测过程[16]。图1-2微液滴检测病毒感染性的检测过程因此，将数字PCR技术和微流控技术结合起来，在一块芯片上实现对DNA或RNA的定量检测即基于液滴的数字PCR技术具有非常重要的意义。针对目前存在的PCR扩增所需时间较长以及较难精确稳定控制温度等问题，本文提出了一种基于石墨烯加热的数字PCR系统，并研究PCR扩增过程的热力学特性。为了减小PCR扩增过程的时间，本文设计了一种基于液滴的数字PCR微流控芯片，芯片内部设计有若干个循环的微流道，在微流道内即可完成扩增反应，将PCR系统进一步集成化小型化。同时，由于PCR扩增实验需要进行循环温度的控制，开发了一个高精度多路温度测控系统，本文对研究基于液滴的数字PCR技术和微流体泵送技术具有一定的促进意义。1.2国内外研究现状及分析1.2.1液滴微流控技术研究现状微液滴控制技术一般指两种不相容的流体，如水和油，其中之一是连续相，另外一种是离散相。它可以实现微滴的功能生成、传输、拆分、合并、排序、定位并采用微流控技术进行捕获和控制两相流的行为[17,18]。微液滴的体积通常为微升或
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文–3–纳升级，一些应用需要甚至更小的液滴，例如直径为几百纳米，用于生产纳米液滴和纳米颗粒[19]。因此，微液滴在芯片中相当于微反应器[20,21]。而可靠地产生液滴并精确控制其尺寸和尺寸分布对于满足各种应用中日益增长的高要求是至关重要的。经过近年来的发展，微流控的液滴生成技术主要包括被动式和主动式。被动式的液滴生成技术是通过微流道的结构使流场界面的不稳定性增强，到达一定程度后流场被动生成离散相液滴[22]；对于主动式的液滴生成技术来说，需要借助外界环境条件（热能、压力、微阀、压电和磁场）作为驱动力从而实现液滴的主动生成。对两种液滴生成方式比较发现，利用被动式技术生成的液滴比主动式生成的液滴更加均匀，并且液滴的空间分布均匀、单分散度更优，相比于主动式需要借助外部环境条件实现液滴分离，主动式技术的分离环境更加封闭，对于防止交叉污染[23]、避免外部干扰具有重要作用。对于被动式方式，微流控装置可以根据微流道几何结构、芯片材料的不同分为三种类型[24]，如表1-1所示。表1-1三种类型的被动式微液滴发生装置示意图其中，利用PDMS材料制作加工成型的被动式微流控装置中的T型流道结构广泛用于液滴微流控技术，因为它们易于制造且易于操作，甚至允许同步液滴形成[25,26]。图1-3为各种T型流道几何形状的示意图[27,28]。（a）为常规T型流道几何形状，其中离散相垂直注入连续流体流中。（b）中T型流道离散相和连续相从相对侧注入。（c）为活性T型流道，允许通过空气压力和离散相的温度控制改变几
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32F103RCT6和ADS1298的脑电信号数据采集与波形显示[J]. 刘培军,李红利. 无线互联科技. 2018(12)
[2]一种使用MATLAB/Simulink的Arduino模型化开发方法[J]. 吴姣,郝玉锴,徐宁,李向东. 电子技术应用. 2017(06)
[3]微流控液滴技术及其应用的研究进展[J]. 刘赵淼,杨洋,杜宇,逄燕. 分析化学. 2017(02)
[4]基于微流控技术的微液滴融合研究进展[J]. 申峰,李易,刘赵淼,曹刃拓,王贵人. 分析化学. 2015(12)
[5]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学进展. 2015(00)
[6]弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究[J]. 王佳男,王嘉骏,冯连芳,顾雪萍. 高校化学工程学报. 2014(02)
[7]PDMS微流控芯片加工技术研究[J]. 林晓梅,张铭. 长春工业大学学报(自然科学版). 2013(02)
[8]基于声表面波技术实现微通道内微流体的融合[J]. 张悦,高挺,胡楚,黄昶,尉一卿,章安良. 压电与声光. 2012(05)
[9]基于微流控芯片技术的天然产物活性成分筛选的研究[J]. 李文娟,徐溢,范琪,曹坤,张庆,王昌瑞,钱伟,张晓凤. 中国中药杂志. 2012(16)
[10]微流控PCR装置中温度控制技术评述[J]. 刘勇,高娜,朱灵,李飞,王贻坤,张龙. 传感器与微系统. 2012(02)
博士论文
[1]Parylene C-PDMS负压驱动微流控芯片的研制及其在数字PCR与免疫检测中的应用[D]. 宋祺.浙江大学 2017
[2]各向异性微球的微流控制备及其在生物分析中的应用[D]. 商珞然.东南大学 2017
[3]微通道内液滴生成与混合理论方法与实验研究[D]. 杨丽.河北工业大学 2016
硕士论文
[1]基于步进电机微阀的液滴微流控系统研究[D]. 吴海成.哈尔滨工业大学 2018
[2]数字PCR微滴生成及扩增系统研究[D]. 张森.北京工业大学 2017
[3]微矩形通道中弹状流的生成机制与输运特性[D]. 刘存斌.东北大学 2015
本文编号：3629278
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微液滴的基本操控
酶链反应（polymerasechainreaction，后文简称PCR）已成为用特定序列检测衡量DNA或RNA的重要工具和提供量化靶序列拷贝数最灵敏的方法[10]。然而，对于大多数实时定量PCR测定，绝对定量仍然是一个挑战。数字式PCR检测方法是以分布靶点为原理的终点检测方法[11]，它将目标DNA分配到大量分区并对这些正反应的分区进行计数，在量化稀有样本的绝对定量方面已变得越来越有前景。近年来，数字PCR在医学中的多个领域应用的较为广泛，例如致病基因检测[12]、少数等位基因[13]、拷贝数变异[14]、以及高度准确的量化基因表达[15]。图1-2展示了利用微液滴检测病毒感染性的检测过程[16]。图1-2微液滴检测病毒感染性的检测过程因此，将数字PCR技术和微流控技术结合起来，在一块芯片上实现对DNA或RNA的定量检测即基于液滴的数字PCR技术具有非常重要的意义。针对目前存在的PCR扩增所需时间较长以及较难精确稳定控制温度等问题，本文提出了一种基于石墨烯加热的数字PCR系统，并研究PCR扩增过程的热力学特性。为了减小PCR扩增过程的时间，本文设计了一种基于液滴的数字PCR微流控芯片，芯片内部设计有若干个循环的微流道，在微流道内即可完成扩增反应，将PCR系统进一步集成化小型化。同时，由于PCR扩增实验需要进行循环温度的控制，开发了一个高精度多路温度测控系统，本文对研究基于液滴的数字PCR技术和微流体泵送技术具有一定的促进意义。1.2国内外研究现状及分析1.2.1液滴微流控技术研究现状微液滴控制技术一般指两种不相容的流体，如水和油，其中之一是连续相，另外一种是离散相。它可以实现微滴的功能生成、传输、拆分、合并、排序、定位并采用微流控技术进行捕获和控制两相流的行为[17,18]。微液滴的体积通常为微升或
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文–3–纳升级，一些应用需要甚至更小的液滴，例如直径为几百纳米，用于生产纳米液滴和纳米颗粒[19]。因此，微液滴在芯片中相当于微反应器[20,21]。而可靠地产生液滴并精确控制其尺寸和尺寸分布对于满足各种应用中日益增长的高要求是至关重要的。经过近年来的发展，微流控的液滴生成技术主要包括被动式和主动式。被动式的液滴生成技术是通过微流道的结构使流场界面的不稳定性增强，到达一定程度后流场被动生成离散相液滴[22]；对于主动式的液滴生成技术来说，需要借助外界环境条件（热能、压力、微阀、压电和磁场）作为驱动力从而实现液滴的主动生成。对两种液滴生成方式比较发现，利用被动式技术生成的液滴比主动式生成的液滴更加均匀，并且液滴的空间分布均匀、单分散度更优，相比于主动式需要借助外部环境条件实现液滴分离，主动式技术的分离环境更加封闭，对于防止交叉污染[23]、避免外部干扰具有重要作用。对于被动式方式，微流控装置可以根据微流道几何结构、芯片材料的不同分为三种类型[24]，如表1-1所示。表1-1三种类型的被动式微液滴发生装置示意图其中，利用PDMS材料制作加工成型的被动式微流控装置中的T型流道结构广泛用于液滴微流控技术，因为它们易于制造且易于操作，甚至允许同步液滴形成[25,26]。图1-3为各种T型流道几何形状的示意图[27,28]。（a）为常规T型流道几何形状，其中离散相垂直注入连续流体流中。（b）中T型流道离散相和连续相从相对侧注入。（c）为活性T型流道，允许通过空气压力和离散相的温度控制改变几
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32F103RCT6和ADS1298的脑电信号数据采集与波形显示[J]. 刘培军,李红利. 无线互联科技. 2018(12)
[2]一种使用MATLAB/Simulink的Arduino模型化开发方法[J]. 吴姣,郝玉锴,徐宁,李向东. 电子技术应用. 2017(06)
[3]微流控液滴技术及其应用的研究进展[J]. 刘赵淼,杨洋,杜宇,逄燕. 分析化学. 2017(02)
[4]基于微流控技术的微液滴融合研究进展[J]. 申峰,李易,刘赵淼,曹刃拓,王贵人. 分析化学. 2015(12)
[5]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学进展. 2015(00)
[6]弯曲微通道中液滴内混合过程的数值模拟研究[J]. 王佳男,王嘉骏,冯连芳,顾雪萍. 高校化学工程学报. 2014(02)
[7]PDMS微流控芯片加工技术研究[J]. 林晓梅,张铭. 长春工业大学学报(自然科学版). 2013(02)
[8]基于声表面波技术实现微通道内微流体的融合[J]. 张悦,高挺,胡楚,黄昶,尉一卿,章安良. 压电与声光. 2012(05)
[9]基于微流控芯片技术的天然产物活性成分筛选的研究[J]. 李文娟,徐溢,范琪,曹坤,张庆,王昌瑞,钱伟,张晓凤. 中国中药杂志. 2012(16)
[10]微流控PCR装置中温度控制技术评述[J]. 刘勇,高娜,朱灵,李飞,王贻坤,张龙. 传感器与微系统. 2012(02)
博士论文
[1]Parylene C-PDMS负压驱动微流控芯片的研制及其在数字PCR与免疫检测中的应用[D]. 宋祺.浙江大学 2017
[2]各向异性微球的微流控制备及其在生物分析中的应用[D]. 商珞然.东南大学 2017
[3]微通道内液滴生成与混合理论方法与实验研究[D]. 杨丽.河北工业大学 2016
硕士论文
[1]基于步进电机微阀的液滴微流控系统研究[D]. 吴海成.哈尔滨工业大学 2018
[2]数字PCR微滴生成及扩增系统研究[D]. 张森.北京工业大学 2017
[3]微矩形通道中弹状流的生成机制与输运特性[D]. 刘存斌.东北大学 2015
本文编号：3629278
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