基于电磁驱动扩增的阵列式单通道荧光PCR系统研究

发布时间：2020-11-14 04:32

　　 对载人航天来说,航天员在空间站长期健康生活是空间站工作顺利完成的保障。由于空间站在轨运行时长期处在密封的条件下,微生物对航天员身体的危害和对设备的损坏不容忽视。本文介绍了面向空间的生物危害报警器相关技术的研究现状和面临的问题,针对性设计了一套面向空间应用的阵列式单通道荧光PCR检测系统,主要内容包括:电磁驱动试剂的设计理论研究,单通道式电磁驱动PCR扩增系统的搭建,系统温度的理论分析,控温装置的搭建,原位成形光学微透镜的制作及对荧光检测结果的改善,基于纳米银颗粒的荧光检测结果的改善等。本文主要的研究工作和取得的成果如下:1、研究了阵列式单通道PCR荧光检测系统电磁驱动的机理。设计了外置式电磁驱动和内置式电磁驱动两类PCR微通道扩增系统的电磁驱动装置,研究了通电线圈产生磁场的规律,计算了试剂模块在线圈内外的受力情况,为后续搭建用于空间条件下的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测系统打下基础。2、对阵列式单通道PCR荧光检测系统的温度场分布进行了设计和优化分析,研究了系统加热模块的升温速率,不同对流情况下稳态温度的分布,针对电磁推动的特点分析了试剂模块在管道尾部的降温情况,为装置搭建提供技术基础。3、为了改善荧光检测部分的检测结果,设计一种原位成形微透镜,研究椭球面,抛物面,双曲面三种面形微透镜聚光性能的对比,此外研究了利用银纳米粒子的表面增强荧光效应改善荧光检测结果的方法。4、在温控模拟分析和电磁模块理论计算的基础上搭建了一套阵列式单通道荧光PCR扩增系统,利用PID算法控制三个温区的温度,并利用临界比例度法对温控PID算法进行了优化。详细研究了内置式电磁驱动原理,对驱动过程进行了分解,计算了磁感强度变化与位置关系,对磁感强度梯度变化与位置关系,磁力驱动下试剂模块的运动轨迹与复位情况进行了讨论,实验得到的电流与驱动时间关系与模拟计算的变化规律是一致的。根据加热源的功率密度对整个系统升温情况进行了模拟,17s左右试剂模块即可达到设定温度,在设定温度时应提升温度设定来使得试剂模块达到预定温度,其中94℃温区应设定为109℃,72℃温区设定为84℃,56℃温区设定为64℃。在试剂模块从94℃温区到达56℃温区外进行流冷却时,在对流系数为20W/(m~2·K)时9s即可降到56℃。对原位成形微透镜胶滴铺展过程中的线型变化规律进行了研究,对比了三种非球面-椭球面,抛物面,双曲面的非球面特性,制作三种面型原位成形光学微透镜,进行聚光性能测量,对本装置来说抛物面形状的微透镜聚光性能最佳,与计算结果一致。研究了生物PCR试剂检测时荧光素SYBR Green I的光谱放大技术,制作了银纳米粒子用于改善荧光信号,实验结果表面荧光信号在添加银纳米粒子之后增强了一倍。在前面研究基础上制作了阵列式单通道PCR荧光扩增装置,主要包括温控模块,电磁驱动模块等,对电控主要模块进行了介绍,通过PID算法优化温控过程,94℃温区精度为±0.1℃,72℃为±0.8℃,56℃为±0.3℃。制作了数字恒流源给驱动线圈进行供电,对电源进行了测试,电路功耗约为3.226W,DC-DC变换器的效率约为94.75%。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V443
【部分图文】：

北京工业大学工学博士学位论文热方式热元件是一种柔性金属电加热薄膜，较薄的膜状加热元件多金属氧化物片膜如 ITO，它广泛被用于微流控 PCR 的温控装更为常用，它升温速率可达 10～20℃/s，所占空间小、热惯性快、控制精度高等优势[30-36]。后者虽然升温速率不及前者，但薄膜厚度在纳米数量级时，它和大多衬底有良好的粘附性和测。下图是 JingDai 等人[37]采用 ITO 对连续流体芯片加热的示左右后温度上升到设定值并稳定。其他的薄膜加热材料如聚可以应用在 PCR 温控中。

图 1-4 圆环形感应加热装置示意图ure 1-4 Schematic diagram of circular induction heating device热方式指通过物质间化学反应产生的热量来加热的一种方置结构，利于体积缩小，但是缺点是加热速率慢，效较大。加热方式电阻元件时由于一部分能量要被电阻消耗掉并以热量可以用来加热，由于薄膜电阻体积小，常被用来加直接将薄膜电阻集成在加热区域。ShenKY 等利用薄，温度上升速率为 8℃/s[44]。

报道了一种微流体驱动方法，驱动力由施加到共面指状微电极阵列的交流电位产生。采用两种类型的微电极结构：一种不对称的电极阵列通过一个单独的电源如图1-6a；电极宽度相等和间隙，并用4相交流信号通电如图1-6b所示。在这两种微观结构中，都观察到两种流体流动状态：在小的电压振幅下流体沿特定方向移动，在较高的电压振幅下，流体流动反向。流体流动在两个流动状态中的电极水平上被驱动。图 1-6 交流电极驱动装置示意图Figure 1-6 schematic diagram of Ac electrode driver张善亮等[51]做了关于微流道交流电水力泵的相关模拟分析以及进一步的驱动力的优化，其中针对是一种微流道的尺寸为长：5mm、宽：0.4mm，厚：0.4mm的电力水泵进行了模拟及其优化，经过优化后整个装置的驱动电极的间距为0.02mm,宽度为0.01mm。Bart等[52]提出电极阵列以电势行波激发，达到微米尺度系统中的微型电流体泵
【参考文献】

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本文编号：2883079