离心微流平台的控制与检测系统的研究

发布时间：2017-03-20 08:07

  本文关键词：离心微流平台的控制与检测系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微流控技术是近年来崛起的新型技术之一,是一门糅合了生物、医疗、传感检测的多门科学性质的交叉性科目,微流控最显著的特点在于将复杂的生物／化学分析过程中需要用到的样品制备、分离、混合、检测等基本操作集成到一块尺度最小可达微米级别的微流芯片上并且自动完成一系列的分析检测。这种最大限度的将实验室的大型设备转化成便携式的分析设备并最终将复杂的操作从传统实验室中解放出来的微全分析系统(μTas)凭借在生物医学领域发挥的巨大作用已经被认为是二十一世纪最具潜力和应用前景的学科之一。离心力微流控则是最近几年在微流控的基础上开展的一种全新的微流操控手段,使用离心力作为微流体的主要驱动力,这种方式好处在于替代了传统的依靠泵浦驱动微流的微流控结构,将庞杂的微流控结构缩小到了一张小小的转盘上。这种依靠步进电机驱动的离心力替代了传统的外界泵浦驱动的方式节约了成本也同时简化了操作方式。通过简单的调节转速和加速度等参量就可以实现对离心转盘上微流芯片的复杂操作,盘上配置的检测系统也能够与整套整盘很好的结合。从某种意义上来说,这种新兴的离心力的微流控系统比传统的泵浦式微流控系统更加地接近微全分析系统。近年来离心力微流控越来越向平台化,系统化发展,很多成熟的离心平台都已经面向市场并取得了很大的成功,可以说这项技术拥有广阔的前景与发展空间。基于这样的背景与需求下本文搭建了一套自主设计的离心力微流控平台,实现了一系列的控制检测方案。本文具体实现了外部驱动模块的搭建,用于驱动外部模块的正常工作如频闪灯与摄像头,实现了对高速转台的静态捕捉功能,电路包含数据采集驱动功能,实现了对转盘特定区域信号的捕捉；搭建了一套通信电路,用于和电机编码器的正常通信以及传感节点的正常通信,电路内部嵌入了自定义的通信协议用于接收手机客户端的指令；搭建了一套无线耦合功能模块,实现了对高速转盘上传感模块的正常供电；设计实现了离心力微流控的手机客户端,用户无线控制离心力转台的工作以及接收传感节点的数据,客户端简洁方便,极少的指令即可完成复杂的控制。在软硬件模块正常工作的基础上,本文搭建了几种传感节点的电路模块,包括基于配对发光二极管(PEDD)的吸光度检测模块与基于数字离散式PID算法的温度控制模块。使用PEDD模块并配合本文独特设计的螺旋式离心转盘,实现了对牛血清蛋白的浓度标定,标定浓度从0 mg/mL一直到2 mg/mL,精度不亚于本文用于比较的专用分光光度计。另外使用无线耦合供电模块配合温控模块,实现了在高速转动的转盘上对微液流的温度控制,控制波动在1℃左右。最后本文将设计了一套硬件接口的传感节点,在无线耦合正常工作的基础上对主控芯片的编程实现了对多种外部传感模块的驱动。
【关键词】：微流控 离心力微流控 无线传感 无线耦合供电 客户端开发 配对发光二极管 微流温控
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492;TP274
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究现状12-16
• 1.2.1 操控与结构12-14
• 1.2.2 检测机制14-16
• 1.3 论文研究内容、技术路线、论文结构16-19
• 1.3.1 研究内容16-17
• 1.3.2 技术路线17
• 1.3.3 论文结构17-19
• 第二章 离心微流平台的硬件搭建19-33
• 2.1 驱动模块19-22
• 2.1.1 理论研究19-21
• 2.1.2 技术方案21-22
• 2.2 无线通信模块22-28
• 2.2.1 理论研究23-26
• 2.2.2 技术路线26-28
• 2.3 无线耦合供电28-31
• 2.3.1 供电原理28-29
• 2.3.2 技术路线29-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 离心微流平台的手机客户端开发33-43
• 3.1 技术架构33-34
• 3.2 软件开发34-41
• 3.2.1 功能需求34-35
• 3.2.2 软件设计35-38
• 3.2.3 功能实现38-41
• 3.3 本章小结41-43
• 第四章 离心微流平台上传感模块及应用43-65
• 4.1 配对发光二极管吸光度检测蛋白浓度43-59
• 4.1.1 实验器件44-46
• 4.1.2 准度与精度46-47
• 4.1.3 灵敏度与测量原理47-51
• 4.1.4 离心平台上的蛋白检测51-54
• 4.1.5 实验结果54-57
• 4.1.6 PEDD的性能优化57-59
• 4.2 基于微流体温控的PID实现59-63
• 4.2.1 控制原理59-60
• 4.2.2 技术路线60-61
• 4.2.3 实验结果61-63
• 4.3 开放式接口63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 5.1 总结65
• 5.2 展望65-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-75
• 攻读硕士期间学术成果75-77

【参考文献】

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本文编号：257440