单片集成薄膜体声波生化微传感器的数字微流控芯片研究

发布时间：2017-05-15 09:18

  本文关键词：单片集成薄膜体声波生化微传感器的数字微流控芯片研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：芯片实验室提供了高分辨样品处理和检测分析的微型集成平台,在生物、化学、医学等重要领域拥有巨大的应用前景。特别是数字微流控系统能够对微量液滴实施多种流体操作,以其突出的反应快速、可并行处理、体积小等优势成为实现未来高通量检测和床边检测的重点研究对象。本论文紧扣这一研究热点,依据当前芯片实验室对功能部件高密度集成的重大需求,提出了薄膜体声波生化微传感器与基于介质上电润湿技术的数字微流控平台的单片集成方案,先后完成了第一代与第二代集成单芯片的研制,并针对其检测信号增强特性进行了分析;采用化学和生物样品在两代原型机上的实验展示结果验证了集成单芯片的有效性与实用性。课题的研究内容和成果可以归纳为以下几个方面:1.本论文在查阅大量文献的基础上,提出了以氮化铝薄膜为设计核心的单片集成薄膜体声波生化微传感器的数字微流控芯片方案;通过对其中设计、加工、测试等关键技术的突破,成功实现了单通道和多通道集成单芯片以及整体系统的研制;2.集成单芯片利用数字微流控系统的样品离散特性,使微传感器对样品液滴在空气中的检测成为可能,解决了传统MEMS传感器在溶液中检测时性能急剧恶化的难题,大幅提升了检测信噪比,质量检测极限可达0.13 ng/cm2;3.针对集成单芯片的检测信号增强机理展开理论和实验研究,通过在配置疏水掩膜的微传感器和对照组上进行化学与生物目标传感实验,成功展示了集成单芯片检测极限超过一个数量级的提升,对汞离子、BSA蛋白以及anti-IgG蛋白溶液的检测极限均可达1 nM左右;通过对生物目标分子在数字液滴中扩散和吸附过程的分析,建立了集成单芯片在分子局部吸附条件下的动力学模型。
【关键词】：薄膜体声波微传感器 介质上电润湿 数字微流控 单片集成
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1. 芯片实验室简介10-12
• 1.2. 数字微流控系统研究现状12-15
• 1.3. 介质上电润湿技术生化领域应用现状15-17
• 1.4. 薄膜体声波器件传感技术研究现状17-19
• 1.5. 本课题的目的及研究内容19-21
• 1.5.1. 课题的目的和意义19-20
• 1.5.2. 本论文的研究内容20-21
• 第二章 集成单芯片设计方法研究及系统方案设计21-49
• 2.1. 介质上电润湿数字微流控芯片的原理与实现21-24
• 2.1.1. 基本原理21-22
• 2.1.2. 实现方法22-24
• 2.2. 薄膜体声波传感原理与实现24-29
• 2.2.1. 基本原理24-26
• 2.2.2. 实现方法26-29
• 2.3. 集成单芯片设计方案29-32
• 2.3.1. 微流控驱动与微传感器的单片集成设计29-30
• 2.3.2. 集成单芯片方案的确定30-32
• 2.4. 关键设计技术32-45
• 2.4.1. 驱动平台构架32-34
• 2.4.2. 单芯片集成构架34
• 2.4.3. 地电极的配置34-37
• 2.4.4. 驱动电极拓扑结构37-39
• 2.4.5. 声反射结构39-45
• 2.5. 系统方案设计45-49
• 2.5.1. 总体设计方案45-46
• 2.5.2. 集成单芯片模块46-47
• 2.5.3. 控制电路模块47
• 2.5.4. 图像与数据采集模块47-48
• 2.5.5. 图像与数据处理模块48-49
• 第三章 集成单芯片制造工艺研究49-68
• 3.1. 版图设计49-51
• 3.2. 制造流程51-52
• 3.3. 关键加工技术52-68
• 3.3.1. 介质层制备52-56
• 3.3.2. 驱动平台加工的工艺能力验证56-58
• 3.3.3. 疏水膜图案形成58-68
• 第四章 集成单芯片性能表征与集成系统生化样品检测68-91
• 4.1. 集成单芯片原型机展示68-70
• 4.2. 数字微流控与微传感器性能表征70-78
• 4.2.1. 静滴法测量液滴接触角70-75
• 4.2.2. 微流控驱动特性表征75-76
• 4.2.3. 微传感器的质量检测极限76-78
• 4.3. 关键测试技术78-85
• 4.3.1. 湿测模式检测78-82
• 4.3.2. 数据采集参数设定82-85
• 4.4. 系统的生化样品检测85-91
• 4.4.1. 微量汞离子溶液的单通道检测86-89
• 4.4.2. 蛋白溶液的高通量多路复用检测89-91
• 第五章 集成单芯片检测信号增强特性及机理分析91-109
• 5.1. 集成单芯片信号增强特性的应用91-93
• 5.1.1. 信噪比和检测极限91-92
• 5.1.2. 动力学分析92-93
• 5.2. 实验方法93-96
• 5.2.1. 器件结构93-94
• 5.2.2. 试剂和材料94
• 5.2.3. 表面修饰94-95
• 5.2.4. 检测方案95-96
• 5.2.5. 检测平台96
• 5.3. 实验结果96-102
• 5.3.1. 特氟龙掩膜的影响96-97
• 5.3.2. 微量汞离子溶液检测97-99
• 5.3.3. 蛋白溶液检测99-102
• 5.4. 动力学模拟分析102-109
• 5.4.1. 数值模型建模102-104
• 5.4.2. 解析模型建模104-105
• 5.4.3. 基于孵化时间积累的信号增强105-107
• 5.4.4. 信号增强性能的优化107-109
• 第六章 总结与展望109-111
• 6.1. 论文主要研究内容与成果109
• 6.2. 论文的创新点109-110
• 6.3. 有待解决的问题110
• 6.4. 后期研究工作展望110-111
• 参考文献111-121
• 发表论文和参加科研情况说明121-123
• 致谢123-124

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