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基于MEMS技术的PCR芯片的研究

作　者: 赵湛
导　师: 崔大付
学　校: 中国科学院研究生院（电子学研究所）
专　业: 物理电子学
关键词: MEMS技术 PCR生物芯片 单片集成
分类号: TN492
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 439次
引　用: 2次
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内容摘要


PCR芯片是对微量DNA进行扩增放大的一种生化反应芯片，在整个生物芯片的研究和发展中起着重要的作用。综合国内外在PCR芯片研究方面取得的成果，采用基于MEMS技术的研究方法，在硅基片上实现了集成的PCR芯片。芯片上集成了DNA反应室，微通道、温度传感器以及加热体等功能和部件，大小为8mm×4mm×0.3mm。利用深刻蚀技术制作出一个4mm×2mm×0.3mm容积约为2微升的反应室，反应室的底为约2微米厚的氮化硅（Si3N4）膜。铂加热子和温度传感器是在Si3N4膜上沉积和制作出图形形成的。这样的PCR芯片可以使系统微型化，可以很方便地应用在医疗诊断、野外生化分析等领域。配合PCR芯片研制了微型热循环控制系统，包括硬件和软件两大部分。硬件的设计主要从减少尺度，降低功耗等方面考虑，以实现和PCR芯片相适应的仪器微型化，从而达到便携、快捷地实现DNA—PCR的反应。软件部分从温度控制精度、以硬件简捷、操作以人为本的原则进行编制。研究设计了不同PCR芯片的结构和加热子等的热传导、温度场分布等物理特性。从理论上证明设计的可行性。进行了PCR芯片的实验前的表面处理方法的实验，选用乙肝病毒的试剂盒，进行了芯片上的DNA扩增实验。DNA利用SYBR@GreenⅠ荧光染料进行标记，扩增的产物在荧光显微镜下用Cool CCD记录，取得了满意的结果。PCR芯片的物理特性如下：1．反应池容积：＜2μl；2．升温速率：可达15℃／s；3．降温速率：可达10℃／s；4．控温精度：≤0.4℃；5．功耗：＜800mW。

全文目录


摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
第1章 前言  9-26
  1.1 生物芯片技术的发展  9-15
    1.1.1 什么是生物芯片  9-10
    1.1.2 点阵型生物芯片  10-12
    1.1.3 实验室芯片  12-15
    1.1.4 生物芯片的应用  15
  1.2 PCR技术的发展  15-20
    1.2.1 什么是PCR  15-16
    1.2.2 PCR-DNA扩增原理  16-17
    1.2.3 PCR技术发展的历史  17-18
    1.2.4 PCR扩增的特点  18-19
    1.2.5 PCR扩增的检测技术  19-20
  1.3 MEMS技术的发展  20-24
    1.3.1 什么是MEMS  20-21
    1.3.2 MEMS技术的特点  21-22
    1.3.3 MEMS的现状与发展趋势  22-23
    1.3.4 BioMEMS  23-24
  1.4 本论文结构和内容简介  24-26
第2章 PCR芯片的研究现状  26-47
  2.1 传统PCR实现技术  26-27
    2.1.1 固定温度式控制技术  27
    2.1.2 可变温度控制技术  27
  2.2 PCR芯片的技术研究  27-33
    2.2.1 微井型芯片  28-29
    2.2.2 连续流动型芯片  29
    2.2.3 旋转型芯片  29-31
    2.2.4 点阵型芯片  31-32
    2.2.5 集成型芯片  32-33
  2.3 PCR芯片加热和冷却技术  33-36
    2.3.1 Peltier效应器件技术  33-35
    2.3.2 红外光源技术  35-36
    2.3.3 集成加热子技术  36
  2.4 PCR芯片扩增检测技术  36-40
    2.4.1 毛细管电泳检测  36-37
    2.4.2 荧光标记检测技术  37-39
    2.4.3 集成芯片检测技术  39-40
  2.5 其他PCR芯片研究  40-46
    2.5.1 清华大学程京研究组的PCR芯片  40
    2.5.2 新加坡IME科学家研制的PCR芯片  40-41
    2.5.3 加州大学Eric T.Lagally研究的PCR-CE芯片  41-42
    2.5.4 橡树里国家实验室L.C.Waters等的PCR-CE芯片  42-43
    2.5.5 加州大学A.T.Woolley等研究的PCR集成器件  43-44
    2.5.6 斯坦福大学A.M.Chaudhari等PCR反应室阵列  44-45
    2.5.7 密歇根大学Huinan Yu研究的塑料PCR芯片  45-46
  2.6 小结  46-47
第3章 基于MEMS技术的PCR芯片的工艺实现  47-62
  3.1 PCR芯片的结构设计  47-50
    3.1.1 PCR芯片的材料的选择  47-48
    3.1.2 加热子与测温传感器的材料选择  48-49
    3.1.3 PCR反应室结构  49-50
  3.2 工艺流程  50-58
    3.2.1 MEMS器件的平面加工技术  50-53
    3.2.2 MEMS器件的体加工技术  53-55
    3.2.3 PCR芯片的工艺流程  55-58
  3.3 PCR芯片的封装  58-60
    3.3.1 芯片级封装  58-59
    3.3.2 二次封装  59-60
  3.4 小结  60-62
第4章 PCR芯片的微控制系统的研制  62-73
  4.1 PIC微控制器简介  62-63
  4.2 PCR芯片热循环微控制系统的硬件设计  63-71
    4.2.1 电源电路设计  64-65
    4.2.2 传感器电路设计  65-68
    4.2.3 加热功率电路设计  68
    4.2.4 LCD显示  68-69
    4.2.5 CPU系统电路  69-71
  4.3 PCR芯片微控制系统的软件设计  71-72
  4.4 小结  72-73
第5章 PCR芯片的物理特性研究  73-85
  5.1 MEMS器件的传热  73-75
    5.1.1 传热理论  73-75
    5.1.2 温度场  75
  5.2 PCR芯片的热场分布  75-79
  5.3 PCR芯片的电气特性  79-84
    5.3.1 温度校准  80-82
    5.3.2 功率特性  82-84
  5.4 小结  84-85
第6章 DNA在芯片上的扩增试验研究  85-91
  6.1 芯片的表面修饰  85-87
    6.1.1 DNA在硅片上的吸附  85
    6.1.2 PCR芯片的表面修饰  85-87
  6.2 DNA扩增试验  87-90
    6.2.1 DNA反应样品的密封  87-88
    6.2.2 反应体系  88-89
    6.2.3 扩增结果  89-90
  6.3 小结  90-91
第7章 结论  91-96
  7.1 PCR芯片研究的特点  91-92
  7.2 PCR芯片研究的创新点  92-94
  7.3 PCR芯片研究的进一步工作  94-96
参考文献  96-101
致谢  101-102
附录  102-103
  A. 发表文章:  102-103
  B. 申请发明专利:  103

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 专用集成电路
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