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微型无标记静止式PCR系统研究

作　者: 田昊
导　师: 刘冲；刘泽文
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微加热器微传感器微反应腔
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

为了解决传统聚合酶链反应(PCR)系统反应时间长、功耗高以及样品消耗大的缺点,本文利用微机电系统(MEMS)比表面积高以及体积小的优势,从传热理论出发,设计、制造并且测试一种微型无标记静止式PCR系统。这个系统由微加热器、微电极和微反应腔三部分构成,分别涉及到硅基MEMS技术,无标记电化学检测技术以及聚合物微密封技术。本文将针对微型PCR系统的三个组成部分逐一展开讨论。首先,本文进行硅基电阻式微加热器研究。根据Fourier传热定律建立了微加热器热传导模型。从衬底材料以及结构出发,研究传热性能影响的影响因素,并且通过实验手段获得了关键热学参数。由于Biot数远小于0.1,因此可以对微加热器进行薄壁模型简化处理。使用有限差分法和有限元素法对传热方程组进行计算,得到存在200μm空气隙的微加热器结构可以提高微加热器热效率的推论。采用CMOS相兼容的工艺制作了硅基微加热器,并根据进行了自定义电压波形控制实验。控制实验温度误差±1.5℃,达到PCR反应的温度精度要求。其次,本文进行了基于电化学原理的无标记微电极研究。采用有限元电场分析的方法设计了一种电场分布均匀微电极。根据电化学以及生物相容性的要求,设计工作电极为100nm铂,参比电极为100nm铝,对电极为100nm银,并利用金属沉积与正胶剥离工艺进行制造。在对甲醇、乙醇和甲醛的水溶液的无标记检测过程中,检出其峰值电位分别为-0.25V、0.15V和0.37V。利用纳米金颗粒比表面积大、电阻低的特性,又进行了电化学方法沉积纳米金颗粒提高微电极信号强度的实验。再次,本文进行了聚合物微反应腔研究。利用SU8亲水性和PDMS疏水性以及接触角的测量结果来设计聚合物微反应腔,并进行聚合物加工。为了实时检测微反应腔的溶液体积的变化,本文提出了一种非接触式间接测量微小溶液体积变化的方法。在PCR静态测试中,在室温条件下500s内微反应腔溶液不发生泄漏。在动态测试中,在达到PCR反应最高温度的95℃时,微反应腔可以在300s内维持相对于原溶液30%以上的体积。最后本文进行微型PCR系统测试。利用DsRedDNA进行了扩增实验,分别设定温度进行多次循环。使用微电极对DNA扩增产物浓度进行检测,并且利用凝胶电泳对DNA产物浓度进行验证,二者结果相符。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-14
  1.1 论文选题背景  10
  1.2 研究现状与存在问题  10-12
  1.3 本文主要研究内容  12-14
2 硅基电阻式微加热器研究  14-30
  2.1 基于Fourier传热的微加热器设计  14-26
    2.1.1 一维微加热器数学建模  14-16
    2.1.2 关键热学参数的实验获取法  16-21
    2.1.3 电热耦合微加热器仿真  21-25
    2.1.4 微加热器设计小结  25-26
  2.2 基于MEMS工艺的微加热器制造  26-28
    2.2.1 工艺设备  26
    2.2.2 工艺流程  26-28
  2.3 微加热器温度控制实验  28-29
    2.3.1 控制系统搭建  28
    2.3.2 自定义波形控制结果  28-29
  2.4 本章小结  29-30
3 基于电化学检测的微传感器研究  30-39
  3.1 基于电场仿真的微传感器设计  32-34
    3.1.1 设计参数  32-33
    3.1.2 稳态恒压电场仿真  33-34
  3.2 基于MEMS工艺的微传感器制造  34-35
  3.3 基于三电极电化学原理的微传感器试验  35-38
    3.3.1 实验系统搭建  35
    3.3.2 单一有机物水溶液检测  35
    3.3.3 多种有机物混合水溶液检测  35-36
    3.3.4 微传感器信号增强研究  36-38
  3.4 本章小结  38-39
4 聚合物微反应腔制造与密封研究  39-49
  4.1 聚合物微反应腔设计  39-40
    4.1.1 微反应腔结构设计  39-40
    4.1.2 选取材料的原则  40
  4.2 聚合物微反应腔制造  40-41
  4.3 基于间接测试的微反应腔密封试验  41-46
    4.3.1 μPCR系统准备  41-42
    4.3.2 密封失效分析  42-43
    4.3.3 反应腔密封试验  43-44
    4.3.4 反应腔加热试验  44-46
  4.4 微型静止式PCR系统调试  46-47
    4.4.1 样本DNA准备  46
    4.4.2 微型静止式PCR系统准备  46
    4.4.3 测试结果  46-47
  4.5 本章小结  47-49
结论  49-50
参考文献  50-53
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  53-54
致谢  54-56

微型无标记静止式PCR系统研究

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