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基于MEMS工艺的PCR微流控系统的研制

作 者: 伍择希
导 师: 张卫平
学 校: 上海交通大学
专 业: 电子与通信工程
关键词: PCR反应 MEMS 生物芯片 微流控芯片 PDMS-玻璃
分类号: TN492
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


PCR反应(Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应)是分子生物学研究不可或缺的手段。传统的PCR技术存在很多缺点,而利用MEMS微加工技术制造出的微流控生物芯片可以在PCR的应用上有着很大的优势。本文的研究目的是设计并制作出可靠性稳定、成本低、功能集成度高的微流控芯片,并能与外部控制设备相结合,共同组成方便、快捷、高效的PCR扩增检测系统,实现一体化的DNA片段的试样准备、扩增和检测。为进一步的生物应用打下基础。本文的主要研究内容和成果如下:1.设计出一套PCR-CE一体化系统,其能一体化的实现试剂的混合、PCR反应、产物分离。微流控芯片主要由具有微通道的上PDMS盖片与溅射了电极的下玻璃基板键合而成。2.对本文设计的温度和传感电极位于PCR反应腔下的结构进行了有限元热模拟分析。分析证明这种设计拥有更好的均匀热分布,同时温控上也有着突出优势。3.通过对MEMS工艺的研究,最终确定了一套制作PDMS-玻璃微流控芯片的可靠技术。使用SU-8快速制备阳模,PDMS转移图形得到具有微流控通道的PDMS盖片;在玻璃基板上加工铂电极,然后保护好需要外露部分电极,其他部分以薄层PDMS覆盖,得到电极基板;将PDMS盖片与电极基板半固化键合制得同时具有加热和温度传导电极和CE高压电极的PDMS-玻璃芯片。4.搭建了PCR-CE微流控检测系统的相关的外部设备和程序,并对微流控系统进行了测试。温控系统升温速度达到15°C / s,波动范围为±0.4°C。CE系统也实现了进样、分离与检测。

全文目录


摘要  2-4
ABSTRACT  4-12
第一章 绪论  12-34
  1.1 引言  12
  1.2 PCR 反应技术  12-16
    1.2.1 PCR 反应原理  12-14
    1.2.2 反应温度与时间对PCR 反应的影响  14-15
    1.2.3 PCR 循环次数  15
    1.2.4 PCR 结果分析  15
    1.2.5 PCR 技术的特点  15-16
    1.2.6 PCR 的应用  16
  1.3 MEMS 技术  16-18
  1.4 微流控芯片及相关技术  18-22
    1.4.1 徽流控芯片  18-19
    1.4.2 微全分析系统  19
    1.4.3 微流控芯片流体的控制  19-20
    1.4.4 微流控芯片的检测手段  20-21
    1.4.5 毛细管电泳芯片(CE)  21-22
  1.5 传统PCR  22-23
  1.6 PCR 微流控芯片  23-32
    1.6.1 静态微腔室型PCR 芯片  24-27
    1.6.2 连续流式PCR 芯片  27-32
  1.7 本论文的研究意义及主要研究内容  32-33
    1.7.1 研究目的及意义  32
    1.7.2 主要研究内容  32-33
  1.8 本章小结  33-34
第二章 PCR 微流控芯片的设计  34-47
  2.1 芯片设计路线  34
  2.2 PCR-CE 系统的设计样例  34-37
  2.3 实验室研究背景  37-38
  2.4 芯片材料选择  38-40
  2.5 PCR-CE 微流控芯片整体设计  40-41
  2.6 PCR-CE 微流控芯片的功能设计  41-42
  2.7 微流控芯片上PDMS 盖片的微通道设计  42-44
    2.7.1 混合通道  42-43
    2.7.2 PCR 区域  43
    2.7.3 CE 区域  43-44
  2.8 微流控芯片下电极基板的设计  44-46
  2.9 本章小节  46-47
第三章 微流控芯片结构的热模拟分析  47-60
  3.1 模拟仿真的问题提出  47-48
  3.2 有限元分析介绍  48
  3.3 使用软件介绍  48-51
    3.3.1 ANSYS  48-49
    3.3.2 ANSYS Workbench  49-50
    3.3.3 AutoCAD  50
    3.3.4 SolidWorks  50-51
  3.4 模拟结构  51-52
  3.5 模拟参数  52-53
  3.6 模拟软件的使用  53-56
    3.6.1 AutoCAD 的2D 版图设计  53
    3.6.2 SolidWorks 的3D 装配体的生成  53-54
    3.6.3 ANSYS Workbench 平台的设置  54-56
  3.7 模拟结果分析  56-59
    3.7.1 稳态热模拟分析  56-58
    3.7.2 瞬态热模拟分析  58-59
  3.8 本章小节  59-60
第四章 微流控芯片MEMS 工艺的研究  60-83
  4.1 试剂与仪器  60
  4.2 掩模板  60-62
  4.3 基板处理  62-63
  4.4 PDMS 模具研究  63-69
    4.4.1 模具与SU-8 胶  63-65
    4.4.2 SU-8 阳模的制备  65-69
  4.5 PDMS 工艺研究  69-71
  4.6 电极基板的加工  71-74
    4.6.1 Lift off 工艺  72-73
    4.6.2 溅射刻蚀  73-74
  4.7 封装键合  74-78
    4.7.1 改性封装研究  75-76
    4.7.2 改进型半固化封装研究  76-78
  4.8 确定的MEMS 加工工艺  78-79
    4.8.1 SU-阳模的制作  78
    4.8.2 PDMS 盖片的制作  78-79
    4.8.3 Pt 电极基板的制作  79
    4.8.4 封装键合  79
  4.9 集成光纤的CE 通道的制备及尝试  79-80
  4.10 外部连接的实现  80-81
  4.11 本章小节  81-83
第五章 外部设备  83-91
  5.1 压电泵  83-87
    5.1.1 压电泵介绍  83-85
    5.1.2 压电泵控制方法  85-87
  5.2 温度控制系统  87-89
  5.3 CE 荧光检测系统  89-90
  5.4 本章小节  90-91
第六章 成品与测试  91-100
  6.1 SU-8 阳模成品检测  91-93
  6.2 微流控芯片封装测试  93-94
  6.3 流体注入测试  94-95
  6.4 PCR 温度控制系统的测试  95-98
  6.5 CE 电泳分离测试  98-99
  6.6 本章小结  99-100
第七章 总结与展望  100-103
  7.1 主要工作和创新点总结  100-102
  7.2 后续研究工作  102-103
参考文献  103-108
致谢  108-109
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  109
攻读硕士学位期间申请的专利  109

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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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