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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。
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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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