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集成光纤式CE系统的研究

作　者: 陈俊杰
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: MEMS 微流控 CE 光纤蓝色LED
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

CE(Capillary Electrophoresis)毛细管电泳是以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的液相分离技术,微流控CE芯片是将常规毛细管电泳转移到芯片上,在芯片上完成样品的进样、反应、分离、检测等。相对于普通的毛细管电泳,微流控CE芯片具有低成本、高效率等特点。本文就微流控CE芯片的设计及工艺做了相关的研究,搭建了以微流控CE芯片为主体的集成光纤式诱导荧光检测系统,并在此基础上,对CE芯片与PCR (Polymerase Chain Reaction)芯片集成技术进行了一定研究,以期在同一块芯片上实现生物样品的扩增、分离和实时检测,这也是微流控CE芯片的发展趋势之一。本检测系统主要分为五个部分,主体为作者设计的PDMS+PDMS +玻璃三层结构的微流控CE芯片,芯片加工流程简单,键合紧密,其结构设计能够有效减小样品的拖带现象,同时保证光纤中心与通道完全对准。芯片外接光路系统、电压源系统、光电信号转换系统及信号放大收集系统。该系统以蓝色LED为激发光源,多模光纤为光传输通道,通过光电倍增管将样品受激发产生的荧光进行光电信号转换,由PXIe-6124数据采集卡采集数据后在显示屏上显示。使用该系统进行了生物实验,在130s内完成了FITC标记的三种氨基酸精氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸混合物的分离,表明了该系统的可靠性和实用性。本论文主要包含了以下几个内容:1介绍微流控CE芯片系统的原理及国内外的微流控芯片系统的研究进展。2通过CoventorWare软件对微流控CE芯片进行仿真,探讨了不同形状的微流控通道及不同进样方式的优缺点,根据仿真结果,设计了一种PDMS+PDMS+玻璃三层结构的微流控CE芯片并优化了相关参数。3探讨了微流控CE芯片的加工流程,优化并确定了相关工艺参数,通过软光刻法制得含有微通道的PDMS盖片,通过去离子法实现盖片与玻璃基底之间的不可逆封接,完成了CE芯片的制作。4对CE芯片与PCR芯片集成进行探索尝试,完成了PCR-CE芯片相关微器件的仿真,根据仿真结果,设计并制作了PCR-CE芯片,并探究了集成中出现的相关问题。5构建了集成光纤式CE检测系统,使用该系统,在130s内完成了FITC标记的三种氨基酸精氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸混合物的分离。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-33
  1.1 引言  15-16
  1.2 微流控 CE 芯片相关原理  16-22
    1.2.1 毛细管电泳原理  16-18
    1.2.2 微流控CE 芯片原理  18-20
    1.2.3 微流控CE 芯片进样方式  20-22
  1.3 微流控芯片的发展及应用  22-26
    1.3.1 微流控芯片的发展过程  22-24
    1.3.2 微流控芯片的应用  24-26
  1.4 微流控芯片的检测方法  26-30
    1.4.1 激光诱导荧光检测法  27-28
    1.4.2 化学发光检测法  28-29
    1.4.3 电化学检测法  29
    1.4.4 质谱检测法  29-30
  1.5 微流控芯片的加工工艺介绍  30-31
  1.6 课题的研究内容及意义  31-32
  1.7 本章小结  32-33
第二章微流控CE 芯片的仿真及设计  33-55
  2.1 模拟仿真软件CoventorWare  33
  2.2 微流控CE 芯片的仿真  33-47
    2.2.1 微流控CE 芯片分离通道的形状分析  34-40
    2.2.2 微流控CE 芯片进样通道的形状分析  40-43
    2.2.3 不同电压加载下的进样分离情况的研究  43-47
  2.3 集成光纤式微流控CE 芯片的设计  47-53
    2.3.1 微流控CE 芯片的材料选择  47-49
    2.3.2 微流控CE 芯片的总体结构设计  49-51
    2.3.3 微流控CE 芯片微通道结构的设计  51-52
    2.3.4 微流控CE 芯片微通道的参数设计  52-53
  2.4 本章小结  53-55
第三章集成光纤式CE 芯片的加工工艺  55-69
  3.1 微流控CE 芯片的工艺流程  55-56
    3.1.1 微流控芯片加工过程中所用仪器  56
  3.2 光刻及掩模板  56-58
  3.3 软光刻法制备PDMS 盖片  58-64
    3.3.1 软光刻法介绍  58-59
    3.3.2 SU-8 模具的制作  59-62
    3.3.3 PDMS 盖片的制作  62-64
  3.4 光纤的处理和集成  64-65
  3.5 芯片封装工艺的研究  65-67
  3.6 储液池的制作  67-68
  3.7 本章小结  68-69
第四章 PCR-CE 芯片的设计与制作尝试  69-82
  4.1 PCR-CE 芯片介绍与发展  69-71
  4.2 PCR-CE 芯片的材料选择  71-72
  4.3 PCR-CE 芯片的模拟仿真  72-76
    4.3.1 PCR-CE 芯片的微混合通道的仿真分析  72-74
    4.3.2 PCR-CE 芯片的微加热器结构仿真分析  74-76
  4.4 PCR-CE 芯片的结构设计  76-78
  4.5 PCR-CE 芯片的加工工艺  78-81
    4.5.1 PCR-CE 芯片模具的制作  78-79
    4.5.2 PDMS 盖片的制作  79
    4.5.3 含有Pt 电极和温度传感器的玻璃基板的制作  79
    4.5.4 半固化封装键合  79-81
  4.6 PCR-CE 芯片相关问题探究  81
  4.7 本章小节  81-82
第五章集成光纤式CE 检测系统  82-96
  5.1 激光诱导荧光检测法的介绍  82-83
  5.2 集成光纤式微流控芯片系统  83-92
    5.2.1 电源系统  84-86
    5.2.2 光路系统  86-87
    5.2.3 光电信号转换系统  87-90
    5.2.4 信号放大收集系统  90-92
  5.3 生物实验  92-94
    5.3.1 实验试剂  92
    5.3.2 实验过程与结果  92-93
    5.3.3 不同参数对分离速率的影响  93-94
  5.4 本章小节  94-96
第六章总结与展望  96-99
  6.1 全文总结  96-97
  6.2 主要创新点  97-98
  6.3 下一步研究设想与展望  98-99
参考文献  99-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  105-107

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