集成微流PCR聚合物芯片的研究

1、海交通人掌博士掌位论文集成微流聚合物芯片的研究摘要卅纪年代初由瑞的和提出 的以微机电系统技术为基础的“微掣全分析系统"引发了新。轮的研究热潮。的的是 通过对生物化学分析殴备的微犁化和集成化厦人限度地实现常规生物化学分析设薪 的功能甚垒实现整个分析实验室的功能。微流控芯片是当前最活跃的领域和发展前 沿它最集巾地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。将生物化学分析系 统缩微成单独?个完整的微出片小仪仅足分析系统寸的变化而且在分析性能上也带 来了巨人的提升。本研究的h的恳利用先进的技术发展。种单片微犁结构的高效廉 价的集成微流控芯片并且可以与一'些样本眦录作过程进行集成从而能

2、够进行快速、 自动、封闭的生物化学分析。论文的主耍研究内窖和成果如下,本文对在微芯片上实 现反戍作了研究综合丙内外的研究成果设计了?种结构简单、易于实现的集成聚合物 芯片同时在片上集成了微泉、微阀、微混合结构、微加热器和温度传感器、微反应 腔等功能单元以实现快速、自动、封闭的反心。对的原理进了研究用一维传热理论 对芯片的温度梯度及瞬态热反麻进了计算。采用有限元软件进行了芯片的维温度场 模拟。开发出'?种高效低成本、易于集成的微加丁丁艺。芯片采用玻璃一崖混合结 构通过软刻蚀沾加包含微腔和微管道结构的卜-层基底采用艺在玻璃基片加下出加热 电极及化感屯极井在基片上钻出进样?!屯与提样扎最后通

3、过紫外光照射封装的疔上将 基底与玻璃基片封装成为闭合的集成聚合物芯片。微流控芯片驱动与控制单元的研 究。采用'种简单的化学反心产生气体做驱动动力。通过对秤种微阀的比较确定厂。 种结构简单、易于集成的微毛细管阀。通过珂、液、气界面处的衷曲口出能分析 得出材料表面特性阀八寸结构与微阀背爪的关系。通过微泉与微阀的配合实上海交 通大掌博士掌位论文现一种溶液定量的方法。研制了集成芯片的控制器。利用虚拟 仪器技术搭建出整个芯片的控制台大大节省了开发时间。平台包括软件和硬件部分。 硬件部分包括数据采集卡、信号放大电路、电源、驱动电路、机和风扇个部分。在 利用增最型控制的基础上提出了增景型伪积分饱和状

4、态下参数微分化的错位控制算 法为了达到史好的温度控制效果。进。步设计了新型的模糊逻辑结合的算法。进 行了集成蘑片总体测试弓生物试验。验证了芯片驱动、控制样本流动的功能对集成 芯片进行了实际生物试验通过优化温度与时间等参数成功地扩增出|一标。关键词微 全分析系统微流控芯片聚合酶链反应芯片集成微流驱动微流控制模糊逻辑虚拟仪器 上海交通大掌博士学位论文oo上海交通人学聘士掌位论文上海交通人学学位论文原创性声明本人 郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集休已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的

5、个人和集体均已在文中以明确方式 标明。本人耆 锻兜奖旧 鞘姆 山询 杀救顺械！ q 宦畚淖髡咔卜 搴炼腥掌 淞尊弈暝乱胰丈虾=煌11筍a宦畚陌媛去褂檬i甚去楸狙 宦畚淖髡咄耆 私皮 s 泄壬a簟褂瞇宦畚牡墓娑皮 1 a販)蛻矣泄夭棵呕翰顾徒宦畚牡母 从k偷缱影嬖市砺畚谋徊樵暮徒ws1救耸谋力虾=煌(1筍3梢越 狙 宦畚牡娜 炕蛋糠帜灌荼暧診泄厥 耘饨 屑炯肪梢圆捎糜坝 跤姪 藥雀粗剖侄伪4 婿突惚啾狙 宦畚摹1 c芸说诟荒杲饷莒笫视帽臼進去秽1狙 宦畚氛粲i匡槐c芸 淞g舸遍陨戏娇岫连颉啊宓 宦畚淖髡咔卜 涔 疗 傅冀淌耳卜 倍纹 蝗掌- 觥u鲂氯杖掌谛 暝仑()蘸=煌匸搜p宦畚囊 缘谦徽滦髀

6、壑小19馈钏5隆7.a(15) 5.裙蒲b液兔拦忱径/暝氯樟瞎剂巳死嗷宰樨芷准岸运某醪椒治竜谢 7治竜谢 舂魅死嘎垢宰蹶梢诟电卷 宰槌晒灿型峻镣则龌 颉h死嗷 宰樋姑械南嗨贫取菁此 腥说男姑兄挥胁坏角x种 坏某锂鸠钦馈x种坏某锂鹅斐闪烁妹寮洙难】贼斓贾旅扛鎏说慕】邓讲煌？梢栽申贫哉庵植 钢斓牧私饨 评 a縮芯亢鸵窖x矫姻芯奕说南 壑怠h硕嘲傅治鑒缓鄒厦卩葛捶从a 2.应虻榷加卸 踣餐 牟僮極街琛俊堪 匸苴旱那 涂u萍唇 从k源 淌澤徒v付门 虻哪芟a 7绰俏镰19浮20. 0 1®寤 木 凡饬俊h兖旱幕旌稀房u苹旌衔铜娜确绰恰n耸够苑治瞿茹蛔远 斜醜敕(挂恢治17轨嗣低衬茹 唤9媚笛

7、碱抑型h敦姆治霾街?a id=,sogousnapo_13"集成剑单块微电子芯片上。 随着微电了技术的发展和微机电系统技术的出现使这种设想成为可能。在以这两种 技术为基础的前提年代初瑞十的和提出了“微删全分析系统,，的概念【-在以后得 到并国科学研究人员的重视。由在结构上的微硝化不仅带来分析设备尺寸上的变化 而且在分析性能上也带来众多的优点全封闭的样本处理步骤将人人减少由手操作引 起的样本污染。曲下微米级通道中的高导热平传质速率样本的分析和处理速度人人 加快由丁免除了人的介入从而使得分析是连续的分析的吞吐鞏要高丁相对应的宏观 分析厅法一至二个数龄级。的试样与试制消耗己降低剑微升水平升

8、随着技术水平的 提高将进一步减少到纳升级。这既阶低分析赞和贵重生物试荆的消耗也减少了环 境f染。廊用超人规模集成屯路制造技术制造实现批龄生产。可以显卉降低系统成 木。第一审绪论 的发展发展简介导在世纪年代后勰、年代初期分析系统的自动化、 徽碍化趋势已经出现其发展动力主要米自 环境及材料科学的发展屮对更多、更准 更快地获取物质成分信息的需要。是这一时明杰出的代表人物他成功地将分析化学传统操作中以玻璃器吼和苗器为 要具的操作模式转移到有液体连续流动 的管道屮创立了辻续流动分析【“。连续流动分析的观念是对分析化学其帝是对整个化学实验宝操作技术的一项革 命性贡献。虽然在溶液分析口动化方面连续流动分析取

9、得了成功但在改备微删化以 及试样和试荆消耗方面却进展不人分析速度也无显著提离。与 丁年提出了流动注数据处理与监泓控制废玻佶感器苹箸篙雾样木沾自勘 祥蓉绕典型的 系统'图典型的系辰圳棺槌瑟愎岐妾妾飒飒愎妾飒皙飒愍缩淀治霆妾楠铢愎瑾湎 愍愎楠瑾瑾妾皙飒愎斓母弄惣琛比缄乃尽k寝鹤肓酥幸答液鞫斜瞅胧迪滞耆 奈锢碑突 miw®墓鄆闾寄渥胸诅瑞 疣丄耆 旌喜煌耆 从卩酹妾胧迪指咧 叵中远舌锻治匏慕鄆恪u庖还鄆愕奶喋饺巳颂峋叨治舉俣韧 币泊俳 敕治就低车 奈突匝胧约料拇营妾纟相档途廓後健7治霾僮饕泊师虻廿亩 患毂夥 (17)菇0 匸罗疗蝗蟹掷掰3.恋懑9渤恋懑(2)灰悍掷掰砲仍谀诘牟适种惺

10、 匝按淼淖远 >唆甑姆(17)挂言忌腹紊婕叭梵悍知峡募负跛中没瞬蛋唤齟俳 朔治龌 远 臀(15) 姆(17)雇 找参 甑奶滸聚唐姜胪 贰！ be癒 愎绐瑙阖冉 际跻 牍纬 仟愍竺住薄 愎姻？羽怀园炎 坪=煌匸 搜p q 宦畚慕n12有酒 险庵肿爸梦 嗖阈酒 训怪饕 遣瑟螺罅说'丿6厂牧霞 有洒 慕射购鸵斩己芨丛悠洎荡h圆2槐蝗丝春谩5 笔泵 腹茁缴痉掷爰际醯难 杆偎(17)刮節卜酥匾姆(17)够觥r环矫婷腹孵纟颉疚節卜朔奖慷榛碗摹(10) 3.叨 鹊牡缩 侄瘟娥环矫嬖谛酒霞拥拿腹芳缠居窒允i 口奖却趁腹姑纟颉靖 帕嫉男阅坡r蛟舜撕嬉难芯空闰茄杆俳 姆(怪氐愣万辉许 k际醯钠桨宀a

11、ui軸 酒系耐蜕腹芬绳痉掷胛17肪叵低持溪妗辈贰a薄d咎拦鹑髒牍沂笛械耍绐飒鹅难芯孔樵诅瑾竦淖骰 q戏1 筱艘幌盗械穆畚母慕 诵酒 腹芳 结贝窘绞教峋毗似湫阅茸褪涤眯寓琛*妗薄d咎拦 愍醴愎锻芯孔樵谖17飾駆酒鲜状问迪至烁咚俨冼师韵至宋17飾甌酒 纳桃导壑怠d戟翹妾斓纫?aid=" sogousnapo_15h>集成了在基因分析中有重要意义的扩增与毛细管电泳在试样的 处理方面迈出了重要的一步。次年他们义实现了基丁微流控芯片的多通道毛细管电 泳脱氧核糖核酸测序"'。与此同时有芙企业中的微流控芯片研发二作也在加紧进 行一些微流控芯片开发企业纷纷与壯界著名分析仪器生

12、产厂家合作利用各白的技术 优势发展微流控芯片。公司最早成功开发了州、核糖核酸分析的专用微流控芯片还开发了“高通聲筛选系统''采刚名为的样品引入技术可用于超高速药物的筛选。公司的核酸分析微流控芯片由高聚物材料模圧而成。使坷电渗驱动方式可实现混合、温 育测磕、稀释、提纯、捕获、富集、进样分离、检测等一系州功能。州丁、分析及 高通瞇药物筛选荷兰的公司与研究所和人学等机构合作将微机电、微流体和 微检测部件等以标准的、可替换微流控部什的形式组合成系统。可应用在药物筛选、 组合化学、样品预处理、测繁系统等领域。公司的微流控技术平台能对复杂试样如全血进行预处理、分离、检测。最近义研制由不同微

13、流控单元组合而 成的微全分忻系统在如信州人小的微流控芯片上组合了混合器、反应器微阀磚一系列单元可对复杂流体如全血提供护理点分析“。从目前的发展水平來看经突破'加技术和基本微流控技术的瓶顿止在进 入一个深入研究、扩人麻用及深度广业化的阶段 ”。第一畫绪论的分类当前可分 为芯片式与非芯片式两人类芯片式还是依托丁传统的加方法利朋细管与蠕动泵构建 集成化微管道系统在试样与试剂消耗方面取得了一些垂要突破。但是由丁受加手段的限制集成化微管道系统不能缩微 的更小其与常规的生化分析系统在分析速度上相比并无明显的优辨。芯片式借助 下先进的加技术可以将微管道网络集成丁几十平方坦米其至儿十平方毫米的芯片上 从而使分析速度成十倍卤倍地提