高聚物基PCR微流控芯片的准分子激光制备和应用研究

论文摘要

本文对生物芯片以及PCR技术的发展历史、研究现状以及未来发展趋势进行系统回顾和分析。作为第二代生物芯片的PCR微流控芯片,因其在分子生物学和生物医学上有着重要的应用,是一种值得研究的重要芯片。随后针对目前国内外PCR微流控芯片的研究现状,提出了采用准分子激光微细加工技术在价格便宜、生物兼容性好的聚甲基丙烯酸甲脂材料(PMMA)上制备PCR微流控芯片的新方法。PCR微流控芯片的首要任务是三个恒温区换热长度的计算,针对目前PCR微流控芯片的设计缺乏理论计算和数值模拟的现状,本文应用计算流体力学软件FLUENT分别对宽100μm,深50μm的直通道、弯通道以及逶迤型通道内微流体的速度场分布和温度场分布进行了数值模拟,总结出了微流体从入口处充分发展成为层流的过渡长度以及温度场达到稳态的换热长度,随后结合进行PCR反应的原理,应用CAD软件设计出了20个循环的PCR微流控芯片。PCR微流控芯片的制备则是采用本文提出的新方法,在PMMA材料上制备出横截面为矩形、底面光滑、逶迤型的微通道。为此在应用扫描电镜和三维形貌分析仪对PMMA表面被准分子激光刻蚀前后的形貌、刻蚀粗糙度以及单脉冲刻蚀率等进行详细分析的基础之上,总结出了准分子激光刻蚀PMMA的宏观规律和微观刻蚀机制,提出了一种准分子激光刻蚀PMMA的是光热光化学以及羽辉共同作用的理论解释。随后应用总结出的优化加工参数在该材料上刻蚀出了宽104μm,深56μm,矩形度高达80%,底面光滑的20个循环的PCR微流控芯片。制备出来的芯片必须和相同尺寸的盖片键合在一起,在芯片表面形成密闭的微通道才能投入使用。为此本文应用自己搭建的热压键合装置分析了PMMA基PCR微流控芯片热压键合过程中压力、温度以及恒温时间对键合质量影响的分析,总结出了该芯片进行热压键合的优化参数为:160N,95°C和20分钟,然后在此参数下,将该芯片和相同尺寸的盖片键合在了一起,键合后的芯片具有良好的密封性能,最大能够承受0.85Mpa的压力。键合好的芯片还必须和本文自己设计的多路温控系统集成在一起才能投入使用。该温控制系统主要包括两部分:1)温控功能的实现;2)温控系统隔热效果的理论计算和实际测量。其功能的实现主要是采用AD590作为温度传感器,采

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物芯片的概念
• 1.3 生物芯片的发展历史
• 1.4 微点阵类型生物芯片
• 1.5 PCR微流控芯片
• 1.5.1 PCR技术简介
• 1.5.2 PCR技术沿革
• 1.5.3 三类PCR器件的比较
• 1.5.4 PCR微流控芯片待改进之处
• 1.6 芯片实验室
• 1.7 芯片材料
• 1.8 微加工方法
• 1.8.1 光刻和蚀刻技术
• 1.8.2 热压法
• 1.8.3 注塑法
• 1.8.4 激光烧蚀微加工方法
• 1.9 封装
• 1.9.1 热键合
• 1.9.2 阳极键合
• 1.9.3 粘接
• 1.9.4 微流控器件和外部设备的耦连
• 1.10 研究内容
• 第二章 PCR微流控芯片的理论设计
• 2.1 流体力学理论基础
• 2.2 微流体速度场和温度场数值实验
• 2.2.1 直通道数值模拟
• 2.2.2 弯道的数值模拟
• 2.2.3 逶迤型通道数值模拟
• 2.2.4 数值模拟的实验验证
• 2.2.5 PCR微流控芯片的设计
• 2.3 小结
• 第三章 PCR微流控芯片的准分子激光制备和热压键合研究
• 3.1 准分子激光微加工方法
• 3.1.1 准分子激光器
• 3.1.2 准分子激光微加工系统
• 3.1.3 准分子激光光束质量
• 3.1.4 准分子激光微加工技术的优点
• 3.2 准分子激光刻蚀聚合物材料的研究
• 3.2.1 准分子激光刻蚀聚合物材料的特点
• 3.2.2 准分子激光刻蚀聚合物材料的理化模型
• 3.3 准分子激光刻蚀PMMA规律研究
• 3.3.1 PMMA刻蚀形貌研究
• 3.3.2 PMMA准分子激光单脉冲刻蚀率研究
• 3.3.3 粗糙度随加工能量密度的变化
• 3.3.4 刻蚀深度和脉冲数之间的关系
• 3.3.5 PCR微流控生物芯片的制备
• 3.4 热压键合研究
• 3.5 小结
• 第四章 面向PCR微流控芯片的多通道温控系统
• 4.1 温度采集及信号放大电路
• 4.2 多路模拟开关和A/D转换
• 4.3 2051 单片机
• 4.4 D/A转换电路
• 4.5 驱动电路
• 4.6 12232F图形点阵液晶显示器
• 4.7 串口通信
• 4.8 系统软件设计
• 4.8.1 汇编语言简介
• 4.8.2 MCS-51 指令系统概述
• 4.8.3 MCS-51 指令介绍
• 4.8.4 程序说明
• 4.9 调试
• 4.10 小结
• 第五章 PCR扩增实验
• 5.1 进样系统
• 5.1.1 精密注射泵的安装
• 5.1.2 精密注射泵的调试
• 5.2 进样系统和芯片的耦合
• 5.3 温控系统的隔热效果研究
• 5.3.1 隔热效果的理论计算
• 5.3.2 隔热效果的数值模拟
• 5.3.3 隔热效果的实际检测
• 5.4 PCR扩增实验
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文主要内容和创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录
• 致 谢