PCR微流控芯片温度控制的研究

论文摘要

聚合酶链式反应(PCR)芯片是一种DNA在体外扩增的技术,是生物芯片的一种,具有比表面积大、传热快、体积小、所需试剂少、无污染、操作简单等优点,可以实现大规模柔性生产和高通量筛选等功能。PCR微流控芯片是采用微流控技术将常规使用的PCR仪做成一个微型的反应系统,从而实现了DNA在体外快速选择性扩增,在生物医学等领域获得了广泛应用,成为当今一个人们研究的热点。PCR的扩增主要是依赖三个温区的温度,当三个温区的温度达到酶所需要的温度时,会促进反应的自动进行,从而达到基因扩增的目的,因此PCR微流控芯片对温度的控制有很高的要求。本文采用高聚物PDMS作为PCR微芯片通道的材料,玻璃为基底,并采用铜薄膜制作PCR微流控芯片的加热器。利用IntelliSuite软件对不同形状和尺寸的加热器所产生的温度分布和热特性进行了仿真分析,根据温度仿真分析结果确定了PCR微流控芯片采用曲线形加热器,通过进一步的对曲线形加热器具体结构的仿真,得出了合适的曲线形加热器的结构,并在玻璃片上作出了铜薄膜曲线形加热器。此外还设计了与PCR微流控芯片配套的温度控制系统。该系统是采用单片机AT89C51,利用三路数字式温度传感器DS18B20作为三个温区的数据采集输入通道,采用增量式PID控温算法及PWM技术实现了对光电耦合器和继电器的控制,从而实现了对铜薄膜曲线形加热器加热的控制,从而研制出升温迅速、控温准确的PCR微流控芯片的温控系统,实现了连续式PCR微流控芯片的三温区的温度准确的控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 PCR 的由来
• §1-2 微流控芯片
• §1-3 PCR 微流控芯片
• §1-3-1 PCR 概述
• §1-3-2 PCR 原理
• §1-3-3 PCR 技术的特点
• §1-3-4 PCR 技术的应用
• §1-3-5 PCR 芯片的国内外现状
• §1-3-6 PCR 微流控芯片的特点
• §1-4 本论文结构及主要研究内容
• 第二章 高聚物基 PCR
• §2-1 PCR 芯片的材料
• §2-2 PCR 芯片的结构
• §2-3 以聚合物为衬底材料的PCR 生物芯片封接技术
• 第三章 PCR 微芯片加热器的设计与仿真
• §3-1 常用的加热方式
• §3-2 加热器的结构设计与模拟仿真
• 3-2-1 点加热器
• 3-2-2 直线加热源
• 3-2-3 曲线形加热源
• §3-3 曲线形加热器设计仿真
• 3-3-1 曲线加热器的宽为70μm，间隔为100μm
• 3-3-2 曲线加热器的宽为70μm，间隔为70μm
• 3-3-3 曲线加热器的宽为60μm，间隔为70μm
• §3-4 曲线形加热器的制作
• §3-5 加热器位置的选择
• §3-6 加热器材料的选择
• §3-7 三个温区的温度仿真
• §3-8 加热器的温度响应
• 第四章 温度控制的电路设计
• §4-1 供电电源电路
• §4-2 温度采集部分
• §4-3 温度控制
• §4-4 脉宽调制（PWM）控制
• §4-5 温度控制算法
• §4-6 液晶显示部分
• §4-7 实验结果
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果