论文题目: 硅基微聚合酶链式反应芯片的热设计、分析和优化
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力工程及工程热物理
作者: 王玮
导师: 过增元
关键词: 芯片,热分析,热设计,热优化
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 聚合酶链式反应(PCR),即通过引物延伸核酸特定片断而进行的重复双向DNA 合成,是一种非常重要的分子生物学技术,它能够实现核酸分子的富集,以满足后续的分析与检测的需要,因此是许多临床检测与生物分析技术的先导。在微系统朝着生物领域进军的过程中,微PCR 芯片始终是研究的热点之一。本文从传热学角度对微PCR 芯片的热循环性能进行分析、设计和优化,并实验研究了硅对PCR 过程的抑制作用。采用数值模拟和集总热容法研究了现有的微腔型PCR 芯片和微流控型PCR 芯片的热循环过程,分析了芯片几何形状、材料、换热条件等因素对芯片热循环性能的影响;讨论了两种芯片的恒温控制效果。在对两种芯片热性能分析的基础上,针对芯片的要求给出了优化设计的建议。在对已有微PCR 芯片热循环性能的分析和比较的基础上,提出了一种新型的热循环过程的实现方法,即“加热冷却-恒温”混合热循环模式,并采用硅微加工技术加以实现,研制出硅基液滴振荡型微PCR 芯片,PCR反应液以液滴形式在三个恒温工作区之间做往返振荡运动,以此来完成对反应液内DNA 的变性、退火和延伸,实现核酸的扩增;通过对人乳头瘤病毒的PCR 扩增实验验证了本文所研制的芯片的可靠性,结果表明硅基液滴振荡型微PCR 芯片能够实现快速而准确的核酸扩增,芯片扩增所需时间仅为常规PCR 仪的1/9。针对所研制芯片在实验过程中出现的问题和不足,给出芯片优化设计的策略;建立了硅基液滴振荡型微PCR 芯片的集总热容模型,采用该模型对芯片进行热性能优化;通过数值模拟的方法研究了优化后芯片的热循环性能;对芯片热循环和恒温控制过程的耦合仿真整定了PID 控制器参数。最后,为了分析微PCR 芯片中硅材料对PCR 过程的抑制作用,采用实时定量PCR 的方法研究了不同氧化状态下硅纳米颗粒对核酸扩增效率的影响,并籍此探讨硅对PCR 过程的抑制作用及其机理。
论文目录:
摘要
ABSTRACT (英文摘要)
主要符号表
第一章前言
1.1 研究背景
1.1.1 微系统概述
1.1.2 微尺度传热与微热系统
1.1.3 聚合酶链式反应及其应用
1.2 研究现状
1.2.1 微PCR 芯片
1.2.2 微PCR 芯片的热分析、设计和优化
1.2.3 硅对PCR 过程的抑制作用
1.3 微PCR 芯片研究中存在的问题
1.4 本文研究的主要内容
第二章 微腔型PCR 芯片的热分析和热设计
2.1 升降温过程的数值模拟
2.1.1 物理模型
2.1.2 加热器布置方式的热设计
2.1.3 冷却方式的热设计
2.2 升降温过程的集总热容法分析
2.2.1 集总热容模型
2.2.2 集总热容模型的验证
2.2.3 C~*对升降温过程的影响
2.2.4 R~*对升降温过程的影响
2.3 恒温过程的热分析和热设计
2.3.1 控制算法
2.3.2 C~*温控制性能的影响
2.3.3 R~*对恒温控制性能的影响
2.4 小结
第三章 微流控型PCR 芯片的热分析和热设计
3.1 一维模型
3.2 二维模型
3.2.1 几何结构的影响
3.2.2 材料的影响
3.2.3 边界条件的影响
3.3 三维模型
3.4 微流控型PCR 芯片的集总热容法分析
3.4.1 集总热容模型
3.4.2 R~*的影响
3.4.3 Q~*的影响
3.4.4 恒温控制性能分析
3.5 小结
第四章 硅基液滴振荡型微 PCR 芯片
4.1 已有热循环模式的比较
4.2 “加热冷却-恒温”混合热循环模式
4.3 设计构想与工作原理
4.3.1 设计构想
4.3.2 工作原理
4.4 热分析与热设计
4.4.1 隔热槽的热设计
4.4.2 温度传感器的热设计
4.4.3 工作过程热性能分析
4.4.4 工作区连接处的热设计
4.5 芯片微加工与芯片系统
4.5.1 微加工工艺流程设计
4.5.2 凸角保护
4.5.3 温度传感器的线性度
4.5.4 芯片和芯片系统
4.6 人乳头瘤病毒DNA 的扩增实验
4.6.1 表面处理
4.6.2 恒温控制
4.6.3 液滴定位
4.6.4 PCR 实验
4.7 小结
第五章 硅基液滴振荡型微 PCR 芯片的热优化
5.1 主要问题与优化策略
5.1.1 主要问题
5.1.2 优化策略
5.2 芯片几何结构的热优化设计
5.2.1 优化设计对象
5.2.2 集总热容模型
5.2.3 集总热容模型的数值验证
5.2.4 工作区宽度的优化
5.2.5 冷源通道优化
5.2.6 工作区连接处长度优化
5.2.7 优化芯片的热循环性能
5.3 恒温控制的优化设计
5.3.1 控制算法
5.3.2 PID 控制器参数的整定
5.3.3 热汇温度对恒温控制的影响
5.4 小结
第六章 硅对PCR 过程抑制作用的实验研究
6.1 前人的工作
6.1.1 研究现状
6.1.2 存在的问题与解决方法
6.2 硅纳米颗粒的表征与 PCR 反应体系的制备
6.2.1 硅纳米颗粒的表征
6.2.2 硅纳米颗粒悬浮液的制备
6.2.3 PCR 反应体系的制备
6.3 实时定量PCR 实验
6.3.1 实验步骤
6.3.2 实时定量PCR 实验结果
6.4 抑制机理初探
6.5 硅基微PCR 芯片中抑制作用分析
6.6 小结
第七章 结论
参考文献
发布时间: 2005-11-16
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