聚合酶链式反应生物芯片系统的设计研究

论文摘要

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）广泛应用于生命科学的各个领域。集成化的PCR生物芯片充分利用芯片热容量小、比表面积大、节省珍贵样品的优点使得该项技术应用更加方便快捷、高效可靠。本文的研究内容包括:首先针对PCR反应所需的温度均衡性,应用有限元分析方法优化加热电极形状及微腔反应室的高度。采用基于微加工技术的研究方法,在0.2mm厚的玻璃基片集成Pt加热电极及温度传感器,针对高分子聚合物聚碳酸酯（PC）热模压工艺参数进行了研究并制作出芯片微反应室的腔体。其次对于Pt传感器温度电阻公式进行分析测得所制作的Pt传感器的电阻温度系数。之后对传感器微信号的获取进行了深入研究并采用了以精准恒流源LM336-2.5、AD620以及OP07为基础的高精度放大电路。最后采用以FPGA为核心的控制系统,用VHDL硬件描述语言实现包括AMP、AD、PID、PWM和LCD等模块,用ISE软件完成编译下载实现系统功能。该系统有利于PCR系统的升级并能有效集成到微全分析系统中。基于玻璃基片和聚碳酸酯实现的PCR芯片集成了DNA反应室、Pt加热电极及温度传感器等功能组件。微腔反应室容积约为5微升。通过简化芯片的微结构、微加工工艺和微加工设备,制作出较低成本PCR芯片。同时对芯片的控制系统进行了研究,构建了以FPGA为核心的控制系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 生物芯片技术概述
• 1.2 聚合酶链式反应芯片技术
• 1.3 芯片材料及微加工方法
• 1.4 本文研究的内容
• 2 PCR 电极热学分析及设计
• 2.1 传热学
• 2.2 ANSYS 有限元分析工具
• 2.3 PCR 芯片的ANSYS 建模及稳态分析
• 2.4 小结
• 3 PCR 芯片的设计与制作
• 3.1 玻璃基PT 电极传感器的制作
• 3.2 聚合物PC 微流控芯片模压成型研究
• 3.3 芯片的组合封装
• 3.4 小结
• 4 PT 传感器检测及信号放大
• 4.1 金属薄膜材料特性
• 4.2 电极参数测定
• 4.3 PT 电极传感器信号放大电路
• 4.4 小结
• 5 PCR 芯片控制系统设计
• 5.1 控制系统总体框图
• 5.2 AMP 及ADC 数据采集
• 5.3 PID 原理及实现
• 5.4 PWM 原理及实现
• 5.5 小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献