用于生物医学检测的一种新型PCR芯片的研究

论文摘要

生物芯片是近年随着微加工技术与生物技术的结合发展起来的一个新颖的跨学科领域。PCR生物芯片由于具有功耗小、成本低、操作简单、易于集成等传统PCR技术所不具备的优点，成为目前倍受瞩目的研究焦点。本文在综述PCR芯片研究进展的基础上，提出一种可用于生物医学检测的新型PCR芯片。在完成芯片的设计、工艺制作、实验测试的同时，对两种可用于生物芯片构建的新型聚合物材料的工艺条件进行了优化研究。本论文的主要结构如下：（1）设计了两版PCR芯片系统，并且对芯片的功能器件与整体版图进行了设计。在第一版的设计中提出了一种三模块微型PCR芯片系统；第二版在对第一版改进的基础上提出了一种新型的PCR芯片系统。通过备选材料各方面参数的对比与工艺兼容性的考虑，确定了芯片的衬底材料以及各种功能器件的制作材料。通过设计参数的计算和对比，设计了温度传感器与多种形貌的微加热器及电化学微电极。（2）详细阐述了两版PCR芯片的工艺制作、工艺结果以及微系统的组装。芯片是用MEMS微加工技术制作完成。通过光学照片及SEM电镜照片等手段表征的最终工艺制作结果可以看出，芯片表面膜厚均匀，功能器件线条清晰，工艺效果良好。（3）用封装芯片进行了一系列实验测试，以检测芯片性能。实验结果显示，温度传感器TCR系数为4.34×10-3℃-1，芯片热均匀性良好，升降温平均速度分别可达到3℃/s与5℃/s，具有良好的温度稳定性和可控性；微电极的检测限可达到6.9×10-10mol/L，具有高灵敏度、良好的稳定性以及可重复性。（4）介绍了一种基于含氟气体C4F8的反应离子刻蚀（RIE）工艺干法刻蚀硅橡胶聚二甲基硅氧烷（PDMS）的方法，取得了优化的实验条件和良好的刻蚀效果，为解决PDMS在用于生物微流体器件加工过程中难以直接图形化的问题提供了一种有效的手段。（5）对一种有生物芯片应用前景的聚丙烯酸干膜光刻胶（DFP）新型材料的曝光及显影特性进行了研究，并用该干胶进行微流道试验研究。通过实验，优化了曝光及显影时的工艺参数，并获得理想形貌的干胶微沟道结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PCR 技术的原理及应用
• 1.2.1 PCR 技术的原理
• 1.2.2 传统 PCR 仪器系统及应用
• 1.3 生物芯片简介
• 1.4 PCR 芯片及其研究现状
• 1.4.1 固定式 PCR 芯片
• 1.4.2 流动式 PCR 芯片
• 1.5 PCR 扩增产物的检测方法
• 1.5.1 实时检测法
• 1.5.2 终点检测法
• 1.5.3 电化学检测法
• 1.6 选题依据及研究内容
• 1.6.1 选题依据
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 PCR 芯片的设计
• 2.1 引言
• 2.2 PCR 芯片衬底材料的选择
• 2.3 PCR 微加热器及温度传感器的设计
• 2.3.1 微加热器及温度传感器制作材料的选择
• 2.3.2 温度传感器的设计
• 2.3.3 微加热器的形貌设计
• 2.4 电化学微电极的设计
• 2.4.1 电化学微电极制作材料的选择
• 2.4.2 电化学微电极形貌设计
• 2.5 PCR 芯片及系统的总体结构设计
• 2.5.1 第一版 PCR 芯片及系统的总体设计
• 2.5.2 第二版 PCR 芯片及系统的总体设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 PCR 芯片的工艺制作
• 3.1 引言
• 3.2 第一版微加热器阵列芯片的工艺制作
• 3.2.1 主要实验仪器及材料
• 3.2.2 芯片制作工艺流程
• 3.2.3 芯片工艺制作结果
• 3.3 第一版微电极阵列芯片的工艺制作
• 3.3.1 主要实验仪器及材料
• 3.3.2 芯片制作工艺流程
• 3.3.3 芯片工艺制作结果
• 3.4 第一版 PCR 芯片系统的组装
• 3.5 第二版 PCR 阵列芯片的工艺制作
• 3.5.1 主要实验仪器及材料
• 3.5.2 芯片制作工艺流程
• 3.5.3 芯片工艺制作结果
• 3.6 第二版 PCR 芯片系统的组装
• 3.7 本章小结
• 第4章 PCR 芯片的实验测试结果及分析
• 4.1 引言
• 4.2 微加热器温控特性实验
• 4.2.1 温度传感器定标实验
• 4.2.2 热均匀性实验
• 4.2.3 升温与降温试验
• 4.2.4 负载液体加热对比实验
• 4.2.5 温度循环实验
• 4.3 微电极亚甲基蓝电化学 DNA 检测试验
• 4.3.1 实验原理
• 4.3.2 实验与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 用于生物流体的 PDMS 干法刻蚀研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与实验流程
• 5.2.1 主要仪器及试剂
• 5.2.2 实验方法及流程
• 5.3 刻蚀实验结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 干膜光刻胶曝光显影特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料及仪器
• 6.3 干膜光刻胶的贴敷实验
• 6.4 干膜光刻胶的曝光实验
• 6.5 干膜光刻胶的显影实验
• 6.6 干胶微流道的制作实验
• 6.7 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 附录B 攻读学位期间所申请的专利