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20世纪90年代初由瑞上的Manz和Widmer提出的以微机电系统(mlcro-electromechanicalsystems,MEMS)技术为基础的“微型全分析系统”(mniaturized total analysis systems,μTAS)引发了新一轮的研究热潮。uTAS的H的是通过对生物化学分析设备的微型化和集成化,最大限度地实现常规生物化学分析设备的功能,甚至实现整个分析实验室的功能。微流控芯片(microfluidicchips)是μTAS当前最活跃的领域和发展前沿,它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。将生物化学分析系统缩微成单独一个完整的微芯片,小仪仪是分析系统尺寸的变化,而且在分析性能上也带来了巨人的提升。
木研究的目的是利用先进的MEMS技术,发展一种单片微型结构的高效廉价的集成微流控PCR(polymerase chain reaction)芯片,并且可以与一些样木的操作过程进行集成,从而能够进行快速、自动、封闭的生物化学分析。
论文的主要研究内容和成果如下:
1.本文对在微芯片上实现PCR反应作了研究,综合国内外的研究成果,设计了一种结构简单、易于实现的集成聚合物PCR芯片,同时在片上集成了微泵、微阀、微混合结构、微加热器和温度传感器、微反应腔等功能单元,以实现快速、自动、封闭的PCR反应。
2.对PCR的原理进行了研究,用,一维传热理论对PcR芯片的温度梯度及瞬态热反应进行了计算。采用有限元软件Cosmos进行了PCR芯片的三维温度场模拟。
3.开发出一种高效、低成本、易于集成的微加工工艺.芯片采用玻璃一PDMS两层混合结构,通过软刻蚀法加工包含微腔和微管道结构的下层PDMS基底:采用Lifl-Off工艺在玻璃基片加工出加热电极及传感电极,并在基片上钻出进样孔与提样孔；最后通过紫外光照射封装的方法将PDMS基底与玻璃基片封装成为闭合的集成聚合物PCR芯片。
4.微流控芯片驱动与控制单元的研究.采用一种简单的化学反J啦产生气体做驱动动力.通过对各种微阀的比较,确定了一种结构简单、易于集成的微毛细管阀.通过固、液、气界面处的表面自由能分析,得出材料表面特性、阀尺寸结构与微阀背压的关系。通过微泉与微阀的配合实现一种溶液定量的方法。
5.研制了集成PCR芯片的控制器。利用虚拟仪器技术搭建出整个芯片的控制平台,大大节省了开发时间。平台包括软件和硬件部分。硬件部分包括数据采集卡、信号放人电路、电源、驱动电路、PC机和风扇6个部分。在利用增量型PID控制的基础上,提出了增量型伪秋分饱和状态下参数微分化的错位控制PID算法,为了达到更好的PCR温度控制效果,进一步设计了新型的模糊逻辑结合PID的算法。
6.进行了集成PCR芯片总体测试与PCR生物试验。验证了芯片驱动、控制样本流动的功能,对集成PCR芯片进行了实际PCR生物试验,通过优化温度与时间等参数,成功地扩增出目标DNA。