高聚物基PCR微流控芯片的準(zhǔn)分子激光制備和應(yīng)用研究.pdf

1、本文對(duì)生物芯片以及PCR技術(shù)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)回顧和分析。作為第二代生物芯片的PCR微流控芯片，因其在分子生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)上有著重要的應(yīng)用，是一種值得研究的重要芯片。隨后針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外PCR微流控芯片的研究現(xiàn)狀，提出了采用準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工技術(shù)在價(jià)格便宜、生物兼容性好的聚甲基丙烯酸甲脂材料(PMMA)上制備PCR微流控芯片的新方法。 PCR微流控芯片的首要任務(wù)是三個(gè)恒溫區(qū)換熱長(zhǎng)度的計(jì)算，針對(duì)目前PCR微

2、流控芯片的設(shè)計(jì)缺乏理論計(jì)算和數(shù)值模擬的現(xiàn)狀，本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT分別對(duì)寬100μm，深50μm的直通道、彎通道以及逶迤型通道內(nèi)微流體的速度場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)出了微流體從入口處充分發(fā)展成為層流的過(guò)渡長(zhǎng)度以及溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的換熱長(zhǎng)度，隨后結(jié)合進(jìn)行PCR反應(yīng)的原理，應(yīng)用CAD軟件設(shè)計(jì)出了20個(gè)循環(huán)的PCR微流控芯片。 PCR微流控芯片的制備則是采用本文提出的新方法，在PMMA材料上制備出橫截面為矩形

3、、底面光滑、逶迤型的微通道。為此在應(yīng)用掃描電鏡和三維形貌分析儀對(duì)PMMA表面被準(zhǔn)分子激光刻蝕前后的形貌、刻蝕粗糙度以及單脈沖刻蝕率等進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)之上，總結(jié)出了準(zhǔn)分子激光刻蝕PMMA的宏觀規(guī)律和微觀刻蝕機(jī)制，提出了一種準(zhǔn)分子激光刻蝕PMMA的是光熱光化學(xué)以及羽輝共同作用的理論解釋。隨后應(yīng)用總結(jié)出的優(yōu)化加工參數(shù)在該材料上刻蝕出了寬104μm，深56μm，矩形度高達(dá)80％，底面光滑的20個(gè)循環(huán)的PCR微流控芯片。 制備出來(lái)的芯片

4、必須和相同尺寸的蓋片鍵合在一起，在芯片表面形成密閉的微通道才能投入使用。為此本文應(yīng)用自己搭建的熱壓鍵合裝置分析了PMMA基PCR微流控芯片熱壓鍵合過(guò)程中壓力、溫度以及恒溫時(shí)間對(duì)鍵合質(zhì)量影響的分析，總結(jié)出了該芯片進(jìn)行熱壓鍵合的優(yōu)化參數(shù)為：160N，95℃和20分鐘，然后在此參數(shù)下，將該芯片和相同尺寸的蓋片鍵合在了一起，鍵合后的芯片具有良好的密封性能，最大能夠承受0.85Mpa的壓力。 鍵合好的芯片還必須和本文自己設(shè)計(jì)的多路溫控系統(tǒng)

5、集成在一起才能投入使用。該溫控制系統(tǒng)主要包括兩部分：1)溫控功能的實(shí)現(xiàn)；2)溫控系統(tǒng)隔熱效果的理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量。其功能的實(shí)現(xiàn)主要是采用AD590作為溫度傳感器，采用2051單片機(jī)作為核心處理芯片，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCR微流控芯片上三個(gè)恒溫區(qū)的溫度獨(dú)立設(shè)置和控制，控制精度為±0.3℃。本文從數(shù)值模擬和理論計(jì)算兩個(gè)方面計(jì)算了溫控系統(tǒng)銅片上面寬4mm、長(zhǎng)60mm的空氣帶的隔熱效果，并將該結(jié)果和應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)銅片表面三個(gè)恒溫區(qū)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行

6、比較后發(fā)現(xiàn)：該溫控系統(tǒng)可以滿足進(jìn)行PCR反應(yīng)的溫控精度以及溫度梯度的要求。 最后選用美國(guó)Kloehn公司V6精密注射泵作為進(jìn)樣系統(tǒng)，采用自制的內(nèi)徑為100μm、外徑為1.2mm的毛細(xì)管作為耦聯(lián)裝置，將進(jìn)樣系統(tǒng)和20個(gè)循環(huán)的PCR微流控芯片連接在一起，對(duì)170bp的DNA片段實(shí)現(xiàn)了體外擴(kuò)增。這表明本文設(shè)計(jì)搭建的PCR微流控芯片系統(tǒng)是可行的。 總之，一種新型的PCR技術(shù)，PCR微流控芯片具有高效、耗樣少的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用