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《清华大学》 2005年
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硅基微聚合酶链式反应芯片的热设计、分析和优化

王玮  
【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。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:Q7-3

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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4 苗晋玲;基于ARM的三自由度直升机嵌入式控制系统设计[D];南昌航空大学;2010年
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1 曹炳阳;速度滑移及其对微纳尺度流动影响的分子动力学研究[D];清华大学;2005年
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