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《北京工业大学》 2018年
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基于电磁驱动扩增的阵列式单通道荧光PCR系统研究

郭威  
【摘要】:对载人航天来说,航天员在空间站长期健康生活是空间站工作顺利完成的保障。由于空间站在轨运行时长期处在密封的条件下,微生物对航天员身体的危害和对设备的损坏不容忽视。本文介绍了面向空间的生物危害报警器相关技术的研究现状和面临的问题,针对性设计了一套面向空间应用的阵列式单通道荧光PCR检测系统,主要内容包括:电磁驱动试剂的设计理论研究,单通道式电磁驱动PCR扩增系统的搭建,系统温度的理论分析,控温装置的搭建,原位成形光学微透镜的制作及对荧光检测结果的改善,基于纳米银颗粒的荧光检测结果的改善等。本文主要的研究工作和取得的成果如下:1、研究了阵列式单通道PCR荧光检测系统电磁驱动的机理。设计了外置式电磁驱动和内置式电磁驱动两类PCR微通道扩增系统的电磁驱动装置,研究了通电线圈产生磁场的规律,计算了试剂模块在线圈内外的受力情况,为后续搭建用于空间条件下的PCR扩增工作和微型结构的实时荧光PCR检测系统打下基础。2、对阵列式单通道PCR荧光检测系统的温度场分布进行了设计和优化分析,研究了系统加热模块的升温速率,不同对流情况下稳态温度的分布,针对电磁推动的特点分析了试剂模块在管道尾部的降温情况,为装置搭建提供技术基础。3、为了改善荧光检测部分的检测结果,设计一种原位成形微透镜,研究椭球面,抛物面,双曲面三种面形微透镜聚光性能的对比,此外研究了利用银纳米粒子的表面增强荧光效应改善荧光检测结果的方法。4、在温控模拟分析和电磁模块理论计算的基础上搭建了一套阵列式单通道荧光PCR扩增系统,利用PID算法控制三个温区的温度,并利用临界比例度法对温控PID算法进行了优化。详细研究了内置式电磁驱动原理,对驱动过程进行了分解,计算了磁感强度变化与位置关系,对磁感强度梯度变化与位置关系,磁力驱动下试剂模块的运动轨迹与复位情况进行了讨论,实验得到的电流与驱动时间关系与模拟计算的变化规律是一致的。根据加热源的功率密度对整个系统升温情况进行了模拟,17s左右试剂模块即可达到设定温度,在设定温度时应提升温度设定来使得试剂模块达到预定温度,其中94℃温区应设定为109℃,72℃温区设定为84℃,56℃温区设定为64℃。在试剂模块从94℃温区到达56℃温区外进行流冷却时,在对流系数为20W/(m~2·K)时9s即可降到56℃。对原位成形微透镜胶滴铺展过程中的线型变化规律进行了研究,对比了三种非球面-椭球面,抛物面,双曲面的非球面特性,制作三种面型原位成形光学微透镜,进行聚光性能测量,对本装置来说抛物面形状的微透镜聚光性能最佳,与计算结果一致。研究了生物PCR试剂检测时荧光素SYBR Green I的光谱放大技术,制作了银纳米粒子用于改善荧光信号,实验结果表面荧光信号在添加银纳米粒子之后增强了一倍。在前面研究基础上制作了阵列式单通道PCR荧光扩增装置,主要包括温控模块,电磁驱动模块等,对电控主要模块进行了介绍,通过PID算法优化温控过程,94℃温区精度为±0.1℃,72℃为±0.8℃,56℃为±0.3℃。制作了数字恒流源给驱动线圈进行供电,对电源进行了测试,电路功耗约为3.226W,DC-DC变换器的效率约为94.75%。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V443

【参考文献】
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