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《大连理工大学》 2010年
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微型无标记静止式PCR系统研究

田昊  
【摘要】: 为了解决传统聚合酶链反应(PCR)系统反应时间长、功耗高以及样品消耗大的缺点,本文利用微机电系统(MEMS)比表面积高以及体积小的优势,从传热理论出发,设计、制造并且测试一种微型无标记静止式PCR系统。这个系统由微加热器、微电极和微反应腔三部分构成,分别涉及到硅基MEMS技术,无标记电化学检测技术以及聚合物微密封技术。本文将针对微型PCR系统的三个组成部分逐一展开讨论。 首先,本文进行硅基电阻式微加热器研究。根据Fourier传热定律建立了微加热器热传导模型。从衬底材料以及结构出发,研究传热性能影响的影响因素,并且通过实验手段获得了关键热学参数。由于Biot数远小于0.1,因此可以对微加热器进行薄壁模型简化处理。使用有限差分法和有限元素法对传热方程组进行计算,得到存在200μm空气隙的微加热器结构可以提高微加热器热效率的推论。采用CMOS相兼容的工艺制作了硅基微加热器,并根据进行了自定义电压波形控制实验。控制实验温度误差±1.5℃,达到PCR反应的温度精度要求。 其次,本文进行了基于电化学原理的无标记微电极研究。采用有限元电场分析的方法设计了一种电场分布均匀微电极。根据电化学以及生物相容性的要求,设计工作电极为100nm铂,参比电极为100nm铝,对电极为100nm银,并利用金属沉积与正胶剥离工艺进行制造。在对甲醇、乙醇和甲醛的水溶液的无标记检测过程中,检出其峰值电位分别为-0.25V、0.15V和0.37V。利用纳米金颗粒比表面积大、电阻低的特性,又进行了电化学方法沉积纳米金颗粒提高微电极信号强度的实验。 再次,本文进行了聚合物微反应腔研究。利用SU8亲水性和PDMS疏水性以及接触角的测量结果来设计聚合物微反应腔,并进行聚合物加工。为了实时检测微反应腔的溶液体积的变化,本文提出了一种非接触式间接测量微小溶液体积变化的方法。在PCR静态测试中,在室温条件下500s内微反应腔溶液不发生泄漏。在动态测试中,在达到PCR反应最高温度的95℃时,微反应腔可以在300s内维持相对于原溶液30%以上的体积。最后本文进行微型PCR系统测试。利用DsRedDNA进行了扩增实验,分别设定温度进行多次循环。使用微电极对DNA扩增产物浓度进行检测,并且利用凝胶电泳对DNA产物浓度进行验证,二者结果相符。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TH703

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