无传感器PCR芯片阵列的测量与控制技术研究

【摘要】： 本文在测控技术、微机电系统、生命科学的交叉领域展开研究，旨在通过原始创新、集成创新，获得一种在生命科学领域有重要应用价值的新型设备，某些研究结果也有可能推广为相关领域的共性技术。 聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)广泛应用于生命科学的各个领域。本课题提出并研究一种新型的聚合酶链式反应设备，使用与微机电系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)技术密切相关的PCR芯片容纳PCR反应体系，充分利用PCR芯片热容量小、比表面积大、节省珍贵样品的优点，相对现有设备而言具有新颖性、先进性、实用性。 研究目标是如何在目前实用技术条件下降低微反应槽PCR芯片成本、提高芯片的可靠性、实现多芯片并行工作。研究路线是省略原本集成在芯片内部的微传感器、微加热器，通过简化芯片的微结构、微加工工艺、微加工设备，形成低成本PCR芯片；通过芯片外部测控系统的技术创新，实现芯片内部反应体系温度的随动控制。研究的侧重点从MEMS器件的微细加工问题转换为MEMS器件的测量与控制问题，发挥了控制类学科的优势。事实上，微细加工能力与水平不足是目前国内有关企业的现状，避开复杂的微加工工艺、微加工设备，有利于研究成果被企业接受，从而尽快走出实验室、走向市场。 测量、建模、控制问题与微结构设计、微加工工艺、微尺度效应一样，属MEMS的基础性问题。本文所述测控系统可提供一个研究MEMS测控问题的基本平台，有关PCR芯片测量、建模、控制的某些研究结果，也可向一般MEMS器件推广。 分别以硅和聚合物为基本材料设计了两种类型、各具特色的无传感器低成本PCR芯片；首次提出并研究了PCR芯片系列化设计问题，认为可采用R5／2派生数系并增加1.6μL规格作为微槽容积标称值，制作了芯片试验件；针对所设计的无传感器PCR芯片，提出了一种测量与控制新方法，它是本文原始创新点之一。该方法将宏观集中控制与微观分散控制有机结合，能够对多只芯片所形成的芯片阵列同时进行温度循环控制。简述该方法如下：芯片以阵列形式放置在特制快速换热器的上表面，集中控制装置以水为传热媒质通过换热器提供芯片所需的大致温度。利用铜箔具有阻值且其电阻率与温度有确切对应关系的原理，在柔性印刷电路板上制作与芯片阵列对应的微型传感器及加热器阵列，针对各芯片进行分散的温度补偿。将换热器的上表面划分为若干个等温区，在每个等温区中选择一只最具代表性的芯片作为测控样板芯片，在其微槽中设置一支微型温度传感器并充满蒸馏水，而其余非样板芯片内部不设传感器。PCR反应实际上是在非样板芯片内完成的。根据样板芯片传感信号所得到的控制输出同时作用于该等温区的所有芯片，于是可认为同一等温区内所有芯片温度相同。样板芯片方法的提出，使得无传感器PCR芯片的温度得以间接测量，而且与集成PCR芯片控制系统相比，在扩增样品数量相同的前提下，将传感器和控制回路的数量减少了若干倍，简化了系统的硬件配置。样板芯片可视为测控系统的固有配置，从而可以对其进行精确标定，确保间接测量的精度。 提出多单元多分辨率集总参数热电模拟法，经与有限元数值模拟结果进行对比确认该方法的有效性，建立了芯片的热电模拟模型，分析了芯片的稳态、非稳态传热过程，对所提测控新方法进行了仿真与论证；以工业控制计算机为核心进行了硬件设计与实现，研制成功专用的高效快速换热器。 准确实现非样板芯片PCR反应液温度的间接测量是重点、难点问题之一，为此对检测问题进行了深入研究，在以下方面有创新或特色： (1)针对传感器对所测温度场的负荷效应，首次提出了取名为“二减一”法的实用解决方法并成功实施。对MEMS器件而言，其本身体积微小，传感器负荷效应是一个普遍的、不可回避的问题，该方法可向一般MEMS推广。 (2)对样板芯片内传感器的动态特性、动态重复性、动态测量误差进行了充分研究，并进行了动态测量误差的智能补偿。目前尚没有传感器动态重复性的标准化定义，仿照静态重复性，定义了一阶传感器动态重复性指标。 (3)进行了样板芯片内部液体温度测量误差分析与综合，对实际进行反应的非样板芯片进行了间接测量不确定度评定，评定结果为0.52℃。 本系统是一个小、微尺度器件温度随动控制系统。在建模、优化、控制方面，进行了下列有创新或有特色的工作： (1)提出并实施了先多级梯形网络模拟然后进行降阶处理的MEMS控制模型的建立方法：基于多单元集总参数热电模拟网络，对两种类型的低成本PCR芯片分别建立了其高阶动态数学模型，采用Pade方法对模型进行降阶处理，对降阶处理结果的精度进行了检验，利用串级控制策略完成各回路的控制。随着梯形网络级数的增多，它将逐步逼近分布参数对象。目前一般采用有限元方法研究MEMS的分布参数特性，不便控制专业使用。 (2)提出并实施了一种接触热阻均匀性的实用监控方法：若同一温区内各芯片接触热阻差异过大，将会造成控制系统性能的严重降低、扩增失败。然而接触热阻是难以实时检测的。为此采用统计过程控制方法，通过实时测量柔性PCB板与各芯片交界面处的温度，间接监测各芯片接触热阻的均匀性。 (3)一般而言，动态温区划分需要借助复杂、贵重的测量设备，为避开此问题，利用系统自身资源，通过优选法进行了换热器上表面温区划分，采用模糊优选决策理论确立了各样板芯片的位置。 (4)提出并实施了一个校正算法，依据该算法，非标准化分度传感器可使用标准化、商品化的信号调理电路进行信号调理，降低了系统的硬件开发量，有利于提高系统的可靠性、稳定性。该方法对于某些多品种、少批量的测控系统具有一定参考价值；模拟器件的参数分散性是客观存在的，提出并实施了PCB板加热器阻值分散性的硬件补偿方法。 (5)建立了PCR芯片系统温度循环性能指标体系，对实验室结果进行了评价。对照MW-1型可编程DRI-PLATE PCR系统的有关指标，本系统满足PCR对温度循环性能的要求。 总之，研究了一种无传感器PCR芯片阵列测控系统，其独特优势体现在：与现有设备相比，其技术性能优于现有设备但成本并不高于现有设备；与处于研究阶段的集成PCR芯片相比，技术性能相当，但芯片成本大幅降低，特别是无传感器聚合物PCR芯片可作为一次性芯片使用，避免了繁杂的清洗工作和交叉污染。研究过程中所形成的某些方法，例如测控样板方法、处理传感器负荷效应的“二减一”法、多单元多分辨率集总参数模型化方法、接触热阻间接监控法、非标准化分度传感器信号调理的校正算法等，也可望推广为相关领域的共性技术。