集成微流控聚合物PCR芯片

前言

　　“微型全分析系統(tǒng)”通過對(duì)生物化學(xué)分析設(shè)備的微型化和集成化，最大限度地實(shí)現(xiàn)常規(guī)生物化學(xué)分析設(shè)備乃至整個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室的功能。是融微電子學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新技術(shù)。　　微流控聚合物PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）芯片是采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)發(fā)展起來的一種單片微型結(jié)構(gòu)、高效廉價(jià)的微全分析系統(tǒng)，具有微型化、分析速度快、成本低、易與其他裝置集成等特點(diǎn)。在疾病診斷和治療、新藥物開發(fā)、分子生物學(xué)、生命科學(xué)、工農(nóng)生產(chǎn)、軍事、刑偵、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。　　作者根據(jù)自己多年微流控聚合物PcR芯片的研究，在書中詳細(xì)地?cái)⑹隽思晌⒘骺鼐酆衔颬CR芯片功能單元的設(shè)計(jì)、芯片微加工工藝、芯片的流體驅(qū)動(dòng)與溫度控制系統(tǒng)、PCR擴(kuò)增試驗(yàn)等內(nèi)容，本書是作者理論聯(lián)系實(shí)際，科學(xué)研究的總結(jié)?！　≡摃晒氖翸EMS技術(shù)，生物芯片研究及應(yīng)用的科技人員和高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)教師閱讀參考，也可以作為機(jī)電一體化、儀器儀表、微流控專業(yè)的本科高年級(jí)學(xué)生和研究生的參考資料。

內(nèi)容概要

　　微流控芯片（micro）fhJdic：chips）是當(dāng)前霻AS（微型全分析系統(tǒng)，miniallurizedtotal analysis systems）研究的發(fā)展前沿，將生物化學(xué)分析系統(tǒng)縮微成單獨(dú)一個(gè)完整的微芯片，集中地體現(xiàn)了將分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到芯片上的思想。《集成微流控聚合物PCR芯片》詳盡闡述了單片微型結(jié)構(gòu)的高效廉價(jià)的集成微流控聚合物PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）芯片的設(shè)計(jì)、制造、控制和試驗(yàn)技術(shù)。書中所研究的技術(shù)將會(huì)促進(jìn)PCR生物芯片在疾病診斷和治療、新藥物開發(fā)、分子生物學(xué)、生命科學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、軍事和刑偵、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 引言1.2 μTAS的發(fā)展1.2.1 μTAS1.2.2 μTAS的分類1.2.3 μTAS的應(yīng)用1.3 微流控芯片的發(fā)展1.3.1 微泵的發(fā)展1.3.2 微閥的發(fā)展1.3.3 PCR芯片的發(fā)展1.4 微流控芯片加工技術(shù)的發(fā)展1.4.1 微流控芯片的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)1.4.2 MEMS加工技術(shù)1.4.3 高分子聚合物微流控芯片的加工方法1.4.4 高分子聚合物芯片的封裝1.5 本章小結(jié)第2章 集成微流控聚合物PCR芯片設(shè)計(jì)和特性分析2.1 引言2.2 PCR技術(shù)的基本原理2.2.1 PCR原理概述2.2.2 影響PCR的關(guān)鍵因素2.3 芯片材料選擇2.4 微流體驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)和特性分析2.4.1 微氧氣泵工作原理2.4.2 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)樣本輸送速率方程2.4.3 微氧氣泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.5 電磁驅(qū)動(dòng)柔性振動(dòng)膜微泵2.5.1 整流效應(yīng)2.5.2 振膜驅(qū)動(dòng)性能2.5.3 微泵三維分析2.6 微閥的設(shè)計(jì)2.7 微混合單元2.8 靜態(tài)腔式PCR芯片2.8.1 反應(yīng)腔單元設(shè)計(jì)2.8.2 加熱器和溫度傳感器設(shè)計(jì)2.8.3 靜態(tài)腔式PCR芯片溫度控制單元設(shè)計(jì)2.8.4 總體布局設(shè)計(jì)2.8.5 靜態(tài)腔式PCR芯片溫度特性2.9 集成式連續(xù)流PCR芯片設(shè)計(jì)2.9.1 芯片反應(yīng)流體通道布局設(shè)計(jì)2.9.2 PCR芯片的集成薄膜加熱器和溫度傳感器2.9.3 連續(xù)流式PCR芯片控制單元設(shè)計(jì)2.9.4 連續(xù)流式PCR芯片物理特性分析2.10 本章小結(jié)第3章 集成微流控聚合物PCR芯片工藝3.1 材料性能與工藝3.2 掩模板設(shè)計(jì)制作3.3 SU－8工藝研究3.3.1 背面曝光及掩模優(yōu)化3.3.2 SU-8前、后烘工藝的優(yōu)化3.3.3 曝光工藝的優(yōu)化3.3.4 運(yùn)用優(yōu)化工藝進(jìn)行SU－8模具制作3.4 PDMS相關(guān)工藝3.5 紫外光照射表面改性封裝工藝3.5.1 紫外光處理的機(jī)理3.5.2 紫外光照射時(shí)間的影響3.5.3 放置時(shí)間的影響3.6 等離子鍵合3.7 導(dǎo)管連接3.8 微加熱器和傳感器3.8.1 優(yōu)化Lift－off工藝3.8.2 干法刻蝕3.9 微泵的加工3.9.1 電磁驅(qū)動(dòng)柔性振動(dòng)膜微泵泵體的加工工藝3.9.2 柔性振動(dòng)膜的制作工藝研究3.9.3 CoNiMnP永磁體的電鍍工藝研究3.9.4 電磁驅(qū)動(dòng)柔性振動(dòng)膜微泵電磁線圈的制作工藝3.9.5 微泵的鍵合研究3.10 本章小結(jié)第4章 集成微流控聚合物PCR芯片的溫度控制系統(tǒng)4.1 芯片控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介4.2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1 采集卡信息處理模塊4.2.2 測(cè)溫信息讀取模塊4.2.3 信號(hào)放大電路4.2.4 反饋驅(qū)動(dòng)電路4.3 溫度控制算法4.3.1 經(jīng)典PID算法4.3.2 基于增量型PID算法的抗飽和類積分飽和原理的提出4.3.3 增量型類積分飽和參數(shù)微分化錯(cuò)位PID控制算法的提出4.3.4 基于模糊邏輯的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.4 PCR溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.4.1 虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介4.4.2 PCR芯片溫度控制系統(tǒng)的虛擬儀器結(jié)構(gòu)4.4.3 軟件系統(tǒng)4.4.4 模糊邏輯子程序4.4.5 預(yù)設(shè)溫度子程序4.4.6 本系統(tǒng)程序人機(jī)交互界面4.5 本章小結(jié)第5章 集成微流控聚合物PCR芯片測(cè)試與實(shí)驗(yàn)5.1 微泵性能測(cè)試5.1.1 測(cè)試裝置5.1.2 測(cè)試結(jié)果與分析5.2 微氧氣泵與毛細(xì)管閥5.2.1 測(cè)試芯片5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論5.3 液體、混合及測(cè)試5.4 芯片穩(wěn)態(tài)溫度性能測(cè)試5.4.1 溫度標(biāo)定的原理和方法5.4.2 溫度梯度分析5.4.3 芯片瞬態(tài)溫度性能測(cè)試5.4.4 芯片控溫測(cè)試5.5 生物實(shí)驗(yàn)、結(jié)果及其分析5.5.1 PCR芯片表面改性5.5.2 靜態(tài)腔式PCR生物實(shí)驗(yàn)5.5.3 連續(xù)流PCR5.6 本章小結(jié)第6章 全書總結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　2．3 芯片材料選擇　　微流控芯片的基片材料與工程材料的選擇不同，目前大多采用非金屬材料，常見的有硅和玻璃。硅導(dǎo)熱性很好，加工易于控制，但是硅對(duì)生物反應(yīng)，如PCR反應(yīng)有影響。同硅相比，玻璃透明，有較好的導(dǎo)熱性和較高的機(jī)械強(qiáng)度。但是，玻璃對(duì)蛋白質(zhì)有吸附作用，也需要進(jìn)行表面改性；玻璃的加工需要刻蝕，工藝比較復(fù)雜?！　∨c此同時(shí)，以高分子聚合物材料為基底的微流芯片正受到研究人員的關(guān)注。高分子聚合物材料具有良好的生物兼容性、良好的表面電特性、低熒光背景，使得大部分的生化分析可以成功進(jìn)行。聚合物材料價(jià)格低廉，易于大批量生產(chǎn)，所以聚合物芯片正在被廣泛的研究?！　【鄱谆柩跬椋≒olydimethylsiloxane，PI）MS）是一種常用的高分子聚合物材料，與傳統(tǒng)的硅、玻璃等材料相比，PDMS有以下優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜；工藝簡(jiǎn)單，易于制備；容易封裝；可重復(fù)使用；具有良好的生物相容性；良好的絕緣性和熱穩(wěn)定性，已經(jīng)成為此項(xiàng)研究的熱點(diǎn)材料?！　DMS通常由兩部分組成，即樹脂和固化劑。PDMS通過有機(jī)金屬的催化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)固化。PDMS樹脂和固化劑的比例一般為10：1，增加固化劑使交聯(lián)的結(jié)構(gòu)增多，導(dǎo)致形成的彈性體硬度增大，減少固化劑的作用，則相反。通過加熱可以加速交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)過固化過程，形成的彈性體體積會(huì)有所減小?！　DMS具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，生物相容性好，可以用于制作生化分析器件。而且絕緣性好，在用于電泳芯片的時(shí)候，可以施加高的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，PDMS可以發(fā)生可逆變形，因此可以制作不規(guī)則形狀的器件。PDMS同時(shí)易于脫模。另外，PDMS表面與很多材料表面有很好的親和力，這使H）MS微通道與其自身或其他材料很容易實(shí)現(xiàn)可逆封裝，在外力的作用下可以將PI）MS揭開?！　〉荘DMS導(dǎo)熱系數(shù)小，散熱性差，而且很難沉積金屬材料，這些因素都不利于熱反應(yīng)如PCR反應(yīng)的進(jìn)行。玻璃的熱傳導(dǎo)性能好，且散熱性能優(yōu)良，通過lift-off（刻蝕一剝離）工藝可以在玻璃基片上很容易的制作各種形狀的金屬薄膜。在本設(shè)計(jì)中，采用PDMS與玻璃的混合芯片結(jié)構(gòu)，與純高分子材料芯片相比，引入了玻璃基片，可以很大程度地改善PcR芯片的熱傳導(dǎo)，散熱和光學(xué)性能。

編輯推薦

　　《集成微流控聚合物PCR芯片》適合從事微流體系統(tǒng)、生物芯片研究及其應(yīng)用的科技人員和高等學(xué)校有關(guān)專業(yè)教師閱讀參考，也適于作為相關(guān)專業(yè)研究生、本科高年級(jí)學(xué)生和工程技術(shù)人員的科研參考資料。

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