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30000字硕士毕业论文基于现场可编程门阵列温控系统的碳纤维聚合酶链反应芯片的研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:芯片,扩增,毛细管
论文概述:

本文首先采用Vorpal有限元分析软件,设计出性能较好的加热器和温度传感器版图结构;利用MEMS加工技术,分别制作出集成了Pt金属薄膜加热器和温度传感器的硅基芯片,以及玻璃为基底的微流控毛细

论文正文:

  1绪论       1.1课题的意义聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,PCR)又被称为无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术,是一种体外快速扩增DNA技术,作为一种主要的扩增复制手段,已经在医学诊断、基因分析、法医鉴定等广泛领域得到应用,逐渐成为核酸分析和扩增的核心技术之一,并给基因相关研究带来了深远的影响[I-6]0PCR技术通过调控聚合酶在DNA某些位点的活性来操纵DNA分子复制,该反应具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点,并且能在数小时内将试管内所要研究的目的DNA分子或者片断,扩增复制出几十万乃至几百万倍,在一定的检测仪器下用肉眼能够直接观察和判断。PCR技术能够从微量的样品中扩增出足够量的DNA分子供分析研究和检测鉴定,实现痕量样品的分析与检测。过去几天甚至几个星期刁‘能完成的样品分析过程,用PCR技术几个小时便可完成。随着集成电路和微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystemMEMS)技术的日趋成熟,以硅/玻璃/聚合物为基底材料的PCR生物芯片得到了飞速的发展,它们都具有集成化程度高、热循环速率快、交互式污染小及样品消耗少等优点,使整个生化反应过程集成化、微型化和连续化,将促进微全分析系统(MicroTotalAnalysisSystem]}-TAS)}}-9]的真正实现,并对医药开发、病毒检测、生命科学、医学诊断及食品与环境检测等领域产生重大影响。连续流动式PCR芯片(CF-PCR)是一种动态、快速的PCR芯片,它比其它类型的PCR芯片更易与生物芯片集成,从而实现整个生化分析过程的集成化。       目前,与PCR扩增单元集成在一起的主要是毛细管电泳芯片。毛细管电泳(CapillaryElectrophoresisCE)是以毛细管为分离通道、高压直流电场为驱动力的液相分离分析技术,它使分析科学从微升量级进入纳升水平,井使单细胞分析乃至单分子分析成为可能。综上所述,为实现分析过程的微型化和集成化,本文提出将CF-PCR芯片与毛细管电泳芯片相集成,利用MEMS技术研制出CF-PCR-CE芯片,将DNA片段的进样、扩增、分离和检测等过程集成到一个芯片上。为了便于分析不同浓度及不同种类的被测样品,本文设计了扩增过程的循环数目可以选择的CF-PCR芯片,可根据不同样品的需要设定循环数目,以提高样品的扩增效率。由于温度是影响PCR扩增效率的一个重要因素,为有效的实现DNA的扩增,提高扩增效率,本文采用PID算法处理温度采集到的数据,利用FPGA大量快速运算的特点,设计了基于FPGA的芯片温度控制系统,并最终了实现样品的有效扩增。       2PCR芯片的研究现状随着PCR芯片在诸多领域的广泛应用,以及人们对分析仪器集成化、微型化的要求,传统的PCR扩增仪器己经不能满足人们对PCR反应的需要,寻求一种更加有效、更集成化的PCR反应装置成为日益迫切的任务。MEMS技术和集成电路的飞速发展,为研制新型PCR反应装置提供了有力的保障,促进了PCR芯片研究的飞速发展。到目前为止,PCR生物芯片主要有两种结构形式〔lo-Ill.①微反应腔式PCR芯片(Micro-chamberPCRchipMC-PCR),②连续流动式PCR芯片(Continuous-flowPCRchip}CF-PCR)。微反应腔式PCR芯片实际上是传统PCR的微型化,它将反应混合物固定在微反应池中,通过在外部对微反应池不断的加热与降温,实现三个温区温度的循环,它是一种时域式PCR反应装置。MC-PCR芯片成本低,体积小,结构简单,热循环次数不受限制,容易实现批量生产,易于制作成一次性PCR芯片。但是,微反应池的尺寸常常限制了样品的体积和反应时间,其能量消耗主要受系统的热容量所控制,加热和冷却的速度相对较慢,为了取得较快的加热/冷却速度,需要对系统热容量进行精确的优化。2001年,赵湛和崔大付等人[12-14]研制成一种微反应腔式PCR芯片,芯片结构分别如图1.1和图1.2所示。该芯片采用硅材料为基底,其尺寸为8mmX4mmX0.3mm,在反应腔底部制作出集成化加热子和传感器,加热子可实现温度循环中的升温过程,降温过程采用自然冷却的方法实现。这种芯片存在的主要问题是降温速率慢,导致扩增反应的各循环阶段时间延长,从而降低了扩增效率。  参考文献[1]章春笋,徐进良.连续流动式聚合酶链式反应芯片的设计进展[J].分析化学评述与进展,2005, 5 (33):729-734.
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   摘要 4-5 Abstract 5 1 绪论 8-15     1.1 课题的意义 8-9     1.2 PCR芯片的研究现状 9-14     1.3 本文的主要工作 14-15 2 PCR反应与毛细管电泳芯片简介 15-22     2.1 PCR反应原理 15-17         2.1.1 PCR反应原理 15-16         2.1.2 影响 PCR反应的主要因素 16-17     2.2 毛细管电泳基本原理 17-22         2.2.1 毛细管电泳基本原理 17-20         2.2.2 毛细管电泳芯片进样原理 20-22 3 CF-PCR-CE芯片设计与制作 22-35     3.1 CF-PCR-CE芯片设计 22-28         3.1.1 芯片总体设计 22         3.1.2 芯片微流通沟道设计 22-24         3.1.3 微加热器和微传感器的 ANSYS仿真与设计 24-28     3.2 玻璃基片的微流通沟道制作 28-32         3.2.1 掩模板制作 28-29         3.2.2 盖片制作及其与基片的键合 29-32     3.3 金属薄膜加热器和温度传感器的制作 32-33     3.4 CF-PCR-CE芯片的封接 33-35 4 温度控制系统设计 35-55     4.1 系统结构 35-36     4.2 系统硬件电路设计 36-45         4.2.1 FPGA芯片及其外围配置电路 36-38         4.2.2 采样输入电路 38-41         4.2.3 加热输出电路 41-43         4.2.4 键盘控制及 LCD显示电路 43-44         4.2.5 UART接口电路 44-45     4.3 温度控制系统软件设计 45-55         4.3.1 AD采样与滤波 46-49         4.3.2 温度曲线拟合 49         4.3.3 PID算法 49-50         4.3.4 PWM波形产生 50         4.3.5 RS232串口通信 50-52         4.3.6 LCD温度显示 52         4.3.7 LCD检测曲线显示 52-54         4.3.8 顶层模块设计 54-55 5 CF-PCR-CE芯片性能分析 55-68     5.I Pt薄膜温度传感器及加热器性能分析 55-62         5.1.1 XRD分析 55-56         5.1.2 温度传感特性 56-58         5.1.3 微加热器特性 58-62     5.2 PCR扩增反应结果分析 62-68         5.2.1 测试系统组建 62-63         5.2.2 扩增结果分析 63-66         5.2.3 毛细管电泳分析 66-68 结论 68-69 参考文献 69-72