隨著芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展,微流控技術(shù)憑借其便攜性,精準(zhǔn)性、集成化等優(yōu)點(diǎn)而在生物醫(yī)學(xué)檢測和化學(xué)分析等領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛�；诖�,本文提出了一種基于石墨烯加熱的數(shù)字PCR系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種液滴流道式PCR擴(kuò)增的方法,PCR反應(yīng)液以液滴的形式在微流道內(nèi)完成PCR擴(kuò)增反應(yīng),可以縮短數(shù)字PCR擴(kuò)增的時間。同時,開發(fā)了一個高精度多路溫控系統(tǒng),并采用新型材料石墨烯作為加熱材料,能夠提高PCR系統(tǒng)控溫過程的準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)計(jì)了一種液滴數(shù)字PCR微流控芯片,芯片前端為生成液滴的T型流道,后端為PCR反應(yīng)的擴(kuò)增流道。由于流道的尺度為微米級,在流量一定的情況下,PCR反應(yīng)液在擴(kuò)增流道內(nèi)的流速較大,因此該設(shè)計(jì)可以提高PCR擴(kuò)增的速度。建立了液滴生成的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了液滴相對長度與流道幾何參數(shù)和兩相流流量比的關(guān)系式。然后仿真分析了毛細(xì)管數(shù)對液滴形成狀態(tài)和兩相流流量比對液滴相對長度的影響,驗(yàn)證了液滴生成數(shù)學(xué)模型和仿真的準(zhǔn)確性。建立數(shù)字PCR芯片的三維模型,使用有限元軟件COMSOL仿真分析了微流道內(nèi)的溫度分布。考慮流道內(nèi)部流體的強(qiáng)制對流換熱、微流控芯片與空氣的自然對流換熱以及石墨烯、玻璃片和微流控PDMS芯片間的熱... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

微液滴的基本操控

酶鏈反應(yīng)（polymerasechainreaction，后文簡稱PCR）已成為用特定序列檢測衡量DNA或RNA的重要工具和提供量化靶序列拷貝數(shù)最靈敏的方法[10]。然而，對于大多數(shù)實(shí)時定量PCR測定，絕對定量仍然是一個挑戰(zhàn)。數(shù)字式PCR檢測方法是以分布靶點(diǎn)為原理的終點(diǎn)檢測方法[11]，它將目標(biāo)DNA分配到大量分區(qū)并對這些正反應(yīng)的分區(qū)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在量化稀有樣本的絕對定量方面已變得越來越有前景。近年來，數(shù)字PCR在醫(yī)學(xué)中的多個領(lǐng)域應(yīng)用的較為廣泛，例如致病基因檢測[12]、少數(shù)等位基因[13]、拷貝數(shù)變異[14]、以及高度準(zhǔn)確的量化基因表達(dá)[15]。圖1-2展示了利用微液滴檢測病毒感染性的檢測過程[16]。圖1-2微液滴檢測病毒感染性的檢測過程因此，將數(shù)字PCR技術(shù)和微流控技術(shù)結(jié)合起來，在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)對DNA或RNA的定量檢測即基于液滴的數(shù)字PCR技術(shù)具有非常重要的意義。針對目前存在的PCR擴(kuò)增所需時間較長以及較難精確穩(wěn)定控制溫度等問題，本文提出了一種基于石墨烯加熱的數(shù)字PCR系統(tǒng)，并研究PCR擴(kuò)增過程的熱力學(xué)特性。為了減小PCR擴(kuò)增過程的時間，本文設(shè)計(jì)了一種基于液滴的數(shù)字PCR微流控芯片，芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有若干個循環(huán)的微流道，在微流道內(nèi)即可完成擴(kuò)增反應(yīng)，將PCR系統(tǒng)進(jìn)一步集成化小型化。同時，由于PCR擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行循環(huán)溫度的控制，開發(fā)了一個高精度多路溫度測控系統(tǒng)，本文對研究基于液滴的數(shù)字PCR技術(shù)和微流體泵送技術(shù)具有一定的促進(jìn)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1液滴微流控技術(shù)研究現(xiàn)狀微液滴控制技術(shù)一般指兩種不相容的流體，如水和油，其中之一是連續(xù)相，另外一種是離散相。它可以實(shí)現(xiàn)微滴的功能生成、傳輸、拆分、合并、排序、定位并采用微流控技術(shù)進(jìn)行捕獲和控制兩相流的行為[17,18]。微液滴的體積通常為微升或

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文–3–納升級，一些應(yīng)用需要甚至更小的液滴，例如直徑為幾百納米，用于生產(chǎn)納米液滴和納米顆粒[19]。因此，微液滴在芯片中相當(dāng)于微反應(yīng)器[20,21]。而可靠地產(chǎn)生液滴并精確控制其尺寸和尺寸分布對于滿足各種應(yīng)用中日益增長的高要求是至關(guān)重要的。經(jīng)過近年來的發(fā)展，微流控的液滴生成技術(shù)主要包括被動式和主動式。被動式的液滴生成技術(shù)是通過微流道的結(jié)構(gòu)使流場界面的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，到達(dá)一定程度后流場被動生成離散相液滴[22]；對于主動式的液滴生成技術(shù)來說，需要借助外界環(huán)境條件（熱能、壓力、微閥、壓電和磁場）作為驅(qū)動力從而實(shí)現(xiàn)液滴的主動生成。對兩種液滴生成方式比較發(fā)現(xiàn)，利用被動式技術(shù)生成的液滴比主動式生成的液滴更加均勻，并且液滴的空間分布均勻、單分散度更優(yōu)，相比于主動式需要借助外部環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)液滴分離，主動式技術(shù)的分離環(huán)境更加封閉，對于防止交叉污染[23]、避免外部干擾具有重要作用。對于被動式方式，微流控裝置可以根據(jù)微流道幾何結(jié)構(gòu)、芯片材料的不同分為三種類型[24]，如表1-1所示。表1-1三種類型的被動式微液滴發(fā)生裝置示意圖其中，利用PDMS材料制作加工成型的被動式微流控裝置中的T型流道結(jié)構(gòu)廣泛用于液滴微流控技術(shù)，因?yàn)樗鼈円子谥圃烨乙子诓僮鳎踔猎试S同步液滴形成[25,26]。圖1-3為各種T型流道幾何形狀的示意圖[27,28]。（a）為常規(guī)T型流道幾何形狀，其中離散相垂直注入連續(xù)流體流中。（b）中T型流道離散相和連續(xù)相從相對側(cè)注入。（c）為活性T型流道，允許通過空氣壓力和離散相的溫度控制改變幾

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本文編號：3629278