對載人航天來說,航天員在空間站長期健康生活是空間站工作順利完成的保障。由于空間站在軌運行時長期處在密封的條件下,微生物對航天員身體的危害和對設(shè)備的損壞不容忽視。本文介紹了面向空間的生物危害報警器相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和面臨的問題,針對性設(shè)計了一套面向空間應(yīng)用的陣列式單通道熒光PCR檢測系統(tǒng),主要內(nèi)容包括:電磁驅(qū)動試劑的設(shè)計理論研究,單通道式電磁驅(qū)動PCR擴增系統(tǒng)的搭建,系統(tǒng)溫度的理論分析,控溫裝置的搭建,原位成形光學(xué)微透鏡的制作及對熒光檢測結(jié)果的改善,基于納米銀顆粒的熒光檢測結(jié)果的改善等。本文主要的研究工作和取得的成果如下:1、研究了陣列式單通道PCR熒光檢測系統(tǒng)電磁驅(qū)動的機理。設(shè)計了外置式電磁驅(qū)動和內(nèi)置式電磁驅(qū)動兩類PCR微通道擴增系統(tǒng)的電磁驅(qū)動裝置,研究了通電線圈產(chǎn)生磁場的規(guī)律,計算了試劑模塊在線圈內(nèi)外的受力情況,為后續(xù)搭建用于空間條件下的PCR擴增工作和微型結(jié)構(gòu)的實時熒光PCR檢測系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。2、對陣列式單通道PCR熒光檢測系統(tǒng)的溫度場分布進行了設(shè)計和優(yōu)化分析,研究了系統(tǒng)加熱模塊的升溫速率,不同對流情況下穩(wěn)態(tài)溫度的分布,針對電磁推動的特點分析了試劑模塊在管道尾部的降溫情況,為裝置搭建提供技術(shù)基礎(chǔ)。3、為了改善熒光檢測部分的檢測結(jié)果,設(shè)計一種原位成形微透鏡,研究橢球面,拋物面,雙曲面三種面形微透鏡聚光性能的對比,此外研究了利用銀納米粒子的表面增強熒光效應(yīng)改善熒光檢測結(jié)果的方法。4、在溫控模擬分析和電磁模塊理論計算的基礎(chǔ)上搭建了一套陣列式單通道熒光PCR擴增系統(tǒng),利用PID算法控制三個溫區(qū)的溫度,并利用臨界比例度法對溫控PID算法進行了優(yōu)化。詳細(xì)研究了內(nèi)置式電磁驅(qū)動原理,對驅(qū)動過程進行了分解,計算了磁感強度變化與位置關(guān)系,對磁感強度梯度變化與位置關(guān)系,磁力驅(qū)動下試劑模塊的運動軌跡與復(fù)位情況進行了討論,實驗得到的電流與驅(qū)動時間關(guān)系與模擬計算的變化規(guī)律是一致的。根據(jù)加熱源的功率密度對整個系統(tǒng)升溫情況進行了模擬,17s左右試劑模塊即可達到設(shè)定溫度,在設(shè)定溫度時應(yīng)提升溫度設(shè)定來使得試劑模塊達到預(yù)定溫度,其中94℃溫區(qū)應(yīng)設(shè)定為109℃,72℃溫區(qū)設(shè)定為84℃,56℃溫區(qū)設(shè)定為64℃。在試劑模塊從94℃溫區(qū)到達56℃溫區(qū)外進行流冷卻時,在對流系數(shù)為20W/(m~2·K)時9s即可降到56℃。對原位成形微透鏡膠滴鋪展過程中的線型變化規(guī)律進行了研究,對比了三種非球面-橢球面,拋物面,雙曲面的非球面特性,制作三種面型原位成形光學(xué)微透鏡,進行聚光性能測量,對本裝置來說拋物面形狀的微透鏡聚光性能最佳,與計算結(jié)果一致。研究了生物PCR試劑檢測時熒光素SYBR Green I的光譜放大技術(shù),制作了銀納米粒子用于改善熒光信號,實驗結(jié)果表面熒光信號在添加銀納米粒子之后增強了一倍。在前面研究基礎(chǔ)上制作了陣列式單通道PCR熒光擴增裝置,主要包括溫控模塊,電磁驅(qū)動模塊等,對電控主要模塊進行了介紹,通過PID算法優(yōu)化溫控過程,94℃溫區(qū)精度為±0.1℃,72℃為±0.8℃,56℃為±0.3℃。制作了數(shù)字恒流源給驅(qū)動線圈進行供電,對電源進行了測試,電路功耗約為3.226W,DC-DC變換器的效率約為94.75%。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V443
【部分圖文】：

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文熱方式熱元件是一種柔性金屬電加熱薄膜，較薄的膜狀加熱元件多金屬氧化物片膜如 ITO，它廣泛被用于微流控 PCR 的溫控裝更為常用，它升溫速率可達 10～20℃/s，所占空間小、熱慣性快、控制精度高等優(yōu)勢[30-36]。后者雖然升溫速率不及前者，但薄膜厚度在納米數(shù)量級時，它和大多襯底有良好的粘附性和測。下圖是 JingDai 等人[37]采用 ITO 對連續(xù)流體芯片加熱的示左右后溫度上升到設(shè)定值并穩(wěn)定。其他的薄膜加熱材料如聚可以應(yīng)用在 PCR 溫控中。

圖 1-4 圓環(huán)形感應(yīng)加熱裝置示意圖ure 1-4 Schematic diagram of circular induction heating device熱方式指通過物質(zhì)間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來加熱的一種方置結(jié)構(gòu)，利于體積縮小，但是缺點是加熱速率慢，效較大。加熱方式電阻元件時由于一部分能量要被電阻消耗掉并以熱量可以用來加熱，由于薄膜電阻體積小，常被用來加直接將薄膜電阻集成在加熱區(qū)域。ShenKY 等利用薄，溫度上升速率為 8℃/s[44]。

報道了一種微流體驅(qū)動方法，驅(qū)動力由施加到共面指狀微電極陣列的交流電位產(chǎn)生。采用兩種類型的微電極結(jié)構(gòu)：一種不對稱的電極陣列通過一個單獨的電源如圖1-6a；電極寬度相等和間隙，并用4相交流信號通電如圖1-6b所示。在這兩種微觀結(jié)構(gòu)中，都觀察到兩種流體流動狀態(tài)：在小的電壓振幅下流體沿特定方向移動，在較高的電壓振幅下，流體流動反向。流體流動在兩個流動狀態(tài)中的電極水平上被驅(qū)動。圖 1-6 交流電極驅(qū)動裝置示意圖Figure 1-6 schematic diagram of Ac electrode driver張善亮等[51]做了關(guān)于微流道交流電水力泵的相關(guān)模擬分析以及進一步的驅(qū)動力的優(yōu)化，其中針對是一種微流道的尺寸為長：5mm、寬：0.4mm，厚：0.4mm的電力水泵進行了模擬及其優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后整個裝置的驅(qū)動電極的間距為0.02mm,寬度為0.01mm。Bart等[52]提出電極陣列以電勢行波激發(fā)，達到微米尺度系統(tǒng)中的微型電流體泵
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳堅;何華陽;俞寬新;陳濤;李瑩輝;王春艷;;原位成形光學(xué)微透鏡曲面形狀的計算[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2013年08期

2 李曉峰;石峰;馮劉;;透射式GaAs光電陰極熒光譜特性研究[J];紅外技術(shù);2013年06期

3 龐之浩;;中國的載人航天工程[J];衛(wèi)星應(yīng)用;2012年05期

4 陳九生;蔣稼歡;;微流控液滴技術(shù):微液滴生成與操控[J];分析化學(xué);2012年08期

5 薛冰;曹潔;顧月清;;新型納米材料量子點在生物及藥學(xué)領(lǐng)域的研究進展[J];中國醫(yī)藥工業(yè)雜志;2010年12期

6 崔寧;于海霞;;基于微流控生物PCR芯片的熒光PCR分析研究[J];電子測量技術(shù);2010年05期

7 王以明;張玉玉;陳文;;基于透射式熒光型光纖生物傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];生命科學(xué)儀器;2010年02期

8 蔣飛榮;賈文婷;張興燊;任彩萍;;熒光量子點探針及其標(biāo)記技術(shù)[J];生命科學(xué);2010年04期

9 戴敬;樊曉峰;方瑾;徐章潤;;微流控芯片系統(tǒng)中測溫及控溫裝置的研制[J];光譜學(xué)與光譜分析;2008年01期

10 張善亮;Nithin Narayananb;徐波;;微流道交流電水力泵的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2006年05期

本文編號：2883079