自然对流型PCR芯片的热分析与设计

在分析了现有自然对流型PCR芯片的热性能的基础上,提出了采用薄圆盘腔体内Rayleigh-Benard对流实现PCR过程,并通过数值模拟研究了几何尺寸对自然对流稳定性的影响以及腔体内不同位置处流体温度随时间的变化。模拟结果表明通过几何尺寸的优化能够实现稳定的Rayleigh-Benard对流和PCR过程。

便携式PCR-CE微流体芯片分析仪控制系统设计

本文设计并开发出用于DNA聚合酶链式反应(PCR)和毛细管电泳(CE)分离的微流体芯片分析仪控制系统。本系统采用32位嵌入式微控制器ARM实现PCR扩增所需的3条恒温区的闭环温度控制和毛细管电泳分离功能所需的高压电场自动控制。由于对恒温区温度的精确控制是影响PCR反应的关键因素,因此温度控制系统采用模糊免疫PID算法实现对温度的精确控制,其控制性能优于常规PID控制器。本仪器还包括矩阵式键盘、小型液晶显示屏、串行通信模块和毛细管电泳分离模块。实验结果表明本系统不但完全满足设计要求,而且PCR温度控制更加精确,分析软件功能全面,系统体积小,便于室外使用。

微腔型PCR芯片的多体系集总热容法分析

本文采用多体系集总热容法分析了微腔型PCR芯片的热循环过程,研究了芯片的温度变化规律,并提出了芯片功耗的预测方法。数值模拟表明,多体系集总热容法可以被用来估计微腔型PCR芯片的温度变化,并能够准确地预测芯片所需功耗。

PCR扩增芯片中微加热器结构优化分析

针对PCR扩增芯片中微加热器的传热问题进行有限元分析,用计算机模拟了不同形状微加热器的温度分布,通过对比分析,得出了提高温度分布均匀性的加热器结构和布置规律;根据分析结果,设计出双螺旋环形微加热器,这种结构能在一定范围内提供均匀的温度分布,为完成高质量的片上PCR扩增提供所需的温度环境;同时该结构还能有效减小微加热器本身的自感效应,提高加热效率。

PCR芯片中微腔室高度及加热器结构优化设计

对PCR扩增芯片中微加热器的传热及微腔(DNA反应液腔)室的高度优化问题进行了有限元分析,通过ANSYS软件模拟分析了单蛇形、双蛇形以及双螺旋形等典型结构微加热器的温度场分布,分析了不同腔室高度PCR芯片的温度场分布,重点探讨了不同微加热器结构、不同布线规律对PCR芯片微腔室温度分布均匀性的影响,PCR芯片中DNA反应液厚度与芯片上下表面温差的关系.仿真结果表明:均匀加热器比非均匀加热器温度分布均匀性更好;双螺旋形加热器较单蛇形与双蛇形加热器更能满足实际需要;DNA反应液厚度与芯片上下表面温度差之间具有良好的线性关系.同时根据分析结果得到了所设计的具有电极均匀分布双螺旋微加热器的PCR芯片微腔室最佳高度为340μm,能很好满足片上PCR芯片扩增所需的温度环境条件.

PMMA基PCR微流控生物芯片准分子激光加工

采用准分子激光在PMMA基片上刻蚀加工出PCR微流控生物芯片,分析了准分子激光能量密度和工作台移动速度对微通道加工质量(深度及粗糙度)的影响,加工过程中选择较低的激光能量密度和较高的工作台移动速度,都有利于获得底面更加光滑的微通道。通过热键合的方法制备出完整的密闭式PCR微流控生物芯片。

电子束重复曝光加工PCR微通道的工艺研究

对PCR微流控芯片通道中流体的流动特性进行了分析,发现流体在横截面为圆形的通道中流动时由摩擦引起的等效水头损失及表面张力均小于微矩形通道。以此为依据,将PCR芯片微通道优化设计成圆形通道。在JSM-5CF电子束曝光机上采用束斑尺寸80nm、能量20keV的电子束对1μm厚的聚甲基丙烯酸甲酯进行了单次曝光剂量40μC/cm2的8次重复增量扫描曝光实验,显影后得到的PCR芯片微圆通道轮廓清晰,边缘连续光滑。证明了电子束重复增量扫描曝光方式制作PCR微流控芯片微圆通道的可行性。

应用于微型PCR芯片的微加热器特性研究

设计制作了一种应用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的微加热器。然后按照PCR循环温度的要求,利用该加热器进行了PCR温度实验。微加热器采用与MEMS工艺兼容的溅射方法在Si基上制作,微加热器材料为金属Pt。通过控制施加电压大小及时间,进行了变性温度、退火温度和延伸温度实验。结果表明:在25 V和32 V电压控制下的温升速度分别为0.68℃/s和1.23℃/s。在断电自然冷却下的降温速度均达到1℃/s。在一个PCR循环周期中每个反应仓的平均功耗为50 mW,最大功耗80 mW,整个10 mm×10 mm芯片的最大功耗为0.96 W。完成第一次PCR温度循环需要220 s,之后的每次循环仅需要175 s。

微型PCR系统及其温控特性研究

介绍了一种基于芯片的微型聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)系统,利用该系统进行了温度控制和响应特性研究。系统由PCR芯片、封装PCB板及单片机控制系统组成。PCR芯片采用MEMS技术制作。用微型PCR系统对芯片上含有微加热器的反应仓进行了升温降温、循环温度和液体负载对比加热等实验。结果显示:微加热器升温速度可以达到3℃/s,降温速度可以达到1℃/s,稳定后温度变化小于0.1℃。通过实验结果与理论计算的对比,分析了微加热器的最高温度与加热功率之间的对应关系及提高温控特性的关键因素。

聚二甲基硅氧烷球形微腔阵列的数字PCR芯片

数字聚合酶链式反应(d PCR)技术是一种核酸绝对定量技术,但现有d PCR平台因其昂贵的设备或复杂的操作限制了其实际应用。利用气体膨胀浇注成型技术,结合集成微腔阵列的模具,设计、制作了一种成本低廉、简单可靠的d PCR微流控芯片。独特的球形微腔为液滴存储提供了更稳定的几何形式,保证了样品数字离散化的可靠性和稳定性。同时,芯片还利用预脱气的聚二甲基硅氧烷(PDMS)实现自动进样和样品离散化,大大降低了对复杂昂贵设备的依赖,且提供了更高集成度。利用芯片进行了EGFR基因第19号外显子数字PCR定量检测,验证了该芯片的实用性。

PCR荧光探针法联合DNA微阵列芯片法检测在肺结核诊断和治疗中的应用

目的探讨PCR荧光探针法联合DNA微阵列芯片法检测在肺结核诊断和治疗中的应用效果。方法选取2020年1月至10月上饶市第二人民医院收治的128例肺结核患者为观察组,另外选取同期40例非肺结核患者为对照组,留取两组对象晨痰,采用痰涂片抗酸染色、血清结核抗体及PCR荧光探针法进行结核分枝杆菌检测,再采用DNA微阵列芯片法将PCR荧光探针法检出结核分枝杆菌的痰液进行结核耐药性检测,比较三种方法的诊断效能,统计DNA微阵列芯片法检测利福平和异烟肼耐药性结果。结果PCR荧光探针法诊断肺结核的灵敏度、特异度、阳性预测值、准确度高于痰涂片抗酸染色、血清结核抗体检测,差异有统计学意义(P<0.05);应用DNA微阵列芯片法检出利福平敏感45例,耐药11例;异烟肼敏感44例,耐药12例;双重耐药5例。结论PCR荧光探针法联合DNA微阵列芯片法既能提高结核分枝杆菌的阳性率,也能快速检测结核分枝杆菌的耐药性,检测速度快,48 h即可获得诊断及耐药结果,可以协助早期诊断,制定有效的治疗方案,对改善肺结核患者预后具有重要意义。

聚合酶链式反应微流控芯片的准分子激光制备和应用研究

采用价格便宜的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)代替价格昂贵的硅或玻璃作为聚合酶链式反应(PCR)微流控芯片的基片材料,采用柔性大且自动化程度高的准分子激光微加工方法代替加工工艺复杂的光刻化学腐蚀方法,在19kV和18mm/min的优化加工参数下,在48mm×67mm×1mm的PMMA基片上制备出20个循环的PCR微流控芯片.芯片微通道横截面呈梯形,底面光滑.微通道宽104μm,深56μm,长2060mm,加工耗时约110min.该芯片和相同尺寸的盖片在160N和105℃条件下通过热压经20min键合在一起,键合强度为0.85MPa.键合后的芯片和温控系统集成在一起,采用比例积分微分(PID)方法得到的控温精度为±0.2℃,采用红外热像仪得到的相邻温区间的温度梯度分别为16.5和22.2℃,最后利用该芯片在对170bp的DNA片段实现了体外扩增.

热气动式微泵的热分析与设计

对热气动式微泵进行了热分析,得到了泵室压力与温度场的关系。针对液滴型微PCR芯片中液滴往复运动的需要,在微泵中引入了热电制冷,通过分析,确定热电制冷片应该放置于导热系数较小的玻璃侧和温度应控制在10℃．分析表明,为了实现迅速增压,保持压力稳定,较快降压三阶段的要求,加热过程可设置为,高功率加热一段很短的时间,然后低功率加热持续一段时间,最后停止加热。

非小细胞肺癌术中外周血CEA mRNA的检测及意义

目的:研究手术对非小细胞肺癌(NSCLC)外周血微转移的影响。方法:对70例NSCLC患者、18例肺部良性疾病患者于手术开始时、结扎肺静脉时和结扎肺静脉后1小时取外周静脉血,采用逆转录巢式聚合酶链反应(nested-RT-PCR)和微流控芯片(micro-fluid-chip)方法对外周血CEA mRNA进行检测。结果:CEA mRNA检测阳性率在手术开始时、结扎肺静脉时和结扎肺静脉后1小时的CEA mRNA检测阳性率分别为50.0%、62.8%和57.1%;经χ2检验,手术开始时和结扎肺静脉时阳性率比较,统计学有显著性差异(χ2=7.114,P<0.05);结扎肺静脉后1小时阳性率高于手术开始时,结扎肺静脉时阳性率高于结扎肺静脉后1小时,但统计学无显著性差异(P>0.05)。结论:手术操作会促进肿瘤细胞进入血液循环,先结扎并尽早结扎肺静脉可能会减少术中进入血液循环的肿瘤细胞数。

一种用于核酸高灵敏检测的液滴式数字聚合酶链式反应芯片

为了实现对核酸的高灵敏度检测,构建了一种新型的液滴式数字聚合酶链式反应(dd PCR)芯片.该芯片由产生液滴的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模块和储存液滴的玻璃腔室构成.实验结果表明,该芯片可以在25 min内产生2×106个直径为20μm的微液滴(体积4.187 p L).利用该芯片定量检测了表皮生长因子受体(EGFR)基因第19号外显子,在DNA浓度为106~101copies/μL范围内呈现良好的线性关系(R2=0.9998);在浓度为106copies/μL的19号外显子野生型DNA中检测105~100copies/μL的突变型DNA,其检测敏感度可达到0.0001%.该方法在同一芯片上实现了液滴产生、核酸扩增和荧光信号读取的功能,在核酸绝对定量及痕量突变基因的检测中具有潜在应用前景.

法医DNA快速检验研究进展

法医DNA快速检验技术是目前研究的热点,主要应用于个体识别和亲子鉴定领域。该文分别从快速提取,快速扩增,快速设备,微流控芯片,全自动DNA分型检测设备方面对现有DNA快速检验的技术方法,实验原理进行充分说明和举例论证,同时对该行业在快速检验方法的选择问题上提出明确的建议——采用强抑制力的缓冲体系,高效酶并结合快速扩增程序实现快速PCR检测技术,同时提出芯片化DNA检测的实现方式,指出国产的便携式全自动快速检测仪器是未来发展的主要方向。

一种微型Pt温度传感器及其读出电路的研究

基于电阻温度系数(TCR)原理及微机电系统技术,设计并制作了一种用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的Pt温度传感器及其读出电路。利用溅射和剥离技术将厚度为100 nm的弯曲条形Pt传感器制作在硅衬底上。其长度和宽度分别为2 030μm和10μm。设计了基于四线法温度测量的读出电路,该电路主要包括一个恒流源电路和一个电压放大电路。测试结果表明,该传感器的电阻温度系数为1.48×10-3℃-1,其电阻变化随着温度的变化具有良好的线性度,当温度在27～100℃变化时,电阻范围在653.5～716.5Ω变化。在接出一个8位的模数转换器以后,整个传感器和读出电路能确保一个精度为0.2℃的温度控制,满足一般PCR测量需要。

基于微腔自然对流的PCR芯片的热设计

对薄圆盘腔体内自然对流实现PCR过程进行了热分析,在此基础上对薄圆盘腔体的边界条件、几何尺寸和内部结构进行了优化设计。结果表明,在所研究的范围内,周壁绝热,上下壁温分别为反应允许退火-延伸温度的下限和反应允许变性温度的上限,同时腔体的高径比为0.275左右时,腔体内能够满足PCR反应要求的流体的体积最大。保持腔体高径比不变和流体体积不变,在腔体内加入一个固体的圆环结构,且将下表面保持高温的区域由全表面缩小到1/2圆盘半径范围,流体在变性区停留时间与退火延伸区停留时间之比大大减小,且满足PCR反应要求的流体的体积改变不大,能进一步提高PCR的效率。

PCR微池芯片的设计、制作及实现样品扩增

设计并制作了一种石英玻璃材料的PCR(PolymeraseChainReaction)微池芯片,使用商用热循环仪控温。通过实时测量芯片微池内温度,改进温度控制程序,使用BSA(牛血清白蛋白)处理微池内壁等优化工作,实现了DNA片段的有效PCR扩增。