实时荧光PCR芯片及其检测平台的设计

研制了一款实时荧光PCR芯片及其检测平台.其中PCR芯片实现样品的预处理及实时荧光反应等功能;检测平台实现实时荧光检测、分析及处理等功能.该检测平台由注射泵系统、实时荧光信号采集系统和PCR温度控制系统等组成.并成功地实现了从血液中提取白细胞及同一腔体中PCR反应、检测以及分析等.实验结果表明,该系统能满足实时荧光PCR芯片的控制与检测实验结果,达到了设计各项指标.     

PCR扩增基因检测中的温度控制

本文介绍了一种PCR扩增基因检测仪中的风场温度控制方法,它可以使风场温度按照一定规律变化。其控制过程是将测量的反馈温差信号送入PID模块运算之后,成为控制信号;该控制信号再通过晶闸管控制电热丝的瞬时功率,从而控制温度。结果证明这种控温方式能够满足仪器的温控要求。     

实时数字PCR扩增曲线的分类

传统的数字PCR检测仅针对扩增终点的核酸样本执行终点式的荧光分析,依据反应后的荧光图像进行阴阳性统计及样本浓度计算,分析结果极易受假阳性及非特异性扩增影响。本文提出了一种基于过程的实时微孔式数字PCR芯片阴阳性分析方法,从时间维度对数字PCR结果进行定量分析,提高数字PCR检测的准确性。设计支持实时数字PCR分析的硬件系统并与终点式数字PCR仪进行对比,验证系统性能。在此系统上检测不同浓度的人类Ⅳ型疱疹病毒样本,获取实时扩增曲线,采用支持向量机算法对扩增曲线的特征进行学习并应用于检测曲线分类。实验结果表明,所设计的实时数字PCR系统与终点式数字PCR仪扩增结果具有高度一致性。本文所述的基于支持向量机的分类算法对扩增曲线的分类准确率达到98%以上,能准确识别假阳性及非特异性扩增微孔。相比于传统阈值分割法,本方法对阳性点识别的平均准确率提高了17.60%,并且目标模板拷贝数越低,效果越明显。与传统的终点式数字PCR相比,本文提出的基于实时数字PCR系统的数据分析方法具有准确性更高的优势,尤其在低拷贝数检测下可以获取更为精确的定量结果。     

集成PCR芯片温控系统的设计

针对自行研制的集成PCR芯片，以AT89C51单片机为核心，利用A／D转换器构成数据采集输入通道，采用修正的PID算法以及事件驱动编程模型，设计出升降温迅速、控温准确的集成PCR芯片温控系统。     

快速建立PCR芯片恒温场的设计

通过对PCR芯片工作所需的恒温场进行分析研究，使用半导体致冷片为温度控制部件，设计了一种新型的主动式恒温控制系统。温控系统通过改变半导体致冷片工作电流的极性来瞬时切换系统的升、降温状态，通过改变其工作电压来精确调整系统的工作温度，同时利用半导体致冷片的面加热特性，能够快速建立所需的恒温场，且恒温特性好。与其它PCR芯片温控系统相比，由于系统采用了主动式致冷措施，系统的降温速度很快，约为-17℃／s，较大地缩短了降温过程，改善PCR扩增质量。     

微流控芯片PCR循环温控系统

介绍了一种适用于微流控芯片PCR扩增的新型循环加热系统,包括系统可控电源电路设计、控制方案确定及控制算法实验.实验表明该系统消耗试剂量小,温度控制准确、稳定,适用于微流控芯片PCR扩增实验.     

微流控PCR芯片研究进展及其在法医DNA检验中的应用

微流控PCR芯片技术是芯片研究领域的热点,具有较高的基础研究价值和市场价值。本文介绍了微流控PCR芯片技术的概况、研究进展及其在法医DNA检验中的应用。     

聚合酶链反应（PCR）技术与基因扩增分析仪器（PCR仪）

较为全面地论述了聚合酶链反应(PCR)技术与基因扩增分析仪器(PCR仪).较为详细地阐述了PCR基本原理、PCR结果的检测与分析、实时定量PCR技术、影响PCR效果的因素、PCR技术的应用、PCR仪器的现状及其发展方向.     

数字微流控芯片半月形驱动电极的设计

为了降低数字微流控芯片的驱动电压,将传统的方形驱动电极结构设计为半月形,并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先,根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后,通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真;根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后,设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片,并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明:研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中,电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%,而且可以在16V的驱动电压下使1μL去离子水液滴的运动速度达到1.6cm/s,是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。     

半月形电极微液滴驱动的微流控芯片

针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题,本文对比传统的驱动电极结构,研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片.首先,基于介电湿润原理,分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系.接着,对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小;分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大,从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大.最后,利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果.结果表明,所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37％和67％.另外,当有效驱动电压为60 V时,半月形驱动电极芯片上2μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s,分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍.得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的.     

悬空零电极介电湿润芯片的设计

针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持,本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计,并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先,基于介电湿润原理,推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力,接着,对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后,对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后,对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示:驱动同等体积大小的微液滴时,本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低,液滴的运动速度更快;当有效驱动电压达到44V时,液滴的速度可以达到15cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高,驱动电压更低。     

基于液滴微流控技术的集成式数字PCR芯片

为了实现对核酸的高灵敏度检测,设计出一款新型的微滴数字聚合酶链式反应(ddPCR)芯片。该芯片由流动聚焦式微滴生成模块及后方的微滴储存腔构成。使用COMSOL软件对微滴生成及收集腔内液体流动进行仿真,验证芯片结构的合理性。使用软光刻技术及模压成型方法制得聚合物芯片并进行试验,结果表明,该芯片可以在70s内生成20 000个直径为120μm(0.89nL)的微滴,微滴一致性较好(体积的变异系数为2.11%),且可以整齐、稳定地排列在收集腔内。应用该芯片直接进行原位PCR扩增及检测即可得出DNA检测结果。该芯片具有高灵敏度、高通量和高集成度的优势,避免了普通数字PCR的各种缺陷,如操作复杂、移液过程中的样品污染、样品损失、微滴破碎和融合。     

基于PID技术的PCR芯片温度控制系统硬件设计

本文利用集成芯片上的金属薄膜加热器和温度传感器,设计了以单片机和PC机为智能控制核心,以PWM技术以及PID控温算法为依托的连续流动式PCR芯片控温系统.     

基于微流控芯片的数字PCR荧光图像分析方法

基于微流控芯片的数字PCR技术是当前痕量核酸分子绝对定量检测的先导技术,可通过荧光图像处理办法实现对目标分子高精度计量。本文基于本实验室大量数字PCR检测获取的荧光图像,开发了具备图像倾斜校正、图像二值化、芯片微反应腔室自动定位、图像快速拼接、图像分割、亮点计数等功能的荧光图像分析系统。该系统不仅实现了核酸分子的精确计数,且实现了较为友好的人机交互     

电极引弧微爆轰加工工程陶瓷工艺参数优化实验研究

简要介绍了一种基于工程陶瓷的全新的低成本特种加工技术——电极引弧微爆轰加工技术。在详细分析该技术易损件——爆轰波发射器喷嘴孔径烧损规律的基础上,通过单因素实验探讨了喷嘴与工件间的距离(L)、工作气压(P)、工作电流(I)、通气引弧时间(T)四种主要参数对加工性能的影响规律并确定了它们的有效取值范围;进一步采用正交试验,对应用于反应烧结Si3N4陶瓷平面成型加工的工艺参数进行了优化,试验结果的最优工艺参数组合为:L=4mm,I=80A,P=0.10MPa,T=0.61s。最后,展望了该技术下一步亟待深入研究的方向。     

扇形电极微液滴分离的数字微流控芯片

针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低,分离后的子液滴体积误差大等问题,本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后,结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比,新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置,分离过程中能保证液滴平稳收缩,从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象,对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明:使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极,并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内,变异系数低至1.83%,通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。     

低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片的研究

本文介绍了一种低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片.在玻璃基片上溅射铂电极,在盖片上刻蚀毛细管电泳微沟道,以热键合的方法封接基片和盖片,并利用电极电压控制进行了电动进样实验.结果表明,本文设计制作的低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片,可较大幅度地降低进样电压.     

基于SPCE061A的PCR芯片温度控制系统的设计

文中设计了基于SPCE061A的PCR芯片温度控制系统.系统以集成在PCR芯片底面的铂薄膜电阻作为温度传感器和加热器;加热器采用双螺旋型结构,以提高PCR反应温度均匀性.在实时测量、PID控制中,为了提高测量精度,使用0.5 mA恒流源电路将温度信号转化为电压信号.实验结果表明:该系统的温度控制精度达到±1℃,升温速度达到13 ℃/s,降温速度达到6℃/s,能够满足快速PCR反应要求.     

数控车床仿真算法优化及其实验研究

介绍了一种数控机床仿真优化方法及其实验,该算法的核心思想是利用模型数据中的空白片段将二维毛坯dexel中的数据分解映射到三维空间中,使得整个系统在显示上更加清晰,提升数据分析的可靠性。文中还就该算法的具体实现方式进行详细论述,重点涵盖了NC加工型代码、刀具模型的精细设计、内外径车削工作实际、毛坯模型的基础建构、检验仿真结果等几个层面。最后通过现场实验对不同的工作状态下的具体表现进行对比验证,说明该系统的稳定性与时效性,为该系统的推广应用提供充分的证据。     

液相流路控制与微流控核酸扩增芯片偶联系统的研制

随着载人航天和空间探测技术的进步,空间站特殊环境导致常规仪器无法直接在空间站内正常运行,使得改进和开发适用于空间站的生物分析检测设备变得非常重要。其中核酸作为一个重要的生物大分子,在生物科学研究中对它的分析是必不可少的。本研究针对核酸扩增设备在航天中的应用提出了一种液相流路偶联微流控核酸扩增芯片系统来解决微重力环境下核酸检测过程中对于液体处理的问题,实验结果表明液体混合良好,密封性良好,能满足微重力条件的液体传输。这一系统为基于微流控芯片的空间核酸分析设备的开发提供思路。