论文总字数：24983字

摘 要

温度是聚合酶链式反应中的关键参数，PCR中每个热处理步骤温度的稍微变化就会对扩增结果产生巨大的影响。传统的PCR仪器存在着反应时间较长、反应体系试剂耗量大、试剂成本较高等问题。通过3D打印法、切割法等方法制备的微流控芯片具有反应速率快、成本低、体积小、制备快速、操作方便、集成度高等优点，且能够根据不同种类的样品溶液完成个性化制造。本项目使用自动裁切机加工微流控芯片，含有三个独立的温控区域，尺寸为159 mm× 50 mm；实现微流控芯片的微型化，及其快速、低成本制备，制作一张完整的微流控芯片耗时约10分钟，成本低于10元；搭建了一个较为可靠的温度控制系统，实现三个温控单元的同步温度检测与控制，其中温控的误差小于5 ℃，标准差小于3 ℃。；通过调节风扇转速，实现了系统热阻的调控，热阻调控的范围为5.05 ℃/W ~ 5.95 ℃/W；对微流控系统进行了流量—温度响应测试，实现系统在样品溶液流量为0.2 ml/min及以下时稳定工作，温控误差小于3.5 ℃，标准差小于0.2 ℃。针对本系统的不足之处，提出了通过提高系统加热/冷却功率、增加蛇形流道匝数等四个方法，进一步提高系统流量上限，为后续的研究做铺垫。

关键词： 微流控芯片，热阻分析，温度控制

ABSTRACT

Temperature is a key parameter in polymerase chain reaction. A slight change of temperature at each thermal step in PCR will have a great impact on the amplification results. Traditional PCR devices have disadvantages such as long reaction time, high consumption of reagents and high cost of reagents. Microfluidic chips fabricated by 3D printing and cutting methods have the advantages of fast reaction rate, low cost, small size, fast preparation, easy operation and high integration, and can be manufactured individually according to different kinds of sample solutions. This project uses automatic cutting machine to produce microfluidic chips, which contains three independent temperature control regions, the size of the chip is 159 mm * 50 mm; realizes microfluidic chips miniaturization, rapid and low-cost fabrication, takes about 10 minutes to produce a complete microfluidic chip, and the cost is less than 10 yuan; establishes a reliable temperature control system, realizes the synchronization of three temperature control units. The error of temperature control is less than 5 ℃ and the standard deviation is less than 3 ℃. By changing the speed of fans, the thermal resistance of the system is regulated, and the range of the thermal resistance is 5.05 C/W ~ 5.95 C/W. The flow-temperature response test of the microfluidic control system is carried out. The system works stably when the flow rate of sample solution is 0.2 ml/min or less. The error of temperature control is less than 3.5 ℃ and the standard deviation is less than 0.2 ℃. In view of the shortcomings of the system, four methods are proposed to improve the upper limit of the flow rate by improving the heating/cooling power of the system and increasing the number of serpentine runner turns, so as to pave the way for the follow-up research.

KEYWORDS: Microfluidics, Thermal Resistance Analysis, Temperature Control

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究思路及主要内容 4

第二章 微流控系统的设计与热阻分析 6

2.1微流控系统的设计 6

2.2微流控系统热阻分析 7

2.3本章小结 9

第三章 微流控芯片与温控系统的制造 10

3.1微流控芯片的制造 10

3.2温控系统的搭建 13

3.3温控系统性能标定 14

3.3.1数字温控开关的工作原理 14

3.3.2数字温控开关性能标定 16

3.4本章小结 19

第四章 微流控芯片温控性能测试 20

4.1温控单元的性能表征 20

4.1.1温控单元的热阻表征 20

4.1.2风扇制冷能力与输入功率关系表征 22

4.2微流控芯片流量—温度响应测试 23

4.2.1微流控芯片流量—温度响应测试实验设置 23

4.2.2温度响应测试实验结果及分析 24

4.3本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1工作总结 28

5.2未来展望 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

聚合酶链式反应（Polymerase chain reaction，PCR）由高温变性、低温退火（复性）及适温延伸等反应组成一个周期，循环进行，它的发明可实现目标DNA在体外的迅速（指数型）扩增，为DNA测序提供了一种简便、快速、准确的方法。通过适当的PCR，可以完成遗传性疾病的无创产前诊断、感染性疾病的早期诊断及特异性防治。可以预见，PCR在基因检测和临床医学等领域将具有越来越重要的地位。

目前，PCR仪器多采用传统的热循环方式，样品溶液在微孔式仪器中不断加热、冷却，循环反应。由于样品溶液体积较大，温度变化速率较为缓慢，反应时间长，导致试验成本较高。而采用刻蚀法、打印法、切割法等方法制备的薄膜微流控芯片，具有成本低、体积小、操作方便、集成度高等优点，且能够根据不同种类的样品溶液完成精准制作，实现即时检测，相比于传统的PCR仪器更加适合发展中国家使用。

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