【摘 要】
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以微流控技术(Microfluidics)为核心的疾病即时诊断技术(Point-of-Care Testing,Po CT)逐渐成为控制传染疾病蔓延以及野外和偏远地区疾病诊断最为有效和快捷的方式之一。然而,由于传统微流控系统的构成元件仍然采用常规尺寸驱动元件,使得微流控系统体积庞大,结构复杂,难以与微流控芯片本身实现集成,成为微流控系统进一步高度集成化的最大障碍。本文提出了一种应用形状记忆合金的核
【基金项目】
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北京北方盛戎科技发展有限公司横向课题《微流控试剂输送及样品提取芯片的研究》;
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以微流控技术(Microfluidics)为核心的疾病即时诊断技术(Point-of-Care Testing,Po CT)逐渐成为控制传染疾病蔓延以及野外和偏远地区疾病诊断最为有效和快捷的方式之一。然而,由于传统微流控系统的构成元件仍然采用常规尺寸驱动元件,使得微流控系统体积庞大,结构复杂,难以与微流控芯片本身实现集成,成为微流控系统进一步高度集成化的最大障碍。本文提出了一种应用形状记忆合金的核酸提取微流控系统,其原理简单,模块化集成度高,通过将微器件、微流控技术与智能控制技术相结合,实现了核酸提取流程的自动化。针对磁珠法提取核酸方法,利用软刻蚀(Soft etching)技术,以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)导电玻璃为原材料,本文提出了一种集成有加热与测温功能的PDMS-ITO玻璃微流控芯片,设计了一种利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)作为驱动元件挤压PDMS薄隔膜驱动试剂的模块化试剂盒,建立了SMA弹簧的热力学和动力学数学模型,并开展了仿真分析和试验研究,分析了SMA弹簧通电电流对于系统温度的影响,进一步影响马氏体百分含量、驱动力与驱动位移等关键参数。建立了驱动隔膜的稳态与瞬态动力学模型,探究SMA作用下隔膜的受力与形变情况,对参数的仿真与实验结果进行了比对与改进。针对核酸提取中的温度控制需求与自动化,搭建了温控系统。采用蚀刻技术在ITO玻璃上蚀刻出加热区域与温度传感器,将ITO玻璃加热基板与ITO温度传感器分别布置在芯片两侧,分别实现芯片加热与测温的功能。建立了微流控芯片的传热模型,研究芯片的稳态、瞬态热力学模型。开展基于SMA驱动的核酸提取微流控系统的实验研究。对温控系统进行了标定与测试,验证了温度控制效果。测试了SMA弹簧的驱动特性,通过将PDMS-ITO玻璃微流控芯片、SMA薄膜驱动试剂盒、温控与逻辑控制系统进行模块化组合,验证了基于微流控技术的核酸提取过程的可行性,实现了全过程的自动化提取。利用COMSOL仿真软件,搭建了芯片和驱动模块的流体流场仿真,研究了驱动过程中的流体的特性。
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