陈超[1]2003年在《线性阵列电极电控生物芯片及其控制系统的研制》文中认为基于线性阵列电极的电控生物芯片(Electric-Control Biochip based on Linear-arrayed Electrode,LEEC Biochip)属于微全分析系统的一种，可对多种微流体及生物分子电控操作，是一种集进样、分离、检测、智能操控等功能于一体的生化分析平台，具有微型化、集成化、便携化及操作自动化的特点。 近年研究表明，在生物芯片上集成特定结构的电极阵列，用电学方法可以精确操控微流体及生物分子的行为，本论文从生化分析的电控机理出发，研制了LEEC芯片及其控制系统。研究内容包括线性分布式电极阵列的理论设计，以普通载波片和有机高聚物PDMS(Polydimethylsiloxane)为基本材料的芯片制作工艺，LEEC芯片和PCB板的连接方式，硬件控制系统的设计以及控制芯片工作的单片机程序编制等，此外还包括电化学检测方法的研究。 硬件系统以c8051F020为控制核心，设计了一种I／O网络组合控制电路来控制54根pt电极，在叁态(高压、接地、悬空)之间的任意转换。其中AD器件可以采集温度、电压信号，键盘、液晶等人机交互接口便于人工操作。整个系统设计体现了高度集成、低功耗、高扩展性以及自动操控等特点。 最后用自行研制的LEEC芯片进行了测试和初步的DNA分离实验，证明系统在兼容性、控制时序方面运行正常，与芯片能良好衔接，新型芯片能成功分离DNA片段，并总结了一套较为成熟的实验方法。
吴志勇[2]2010年在《激光雷达液晶相控阵波控器研究》文中进行了进一步梳理激光相控阵雷达是一种新体制雷达,光学相控阵技术的应用使得激光雷达系统的械结构更简单,重量更轻,而且具有良好的综合性能。由于液晶相控阵具有驱动电压小,功耗低,响应速度快等优点,采用液晶相控阵实现激光的偏转,能够有效解决激光雷达高性能的波束控制和优良的操作灵活性等问题。因此,近年来,液晶相控阵技术得到了更为深入的研究(和应用),用液晶材料实现光学相控阵已经成为重要的趋势之一。本文中的波控器是实现液晶相控阵的关键技术之一。本论文依托具体的科研项目,针对激光雷达液晶相控阵波束控制器开展了如下工作:1)分析波控器功能要求,提出两种波控器硬件系统设计方案,然后对两种方案进行的对比分析与选定,最后设计了波控器各个模块的硬件电路并绘制了PCB。2)根据现阶段波控器主要用于偏转波控测试试验的实际情况,开发了用于进行波控测试试验的控制软件。3)分析液晶相控阵波控原理和方法,利用函数模拟液晶特性曲线,设计了偏转波控测试数据生成算法,利用此算法生成的波控测试数据成功的用于偏转波控测试试验。4)调试波控器硬件系统的各个模块,验证其能够正常工作,并利用波控器成品搭建波控测试试验平台,进行了一系列的波控测试试验。试验结果表明:波控器实现了其设计要求的基本功能,波控器能够对激光进行可编程电控偏转控制。本课题组所研制的液晶相控阵扫描组件具有波控能力,能够实现激光的偏转扫描。
王溢仲[3]2005年在《基于阵列电极电泳芯片分析系统的研制》文中研究说明电泳芯片分离控制系统微型化及其片上检测是生化分析的发展方向。基于线性阵列的电泳芯片的分析系统属于微全分析系统的一种,可对多种生物分子、离子等进行分离检测,是一种集进样、分离、检测、智能操控等功能于一体的生化分析平台,具有微型化、集成化及操作自动化的特点。 近年研究表明,在电泳芯片上制作电极阵列,用电学方法可以精确操控微流体及生物分子的行为,可实现低压电泳分离操作。本论文从生化分析的电控机理出发,对已有的电泳芯片进行改进,研制其控制检测系统。研究内容包括以普通载玻片和有机高聚物PDMS(Polydimethylsiloxane)为基本材料的电泳沟道芯片的理论设计、制作工艺,电泳芯片的连接方式,控制系统、检测系统的设计以及控制芯片工作的单片机程序编制,高精度检测系统的程序编制等。 控制系统以c8051F020为核心,设计了一种I/O网络组合控制电路来控制54根Pt电极,在叁态(高压、接地、悬空)之间的任意转换。键盘、液晶等人机交互接口便于用户操作。整个系统设计体现了高度集成、低功耗、高扩展性以及自动操控等特点。检测系统以MSC1210为核心,采用等比例测量原理对待测对象进行高精度检测,设计了独立的用户界面,可单独形成测量仪表。 利用电泳芯片进行了测试和初步电泳实验,证明控制系统基本实现设计功能,与芯片能良好衔接;对电泳分离结果进行了阻抗检测实验,证明检测系统能对某些样品的电泳结果进行高精度检测。系统的进一步研究将实现便携式生化分析系统。
吕宏峰[4]2013年在《低电压电泳芯片分析系统的关键技术研究》文中研究表明微流控电泳芯片是微全分析系统的重要组成部分,它以高效、快速、样品消耗少等优点,在DNA测序、氨基酸分离、药物筛选等方面得到了广泛的应用,已经成为当前生物科学和化学分析领域的重要研究平台。但是,传统微流控电泳芯片需要几百伏甚至数千伏的电压完成样品的进样和分离,不仅存在安全隐患,而且通常高压电源体积较大,不利于系统的微型化和集成化。针对上述问题,有学者提出低电压电泳芯片的设想,但目前它还处于初级研究阶段,需要完成以下关键技术才能使芯片系统得到更好的应用。包括解决阵列电极直接与样品溶液接触产生气泡影响样品迁移问题,芯片结构的优化设计,芯片制作的最佳工艺,芯片简易低成本的亲水改性方法,小型化控制系统与检测系统的研制等。为此,本文针对低电压电泳芯片系统的关键技术开展研究。低电压电泳芯片和传统电泳芯片的工作原理相似,都以电泳技术为基础,区别在于具体的控制方式有所不同。依据传统电泳芯片驱动原理,分析了低电压电泳芯片的驱动原理,设计了十字形和螺旋形通道的两种低电压电泳芯片,并使用ANSOFT有限元软件对芯片进样和分离过程的电势、电场分布进行了仿真,验证了低电压驱动方式的可行性。分析了低电压电泳芯片通道深度、电极宽度、电极间距、绝缘材料及薄膜厚度等参数对通道内电场分布的影响,得出了芯片结构的优化参数。根据设计参数制作出低电压电泳芯片,使用磁控溅射法制作了铂金属阵列电极基片,利用湿法腐蚀工艺制作了玻璃盖片。分别选取硅和SU-8两种材料利用模具复制法制作了PDMS盖片,SU-8以其加工周期短、图形复制准确、微结构边缘陡直等优点,成为制作PDMS模具的最佳选择。为了解决严重制约低电压电泳芯片实际应用的气泡问题,采用在阵列电极表面制作绝缘薄膜的方案,开展了二氧化硅和PDMS两种绝缘薄膜的制备研究。使用电子束蒸发方法制作了二氧化硅绝缘膜,实验结果表明,在基片温度300℃条件下生长的4μm二氧化硅薄膜,可以承受500KV/cm场强,耐压200V,能够满足低电压电泳芯片应用的需要。采用旋涂法制作了PDMS绝缘薄膜,测试结果表明,厚度为4μm的PDMS可以承受560KV/cm的场强,耐压220V。从电绝缘特性可以看出,两种绝缘膜都适用于低电压电泳芯片的制作,但是PDMS绝缘膜与二氧化硅薄膜相比,具有工艺简单、成本低廉等特点,因此芯片最终选用PDMS绝缘膜进行制作。直接固化的PDMS盖片和绝缘薄膜因材料的固有特性,表面能比较低,呈疏水性,不利于生物样品在通道内的移动,需要对PDMS表面进行亲水改性。实验采用臭氧紫外法对PDMS表面进行改性,并与无臭氧紫外方法的处理效果进行了对比,使用多种表征方法分析了改性机理。在相同的处理时间内,经臭氧紫外处理的PDMS表面水接触角更小,亲水性明显增强。红外光谱测试表明,臭氧紫外改性后的PDMS表面各种官能团变化较大,其中-CH3疏水基团随着处理时间的增加大幅减少,Si-OH和-OH两种亲水基团大量增加,并出现了二氧化硅的典型红外光谱峰。使用X射线衍射、扫描电镜与能谱测试的结果证明,PDMS表面改性后生成了类玻璃态二氧化硅物质,亲水基团的增多和二氧化硅物质的生成是PDMS表面亲水性显着增强的主要原因。实验结果表明,臭氧紫外处理方法是一种操作简单、低成本的PDMS亲水改性手段。设计并制作了低电压电泳芯片的电极控制系统。系统以STM32芯片为主控制器,结合驱动芯片、阵列光耦、放大滤波电路、D/A及A/D电路,实现对芯片阵列电极电压幅值、进样时间、电极切换的精确控制。研究并设计了以FPGA芯片为核心,包括激光器、CCD传感器、预处理电路的荧光检测系统,通过上位机数据处理程序,系统可以实现低电压电泳芯片样品检测和电泳谱图实时显示的功能。利用低电压电泳芯片、电极控制系统和荧光检测系统,组建了低电压电泳芯片分析系统。使用该系统进行了两种绝缘薄膜消除气泡效果的测试,选用罗丹明6G和罗丹明B溶液为样品,在十字形和螺旋形通道的低电压电泳芯片上分别进行了电泳分离实验。测试结果表明,二氧化硅和PDMS绝缘薄膜在样品电泳过程中完全抑制了通道内气泡的产生,两种低电压电泳芯片都可以在90V电压作用下实现样品的电泳分离。螺旋形通道低电压电泳芯片比十字形通道具有更好的分离效果,低浓度样品分离度大于1,两种样品能够完全分开。本文研制的低电压电泳芯片分析系统,在100V以内就可以实现样品电泳分离的功能,与传统电泳芯片近千伏的驱动电压相比,不仅工作电压下降了一个数量级,而且系统体积明显减小,为电泳芯片系统的进一步微型化与集成化奠定了良好基础。
李鹤楠[5]2006年在《基于光纤耦合的低电压驱动毛细管电泳芯片研究》文中研究指明毛细管电泳芯片是近十几年出现的一种微量分析装置，它具有高效、快速、试样量小等优点，已广泛应用于免疫测定、DNA分析和测序、氨基酸和蛋白质的分离、生物细胞的研究等方面。但是，毛细管电泳芯片的进样和分离过程需要在高电压下完成，并且采用的共聚焦式激光诱导荧光检测系统的光路结构复杂，体积庞大，这些问题极大地制约了毛细管电泳芯片的微型化和集成化。因此，本文开展了基于光纤耦合的低电压驱动毛细管电泳芯片研究。 本文将低电压驱动阵列电极与光纤微通道集成在一块芯片上，利用微电子工艺和MEMS技术在玻璃基片上溅射铂电极，在玻璃盖片上刻蚀微流体沟道和光纤微通道，采用热键合技术实现了芯片的封装。在低电压驱动部分，设计了以EPF10K20TC144-4芯片为控制核心的循环电压控制电路，采用Verilog HDL语言完成了硬件电路的软件编程，实现了计算机与FPGA芯片的串口通信与循环电压控制。低电压驱动阵列电极芯片在进样和分离时产生大量的气泡，严重阻碍了电泳分析的正常进行，本文重点针对这一问题进行了消除气泡问题的研究。通过在电极表面制备水玻璃、聚酰亚胺、氮化硅等多种绝缘薄膜，避免缓冲液与电极的接触，减少气泡的产生。经过大量的实验，探索出了具有绝缘夹层的低电压驱动毛细管电泳芯片的封装工艺。 不同绝缘膜电泳芯片的测试结果表明氮化硅绝缘膜能比较有效地抑制气泡的产生，在较低的电压下能实现电动进样和部分分离效果。利用具有光纤微通道的芯片对罗丹明B样品进行荧光信号检测，均得到了较好的电泳谱图，证明了本文所设计的基于光纤耦合的低电压驱动毛细管电泳芯片，利用激光诱导荧光检测技术能够完成样品的电泳分析。
参考文献：
[1]. 线性阵列电极电控生物芯片及其控制系统的研制[D]. 陈超. 中国科学院研究生院（电子学研究所）. 2003
[2]. 激光雷达液晶相控阵波控器研究[D]. 吴志勇. 电子科技大学. 2010
[3]. 基于阵列电极电泳芯片分析系统的研制[D]. 王溢仲. 中国科学院研究生院（电子学研究所）. 2005
[4]. 低电压电泳芯片分析系统的关键技术研究[D]. 吕宏峰. 大连理工大学. 2013
[5]. 基于光纤耦合的低电压驱动毛细管电泳芯片研究[D]. 李鹤楠. 大连理工大学. 2006