跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(3.236.84.188) 您好!臺灣時間:2021/08/02 21:48
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:葉全祐
研究生(外文):Chuan-You Ye
論文名稱:利用高分子材料設計聚合酶連鎖反應生物晶片及溫度模擬之研究
論文名稱(外文):Design of Polymers-Substrate Polymerase Chain Reaction Chip Using Simulation and Experiment of Temperature Distribution
指導教授:鍾永強鍾永強引用關係
指導教授(外文):Yung-Chiang Chung
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:微機電技術高分子材料聚合酶連鎖反應
外文關鍵詞:Micro-Electro-Mechanical Systemspolymer materialpolymerasechain reaction
相關次數:
  • 被引用被引用:2
  • 點閱點閱:331
  • 評分評分:
  • 下載下載:53
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本研究主要目的是在開發高分子材料做為聚合酶連鎖反應(PCR)生物晶片之基材,並藉由微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技術將系統微小化提高晶片準確度。本實驗晶片包含上下兩大部份,上部份為加熱源和溫度感測、下部份為微流道和反應室,並設計兩種材料組合晶片:第一組:上部份以玻璃當加熱器基材、下部份以高分子材料當微流道和反應室基材;第二組:上下部份皆使用高分子材料當基材,高分子材料(polymer material)選用四甲基戊烯共聚合體(TPX,Poly-4-methyl-pentene-1)。溫度是PCR反應過程中最重要的因素,因此在溫度反應要求需在不同溫度間切換越快越好,且晶片溫度分佈儘可能平均,因此設計八種加熱器,藉由模擬研究其熱傳導與溫度變化,以達到PCR反應準確溫度控制,模擬結果以形狀為內疏外密設計的加熱器溫度分佈最平均。關於PCR實驗,使用第一組晶片,以10μL檢體重複25個PCR溫度循環,藉由本系統之溫度控制器可以達到加熱速率為每秒20°C,降溫速率為每秒5°C,因此可在四十分鐘內完成25個PCR溫度循環。最後利用平板膠電泳對檢體進行PCR放大量的檢測,檢測DNA放大量長度為108 bps,經定量儀器偵測濃度,內疏外密加熱器設計的晶片可將原本濃度2 ng/μL增加至90.17 ng/μL,比等距加熱器加熱器設計晶片高10~12 ng/μL,因此驗證了模擬和實驗中的內疏外密加熱器設計之晶片,符合PCR實驗溫度分佈的要求,且DNA複製效率亦較高。
雖然高分子材料TPX當加熱器基材未能完成PCR實驗,希望未來能繼續選擇其他優異性較佳的高分子材料以達成PCR實驗要求,相信高分子材料晶片成功完成聚合酶連鎖反應之後,將有助於實驗室晶片商業化。
  This main purpose of this research is to develop the polymer material for polymerase chain reaction biochip. We used the Micro-Electro-Mechanical System to complete biochip accuracy. The microchip composed of two parts. One is the heater and temperature sensor on a top cover, the other is the microchannel and reaction chamber on a bottom substrate. Then we designed two kinds of chip materials:1. a glass cover and a TPX substrate, 2. a TPX cover and a TPX substrate. We utilized Poly-4-methyl-pentene-1 as the polymer material. Temperature is the most important in PCR, so the more uniform, the better. And we designed eight kinds of heater. According to heat conduction simulation, we can find the best heater pattern. The simulation result is that the design of long inside distance and short outside distance between heater columns was the best one. From PCR experiments:The reagent of 10 μL was repeated twenty-five cycles to complete PCR process. The temperature controller could reach the speed of heating 20°C /sec and the speed of cooling 5°C /sec. Thus the PCR process could be achieved for twenty-five cycles within 40 minutes. Finally We used the instruments to check DNA amplification result qualitatively and quantitatively. The DNA amplification length was 108 bps. The DNA amplification of long inside distance and short outside distance between heater columns was 90.17 ng/μL, and was larger 10~12 ng/μL than that of equally distances. Excellent correlation between simulation analysis and experimental result was obtained in this study.
Although we did not finish PCR experiment for the heater on the TPX polymer material, we hope to choose another polymer material in the future. When the PCR chip of the heater on the polymer material can be achieved, the lab on a chip will be more popular.
目 錄
第一章 簡介 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 聚合酶連鎖反應生物晶片之研究架構 9
第二章 PCR生物晶片作用原理 10
2.1 PCR作用原理 11
2.1.1 傳統PCR實驗 13
2.1.2 PCR儀器 15
第三章 高分子材料 18
3.1高分子基材與矽基材和玻璃基材之物理性質比較 19
3.2基材之熱性質比較 19
3.3高分子TPX特性 21
3.3.1 TPX化學性質 21
3.3.2 TPX機械性質 22
3.3.3 TPX光學性質 22
3.3.4 TPX熱傳性質 23
3.3.5 TPX電氣性質 24
3.3.6 TPX耐化學性質 24
3.3.7 TPX吸水率性質 24
3.3.8 TPX衛生安全性質 25
3.3.9 TPX加工方法 25
第四章 結構設計及數值模擬 27
4.1數值模擬理論 27
4.2熱傳導-數值模擬 29
4.3模擬加熱器A 30
4.3.1 模擬A型加熱器-TPX 32
4.3.2 模擬A型加熱器-GLASS and TPX 35
4.4模擬加熱器B 38
4.4.1 模擬B型加熱器-TPX 39
4.4.2 模擬B型加熱器-GLASS and TPX 43
4.5探討熱傳導數值模擬結果 46
4.5.1 TPX之平均溫度 46
4.5.2 TPX溫度分佈之標準差 46
4.5.3 GLASS and TPX之平均溫度 47
4.5.4 GLASS and TPX溫度分佈之標準差 47
4.5.5 模擬熱傳導結果比較 48
4.6電極-數值模擬 48
4.6.1 模擬電壓差50V 49
4.6.2 模擬電壓差100V 52
4.6.3 模擬電壓結果比較 55
4.7數值模擬 56
第五章 PCR生物晶片製作 57
5.1 PCR晶片之加熱器設計及製作 60
5.1.1 PCR晶片之加熱器設計 60
5.1.2 PCR晶片之加熱器製作 63
5.2 PCR晶片之微流道設計及製作 68
5.3 PCR晶片接合 70
第六章 微流道和加熱器測試與實驗 71
6.1加熱、感測、控制元件設計原理 71
6.2加熱、感測、控制實驗 78
第七章 結果與討論 81
7.1實驗結果 81
7.2討論 85
參考文獻 89

表目錄
表1.1 高分子材料與矽材料特性比較 2
表1.2 目前PCR晶片特性比較 7
表3.1 基材物理性質比較 19
表3.2 高分子基材與金屬熱性質比較 20
表3.3 光學塑膠優缺點 23
表4.1 材料特性 29
表4.2 TPX-A 模擬平均溫度 33
表4.3 TPX-A 模擬標準差 34
表4.4 GLASS and TPX-A 模擬平均溫度 36
表4.5 GLASS and TPX-A 模擬標準差 37
表4.6 TPX-B 模擬平均溫度 41
表4.7 TPX-B 模擬標準差 42
表4.8 GLASS and TPX-B 模擬平均溫度 44
表4.9 GLASS and TPX-B 模擬標準差 45
表4.10 模擬50V電壓達到373°K時間 51
表4.11 模擬電壓50V之標準差 51
表4.12 模擬100V電壓達到373°K時間 54
表4.13 模擬電壓100V之標準差 54
表5.1 PCR晶片製作流程圖 57
表5.2 PCR之TPX晶片立體圖 58
表5.3 PCR之Pyrex 7740玻璃晶片立體圖 59
表5.4 加熱器A圖形 61
表5.5 加熱器B圖形 62
表7.1 高分子材料性質比較 87

圖目錄
圖1.1 聚合酶連鎖反應生物晶片之研究架構圖 9
圖2.1 雙股DNA結構圖 11
圖2.2 PCR反應一次循環 12
圖2.3 DNA檢測模板 13
圖2.4 PCR試劑 14
圖2.5 DNA變性 14
圖2.6引子與模板黏合 14
圖2.7 DNA延伸複製 15
圖2.8 PCR thermo-cycler 16
圖2.9 平板膠體電泳圖 17
圖2.10 PCR定量圖 17
圖3.1 TPX材料優點 21
圖3.2 聚四甲基戊烯化學鍵簡圖 21
圖3.3 TPX(四甲基戊烯共聚合體)化學鍵簡圖 22
圖3.4 高分子光學性質 23
圖3.5 高分子熱傳性質 24
圖3.6 高分子吸水率性質 25
圖3.7 TPX實體圖 26
圖4.1 守恆傳輸圖 27
圖4.2 穩態熱傳示意圖 28
圖4.3 模擬加熱器(A)Case 1圖 31
圖4.4 模擬加熱器(A)Case 2圖 31
圖4.5 TPX-A Case 1溫度模擬分佈圖 32
圖4.6 TPX-A Case 2溫度模擬分佈圖 33
圖4.7 TPX-A模擬平均溫度示意圖 34
圖4.8 TPX-A模擬標準差示意圖 34
圖4.9 GLASS-A Case 1溫度模擬分佈圖 35
圖4.10 GLASS-A Case 2溫度模擬分佈圖 36
圖4.11 GLASS and TPX-A 模擬平均溫度示意圖 37
圖4.12 GLASS and TPX-A 模擬標準差示意圖 37
圖4.13 模擬加熱器(B)Case 3圖 38
圖4.14 模擬加熱器(B)Case 4圖 39
圖4.15 TPX-B Case 3溫度模擬分佈圖 40
圖4.16 TPX-B Case 4溫度模擬分佈圖 41
圖4.17 TPX-B模擬平均溫度示意圖 42
圖4.18 TPX-B模擬標準差示意圖 42
圖4.19 GLASS-B Case 3溫度模擬分佈圖 43
圖4.20 GLASS-B Case 4溫度模擬分佈圖 44
圖4.21 GLASS and TPX-B 模擬平均溫度示意圖 45
圖4.22 GLASS and TPX -B模擬標準差示意圖 45
圖4.23 TPX之平均溫度示意圖 46
圖4.24 TPX之標準差示意圖 47
圖4.25 GLASS and TPX之平均溫度示意圖 47
圖4.26 GLASS and TPX之標準差示意圖 48
圖4.27 PCR反應晶片電極示意圖 49
圖4.28 Case-1(50V)溫度分佈圖 50
圖4.29 Case-3(50V)溫度分佈圖 50
圖4.30 模擬50V電壓達到373°K時間示意圖 51
圖4.31 模擬電壓50V標準差示意圖 52
圖4.32 Case-1(100V)溫度分佈圖 53
圖4.33 Case-3(100V)溫度分佈圖 53
圖4.34 模擬100V電壓達到373°K時間示意圖 54
圖4.35 模擬電壓100V之標準差示意圖 55
圖4.36 電極模擬標準差比較圖 55
圖5.1 加熱器立體圖 58
圖5.2 微流道立體圖 58
圖5.3 TPX晶片立體圖 58
圖5.4 加熱器立體圖 59
圖5.5 微流道立體圖 59
圖5.6 GLASS and TPX晶片立體圖 59
圖5.7 加熱器製作程序 63
圖5.8 加熱器結構顯微圖 65
圖5.9 超音波加工原理圖 66
圖5.10 TPX和Pyreex 7740 Glass基材加熱器製程示意圖 67
圖5.11 微流道A圖形 68
圖5.12 微流道B圖形 69
圖5.13 紫外線接合機 70
圖5.14 TPX基材PCR晶片正視圖 70
圖5.15 GLASS and TPX基材PCR晶片正視圖 70
圖6.1 溫度控制系統 71
圖6.2 量測TCR簡圖 73
圖6.3 ㄧ般金屬材料之電阻與溫度關係曲線 74
圖6.4 數位化可程式直流電源供應器 74
圖6.5 FLUKE-189三用電錶 75
圖6.6 NI-9211 USB熱電偶 75
圖6.7 NI PCI-6503控制卡 75
圖6.8 繼電器 75
圖6.9 風扇 76
圖6.10 致冷片和散熱片 76
圖6.11 TE致冷器動作原理圖 77
圖6.12 TE致冷器驅動電流、電壓與溫差關係圖 77
圖6.13 玻璃晶片溫度電阻係數 78
圖6.14 TPX晶片溫度電阻係數 79
圖6.15 PCR實驗電路簡圖 80
圖6.16 Case-1 LabVIEW圖控視窗圖 80
圖7.1 PCR反應溫度週期圖 82
圖7.2 平板膠電泳示意圖 83
圖7.3 平板膠電泳分析圖 83
參考文獻
[1]R. K. Saiki, S. Scharf, F. Faloonam, K. B. Mullis, G. T. Horn, H. A. Erlich and N. Arnbeim, “Enzymatic amplification of β -globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia”, Science, Vol.230, pp.1350-1354, 1985.
[2]R. K. Saiki, S. Scharf, F. Faloonam, K. B. Mullis, G. T. Horn, H. A. Erlich and N. Arnbeim, “Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase”, Science, Vol.239, pp.487-491, 1988.
[3]張建裕、張建國,Introduction to PCR,藝軒圖書出版社,2004。
[4]A. Manz, D. J. Harrison, E. M. J. Verpoorte, J. C. Fettinger, A. Paulus, H. Ludi and H. M. Widemr, “Planar chips technology for miniaturization and integration of separation techniques into monitoring systems: capillary electrophoresis on a chip”, Journal of Chromatography, Vol.593, pp.253-258, 1992.
[5]唐偉德、周信宏、邱國麟、粘永峰,PCR設備之發展現況,工研院機械所,機械工業雜誌,第二七七期,pp.99-107,2006。
[6]M. A. Nortrup, C. Gonzalez, D. Hadley, R. F.Hills, P. Landre, S. Lehew, R. Saiki, J. Sninsky, and R. Watson, “A MEMS-based miniature DNA analysis system”, the 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX. Stockholm, Sweden, pp.25-29, 1995.
[7]S. I. J. H. Daniel, R. B. Millington, D. E. Moorf, C. R. Lowe, D. I.Leslie, M. A. Lee, M. J. Pearce, “Silicon microchamber for DNA amplification”, Sensors and Actuators A, Vol.71, pp.81-88, 1998.
[8]S. Kondo, K. Kano, and E. Shinohara, “Reaction chamber for PCR made by microfabrication technologies”, Transducers 99, the 10th International Conference on Sensors and Actuators Solid-State Sensors and Actuators, pp. 1718-1721, 1999.
[9]C. D. Z. Zhan, Y. Zhongyao, W. Li, “Biochip of PCR amplification in silicon”, 1st Annual International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, pp.25-28, 2000.
[10]M. A. Lee, C. G. J. Schabmueller, A. G. R. Evans, A. Bruunnschweiler, G. J. Ensell, D. L. Leslie, “Closed chamber PCR chips for DNA amplification”, Engineering Science and Education Journal, Vol.9, pp.259-264, 2000.
[11]J. E. Ali, I. R. P. Nielsen, C. R. Poulsen, D. D. Bang, P. Telleman, A. Wolff , “Simulation and experimental validation of a SU-8 based PCR thermocycler chip with integrated heaters and temperature sensor”, Sensors and Actuators A, Vol.110, pp.3-10, 2004.
[12]P. M. Pilarski, S. Adamia, C. J. Backhouse. “DNA amplification on a PDMS–Glass hybrid microchip”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.16, pp. 425-433, 2006.
[13]Yan Weipinga, Du Liqun, Wang Jing, Ma Lingzhi, Zhu Jianbo, “Simulation and experimental study of PCR chip based on silicon ”, Sensors and Actuators B, Vol.108, pp.695-699, 2005.
[14]A. R. Prakash, S. Adamia, V. Sieben, P. Pilarski, L. M. Pilarski, C. J. Backhouse , “Small volume PCR in PDMS biochips with integrated fluid control and vapour barrier”, Sensors and Actuators B, Vol.113, pp.398-409, 2006.
[15]Z. Zhao, Z. Cui, D. Cui, S. Xia , “Monolithically integrated PCR biochip for DNA amplification”, Sensors and Actuators A, Vol.108, pp.162-167, 2003.
[16]K. Shen, X. Chen, M. Guo, J. Cheng, “A microchip-based PCR device using flexible printed circuit technology”, Sensors and Actuators B, Vol.105, pp.251-258, 2005.
[17]H. Mohamed, D. H. Szarowski, L. A. Lepak, M.G. Spence, D. L. Martin, M. Caggana, and J. N. Turner, “Purification of PCR-inhibitory components by cellulose acetate membranes”, 2005 NSTI-Nanotechnology Conference, Vol.1, pp.446-448, 2005.
[18]J. Wang, Z. Chen, P. L. A. M. Corstjens, M. G. Mauk and H. H. Bau, “A disposable microfluidic cassette for DNA amplification and detection”, Lab on a chip, Vol.6, pp.46-53, 2006.
[19]R. P. Oda, M. A. Strausbauch, A. F. R. Huhmer, S. R. Jurrens, J. Craighead, P. J. Wettstein, B. Eckolff, B. Kline, and J. P. Landers , “Infrared-mediated thermocycling for ultrafast polymerase chain reaction amplification of DNA”, Analytical Chemistry, Vol.70, pp.4361-4368, 1998.
[20]M. N. Slyadnev, Y. Tanaka, M. Tokeshi, and T. kitamori, “Photothermal temperature control of a chemical reaction on a microchip using an infrared diode”, Analytical Chemistry, Vol.73, pp.4037-4044, 2001.
[21]Q. Chen, Z. Wu, and Y. Lin, “Intelligent PID control for PCR process”, IEEE International Conference on System Man Cybernet, Vol.1, pp.828 -831, 1998.
[22]M. U. Kopp, M. B. Luechinger, and A. Manz, “Continuous flow PCR on a chip”, Elements of materials science and engineering, Vol.28, pp.1046-1048, 1998.
[23]C. F. Chou, R. Changrani, P. Roberts, D. Sadler, J. Burdon, F. Zenhausern, S. Lin, A. Mulholland, N. Swami, R. Terbrueggen, “A miniaturized cyclic PCR device-modeling and experiments”, Microelectronic Engineering, Vol.61, pp.921-925, 2002.
[24]N. Agrawal, V. M. Ugaz, “Rapid DNA amplification in bouyancy driven closed loop microfluidic systems”, NSTI-Nanotech 2005, Vol.1, pp.620-623, 2005.
[25]W. Wang, Z. X. Li, Y. J. Yang, and Z.Y. Guo, “Droplet based micro oscillating flow-through PCR chip”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.15, pp.1369-1377, 2005.
[26]D. S. Yoon, Y. S. Lee, Y. Lee, H. J. Cho, S. W. Sung, K. W. Oh, J. Cha and G. Lim, “Precise temperature control and rapid thermal cycling in a micromachined DNA polymerase chain reaction chip”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.12, pp.813-823, 2002.
[27]L. Martynova, L. E. Locascio, M. Gaitan, G. W. Kramer, R. G. Christensen, and W. A. MacCrehan, “Fabrication of plastic microfluid channels by imprinting methods”, Analytical Chemistry, Vol.69, pp.4783-4789, 1997.
[28]M. A. Roberts, J. S. Rossier, P. Bercier, and H. Girault, “UV laser machined polymer substrates for the development of microdiagnostic systems”, Analytical Chemistry, Vol.69, pp.2035-2042, 1997.
[29]S. C. Wang and M. D. Morris, “Plastic microchip electrophoresis with analyte velocity modulation. Application to fluorescence background rejection”, Analytical Chemistry, Vol.72, pp.1448-1452, 2000.
[30]饒達仁、簡恆傑、陳昭榮,金屬電阻溫度係數量測之自我加熱效應探討,國立清華大學微機電工程研究所碩士論文,2005。
[31]張雯惠、林俊宏,聚合酶連鎖反應簡介,中山醫學大學應用化學系, 國家奈米元件實驗室,奈米通訊,第十二卷第一期,pp.6-11。
[32]楊龍杰,微小尺寸下的液體量測與驅動,淡江大學機械與機電工程學 系,物理雙月刊,第二五卷第三期,pp.1-13,2003。
[33]曾繁根、柳克強、黃海美、錢景常、潘力誠,生醫檢測的微技術,科學發展月刊,第三一七期,pp.67-73,2003。
[34]陳家俊,奈米材料研究發展,台灣師範大學化學系,科學發展月刊,第四期,pp.281-288,2003。
[35]李國賓,微流體生醫晶片,成功大學工程科學系,科學發展月刊,第三八五期,pp.73-77,2005。
[36]王少君,微流體晶片與蛋白質晶片,科學發展月刊,第三六九期,pp.75-77,2003。
[37]莊達人,VLSI製造技術,高立圖書有限公司,2001。
[38]楊龍杰,認識微機電,滄海書局,2000。
[39]林建中,高分子化學原理,歐亞書局有限公司,1998。
[40]Lawrence H. Van Vlack, Elements of materials science and engineering, Addison Wesley, 1997.
[41]周森,奈米生物科技之複合材料,全威圖書有限公司,2002。
[42]林建中,高分子材料性質與應用,高立圖書有限公司,1998。
[43]Incropera DeWitt, Fundamentals of heat and mass transfer, WILEY, 1997.
[44]林全信,熱傳遞學,大中國圖書公司印行,1985。
[45]楊榮顯,工程材料學,全華科技圖書股份有限公司,2003。
[46]F. Y. Wang, Introduction to solid-state electronics, WILEY, 1983.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top