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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林宗漢
研究生(外文):Tsung-Han Lin
論文名稱:非接觸式加熱雙輸出可拋式PCR晶片之研發
論文名稱(外文):Using Non-Contact Heating for the Development of a dual Output Disposable PCR Biochip
指導教授:朱元南朱元南引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:生物產業機電工程學研究所
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:75
中文關鍵詞:非接觸式加熱PCR可拋式生物晶片
外文關鍵詞:Non-contact heating PCRdisposable biochip
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微流體生物晶片具有反應效率高、試劑用量低、體積小、可大量生產降低成本等優點。基於輻射加熱系統效率較高,槽狀式PCR晶片體積小,本研究結合這兩者的優點,發展非接觸式加熱平行輸出之可拋式PCR生物晶片系統。本研究應用膠膜黏合三片聚酯薄片(PET),成為槽狀可拋棄式PCR晶片,可以防止蒸發,僅需5.5μl的DNA試劑,即可完成PCR反應,相較於一般商業生產之熱傳導式加熱PCR系統可節省約 ~ PCR試劑用量。本研究採用熱輻射加熱和強制冷卻,升溫速率每秒2.75℃,降溫速率每秒3.5℃,溫度最大過超越量0.65℃,溫度穩態誤差可控制在0.65℃以內,相較於傳統熱傳導式PCR系統之速率快。本研究並實驗二維陣列PCR晶片反應之穩定性,受限於強制熱對流方向是單一方向,導致二維陣列晶片降溫不均勻,經實驗後僅能成功放大一維方向的PCR晶片。
Microfluidic biochips have many advantages including low reagent volume, high reaction efficiency, small size, mass produceability and low cost. The purpose of this study was to develop a non-contact heating, dual output, disposable PCR biochip system, combining the higher thermal efficiency of radiation heating and the advantage of low reagent volume of the well type PCR chips. The study uses a double-sided bonding film to seal three pieces of PET film into a sandwich structure. The inner pieces have pre-manufactured holes to form a closed well with fluid injection and removal ports. This makes a well type disposable PCR biochip. The bonding film could seal up the PCR chip and prevent evaporation. The volume of reagent for a complete PCR reaction was only 5.5μl, only about a half to three fourths that with conventional heating PCR systems. Thanks to the radiation heating and forced convection, the heating rate was 2.75℃/sec ; the cooling rate was 3.5℃/sec, and the thermal transient overshoot and thermal stability were all within 0.65℃/sec. The heating/cooling rate were slightly higher comparing to traditional PCR thermal cyclers .Attempts were made to expand the biochip system to two-dimensional but failed possibly due to uneven temperature distribution among the chips.
誌謝……………………………………………………………………ii
中文摘要 ……………………………………………………………iii
英文摘要 ………………………………………………………………iv
目錄 ……………………………………………………………………vi
圖目錄 …………………………………………………………………ix
表目錄 …………………………………………………………………xi

第一章 前言 ……………………………………………………………1
第二章 文獻探討………………………………………………………3
2.1 微全分析系統…………………………………………………3
2.2 PCR晶片的型式………………………………………………5
2.3 PCR晶片溫度傳遞方式………………………………………6
2.4 PCR晶片之蒸發問題…………………………………………8
2.5 PCR晶片之材料與製作………………………………………9
第三章 材料與方法……………………………………………………14
3.1晶片設計………………………………………………………14
3.2 輻射熱加熱…………………………………………………18
3.3 降溫…………………………………………………………20
3.4 晶片製作……………………………………………………21
3.4 溫度控制……………………………………………………26
3.4.1 控制系統架構………………………………………26
3.4.2 調光器………………………………………………35
3.5 溫度校正與驗證…………………………………………… 39
3.5.1 溫度量測模組校正…………………………………39
3.5.2 熱電偶量測溫度之驗證……………………………40
3.6 實驗程序……………………………………………………42
3.6.1 準備工作……………………………………………42
3.6.2 晶片密封……………………………………………45
3.6.3 DNA產物取出…………………………………………46
3.6.4 洋菜膠電泳實驗……………………………………46
3.7 晶片溫度量測預先實驗……………………………………49
3.7.1 單一PCR晶片預先實驗……………………………49
3.7.2 雙輸出PCR晶片預先實驗…………………………49
3.7.3 二維PCR晶片預先實驗……………………………50
第四章 結果與討論……………………………………………………51
4.1 PCR晶片實驗…………………………………………………51
4.1.1 單一PCR晶片反應結果……………………………51
4.1.2 單一PCR晶片反應升溫與降溫速率………………52
4.1.3 單一PCR晶片反應恆溫量測………………………54
4.1.4 雙輸出PCR晶片反應結果…………………………56
4.1.4.1 雙輸出PCR晶片溫度差異………………56
4.1.4.2 雙輸出PCR晶片結果……………………58
4.1.5 二維陣列PCR反應探討……………………………59
4.1.5.1 二維陣列PCR之溫度差異………………59
4.1.5.2 二維陣列PCR反應結果…………………61
4.2 DNA反應物蒸發量測…………………………………………62
4.3 討論…………………………………………………………63
第五章 結論與建議……………………………………………………67
5.1 結論…………………………………………………………67
5.2 建議…………………………………………………………68
參考文獻 ………………………………………………………………70




圖目錄 頁數
圖2-1 PCR thermal cycle 圖…………………………………………5
圖3-1 槽狀式PCR晶片…………………………………………………15
圖3-2 槽狀式PCR晶片實體圖…………………………………………15
圖3-3 晶片側面結構圖與尺寸圖……………………………………16
圖3-4 PHILIPS 紅外線燈管/燈具……………………………………18
圖3-5 紅外線燈管光譜圖……………………………………………18
圖3-6 晶片製程流程圖………………………………………………24
圖3-7 系統硬體架構圖………………………………………………26
圖3-8 系統硬體架構實體圖…………………………………………28
圖3-9 並聯式PID控制方塊圖…………………………………………28
圖3-10 PID控制系統方塊圖…………………………………………30
圖3-11 程式主畫面……………………………………………………34
圖3-12 Labview程式設定畫面………………………………………34
圖3-13 SCR控制電路…………………………………………………36
圖3-14 SCR閘極訊號控制圖…………………………………………36
圖3-15 單相全波交流轉換器方塊圖…………………………………38
圖3-16 NI9211a硬體校正示意圖……………………………………39
圖3-17 NI9211a溫度驗證……………………………………………40
圖3-18 熱電偶與水銀溫度計在降溫時的量測結果…………………42
圖3-19 單一PCR晶片反應位置側視圖………………………………43
圖3-20 雙輸出PCR晶片反應位置側視圖……………………………44
圖3-21 黏膠塗佈示意圖………………………………………………46
圖3-22 二維PCR晶片反應位置側視圖………………………………50
圖4-1 單一PCR晶片預先實驗時晶片溫度差異………………………51
圖4-2 單一PCR晶片反應結果…………………………………………52
圖4-3 升溫與降溫……………………………………………………53
圖4-4 10 cycles PCR 溫度循環圖……………………………………54
圖4-5 72℃恆溫穩態誤差0.65℃……………………………………55
圖4-6 94℃恆溫穩態誤差0.4℃………………………………………55
圖4-7 55℃恆溫穩態誤差0.65℃……………………………………55
圖4-8 雙輸出晶片在風扇位置調整前之溫度差異…………………57
圖4-9 鼓風扇位置調整示意圖………………………………………57
圖4-10 雙輸出晶片在風扇位置調整後之溫度差異…………………58
圖4-11 二維與雙輸出PCR反應結果…………………………………59
圖4-12 二維陣列預先實驗溫度差異…………………………………60
圖4-13 二維四輸出PCR系統鼓風扇位置……………………………64
表目錄
頁數
表3-1 PET規格表………………………………………………………17
表3-2 二氧化碳雷射雕刻機規格表…………………………………22
表3-3 Ziegler-Nichols之Kp、Ti、Td建議值………………………32
表3-4 PID參數…………………………………………………………32
表3-5 高溫與低溫時熱電偶溫度驗證………………………………41
表3-6 PCR反應試劑表…………………………………………………43
表4-1 PCR系統比較表…………………………………………………66
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