發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 04:32

　　 對載人航天來說,航天員在空間站長期健康生活是空間站工作順利完成的保障。由于空間站在軌運(yùn)行時(shí)長期處在密封的條件下,微生物對航天員身體的危害和對設(shè)備的損壞不容忽視。本文介紹了面向空間的生物危害報(bào)警器相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和面臨的問題,針對性設(shè)計(jì)了一套面向空間應(yīng)用的陣列式單通道熒光PCR檢測系統(tǒng),主要內(nèi)容包括:電磁驅(qū)動(dòng)試劑的設(shè)計(jì)理論研究,單通道式電磁驅(qū)動(dòng)PCR擴(kuò)增系統(tǒng)的搭建,系統(tǒng)溫度的理論分析,控溫裝置的搭建,原位成形光學(xué)微透鏡的制作及對熒光檢測結(jié)果的改善,基于納米銀顆粒的熒光檢測結(jié)果的改善等。本文主要的研究工作和取得的成果如下:1、研究了陣列式單通道PCR熒光檢測系統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)理。設(shè)計(jì)了外置式電磁驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置式電磁驅(qū)動(dòng)兩類PCR微通道擴(kuò)增系統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)裝置,研究了通電線圈產(chǎn)生磁場的規(guī)律,計(jì)算了試劑模塊在線圈內(nèi)外的受力情況,為后續(xù)搭建用于空間條件下的PCR擴(kuò)增工作和微型結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)熒光PCR檢測系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。2、對陣列式單通道PCR熒光檢測系統(tǒng)的溫度場分布進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析,研究了系統(tǒng)加熱模塊的升溫速率,不同對流情況下穩(wěn)態(tài)溫度的分布,針對電磁推動(dòng)的特點(diǎn)分析了試劑模塊在管道尾部的降溫情況,為裝置搭建提供技術(shù)基礎(chǔ)。3、為了改善熒光檢測部分的檢測結(jié)果,設(shè)計(jì)一種原位成形微透鏡,研究橢球面,拋物面,雙曲面三種面形微透鏡聚光性能的對比,此外研究了利用銀納米粒子的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)改善熒光檢測結(jié)果的方法。4、在溫控模擬分析和電磁模塊理論計(jì)算的基礎(chǔ)上搭建了一套陣列式單通道熒光PCR擴(kuò)增系統(tǒng),利用PID算法控制三個(gè)溫區(qū)的溫度,并利用臨界比例度法對溫控PID算法進(jìn)行了優(yōu)化。詳細(xì)研究了內(nèi)置式電磁驅(qū)動(dòng)原理,對驅(qū)動(dòng)過程進(jìn)行了分解,計(jì)算了磁感強(qiáng)度變化與位置關(guān)系,對磁感強(qiáng)度梯度變化與位置關(guān)系,磁力驅(qū)動(dòng)下試劑模塊的運(yùn)動(dòng)軌跡與復(fù)位情況進(jìn)行了討論,實(shí)驗(yàn)得到的電流與驅(qū)動(dòng)時(shí)間關(guān)系與模擬計(jì)算的變化規(guī)律是一致的。根據(jù)加熱源的功率密度對整個(gè)系統(tǒng)升溫情況進(jìn)行了模擬,17s左右試劑模塊即可達(dá)到設(shè)定溫度,在設(shè)定溫度時(shí)應(yīng)提升溫度設(shè)定來使得試劑模塊達(dá)到預(yù)定溫度,其中94℃溫區(qū)應(yīng)設(shè)定為109℃,72℃溫區(qū)設(shè)定為84℃,56℃溫區(qū)設(shè)定為64℃。在試劑模塊從94℃溫區(qū)到達(dá)56℃溫區(qū)外進(jìn)行流冷卻時(shí),在對流系數(shù)為20W/(m~2·K)時(shí)9s即可降到56℃。對原位成形微透鏡膠滴鋪展過程中的線型變化規(guī)律進(jìn)行了研究,對比了三種非球面-橢球面,拋物面,雙曲面的非球面特性,制作三種面型原位成形光學(xué)微透鏡,進(jìn)行聚光性能測量,對本裝置來說拋物面形狀的微透鏡聚光性能最佳,與計(jì)算結(jié)果一致。研究了生物PCR試劑檢測時(shí)熒光素SYBR Green I的光譜放大技術(shù),制作了銀納米粒子用于改善熒光信號(hào),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面熒光信號(hào)在添加銀納米粒子之后增強(qiáng)了一倍。在前面研究基礎(chǔ)上制作了陣列式單通道PCR熒光擴(kuò)增裝置,主要包括溫控模塊,電磁驅(qū)動(dòng)模塊等,對電控主要模塊進(jìn)行了介紹,通過PID算法優(yōu)化溫控過程,94℃溫區(qū)精度為±0.1℃,72℃為±0.8℃,56℃為±0.3℃。制作了數(shù)字恒流源給驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行供電,對電源進(jìn)行了測試,電路功耗約為3.226W,DC-DC變換器的效率約為94.75%。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V443
【部分圖文】：

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文熱方式熱元件是一種柔性金屬電加熱薄膜，較薄的膜狀加熱元件多金屬氧化物片膜如 ITO，它廣泛被用于微流控 PCR 的溫控裝更為常用，它升溫速率可達(dá) 10～20℃/s，所占空間小、熱慣性快、控制精度高等優(yōu)勢[30-36]。后者雖然升溫速率不及前者，但薄膜厚度在納米數(shù)量級(jí)時(shí)，它和大多襯底有良好的粘附性和測。下圖是 JingDai 等人[37]采用 ITO 對連續(xù)流體芯片加熱的示左右后溫度上升到設(shè)定值并穩(wěn)定。其他的薄膜加熱材料如聚可以應(yīng)用在 PCR 溫控中。

圖 1-4 圓環(huán)形感應(yīng)加熱裝置示意圖ure 1-4 Schematic diagram of circular induction heating device熱方式指通過物質(zhì)間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來加熱的一種方置結(jié)構(gòu)，利于體積縮小，但是缺點(diǎn)是加熱速率慢，效較大。加熱方式電阻元件時(shí)由于一部分能量要被電阻消耗掉并以熱量可以用來加熱，由于薄膜電阻體積小，常被用來加直接將薄膜電阻集成在加熱區(qū)域。ShenKY 等利用薄，溫度上升速率為 8℃/s[44]。

報(bào)道了一種微流體驅(qū)動(dòng)方法，驅(qū)動(dòng)力由施加到共面指狀微電極陣列的交流電位產(chǎn)生。采用兩種類型的微電極結(jié)構(gòu)：一種不對稱的電極陣列通過一個(gè)單獨(dú)的電源如圖1-6a；電極寬度相等和間隙，并用4相交流信號(hào)通電如圖1-6b所示。在這兩種微觀結(jié)構(gòu)中，都觀察到兩種流體流動(dòng)狀態(tài)：在小的電壓振幅下流體沿特定方向移動(dòng)，在較高的電壓振幅下，流體流動(dòng)反向。流體流動(dòng)在兩個(gè)流動(dòng)狀態(tài)中的電極水平上被驅(qū)動(dòng)。圖 1-6 交流電極驅(qū)動(dòng)裝置示意圖Figure 1-6 schematic diagram of Ac electrode driver張善亮等[51]做了關(guān)于微流道交流電水力泵的相關(guān)模擬分析以及進(jìn)一步的驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化，其中針對是一種微流道的尺寸為長：5mm、寬：0.4mm，厚：0.4mm的電力水泵進(jìn)行了模擬及其優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)電極的間距為0.02mm,寬度為0.01mm。Bart等[52]提出電極陣列以電勢行波激發(fā)，達(dá)到微米尺度系統(tǒng)中的微型電流體泵
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2883079