基于數字流控(DMF)的聚合酶鏈式反應 (PCR)微芯片系統設計 ，主要在于對樣品液滴的運動進行控制和對進行PCR所需要的溫度控制 。設計了一種基于介電潤濕 (Ew0D)原理的數字微流控PCR微芯片，并實現了對芯片不同區域的溫度控制以滿足PCR所需的要 求。基于數字微流控技術的PCR微芯片系統由一個雙基板結構的數字微流控芯片 ，芯片的驅電路以及溫度控 制組件構成 。實現驅動樣 品液滴在該裝置上運動至不同溫度的反應區域 ，在不同的反應區域滿足的PCR反應所需的變性 ，退火和延伸 各階段所需 的溫度 ，繼而實現PCR擴增 。
隨著微機電系統 (MEMS)技術的發展 ，數字微流控芯片已經在微液滴 的驅動和控制技術等方面有所突破 ，依靠其自身優勢在生物 、化學和醫藥等領域得到了廣泛的應用 。各種細胞等樣品可以在數字微流控芯片中培養 、移動和分析。從各個領域的廣泛應用可以看出 ，數字微流控芯片有著體積小 、試劑使用量小、反應快 、易攜帶 、可并行處理和易實現自動 化等優勢口，并且已經開始商業化 。
1，常見的PCR微流控芯片
常見的PCR微流控芯片主要有兩種：微反應腔式PCR芯片和連續流動式 PCR 芯片 。微反應腔式PCR芯片是指在芯片上加一個腔體用來儲存實驗試劑 ，通過加熱器件和降溫器件對腔體加熱和降溫來達到PCR擴增各階段所需要的溫度 ，經過一次溫度循環完成一次擴增過程，但由于升降溫的速率由加熱器件和降溫器件控制 ，且溫度的升高和降低都有一個時間過程 ，每個增值循環的時間都比較長。連續流動式PCR芯片通過控制試劑在芯片內的通道上連續流動 ，經過3個不同的溫度區域 ，在3個區域分別實現DNA變性 、退火和延伸 。實驗試劑每在3個區域經歷一個循 環 ，就完成了一次DNA 擴增的過程 ，但是因為實驗樣品在芯片內是不 停流動的，所以反應時間等變量的控制主要通過設計芯片上微通道的結
構來實現 ，通常結構相對更復雜也需要比較大的空間 。為了解決上述兩種PCR 芯片的缺點，本文采用了基于介電潤濕的數字微 流控技術設計了一種PCR微芯片 。
在芯片上控制3個不同的區域穩定在PCR反應3個階段所需要的溫度 。控 制反應試劑液滴流經 3個溫度區域 ，每循環一次 ，便完成一次 DNA 的增值 。但同時由數字微流控技術的原理和特點町知。數字微流控在芯 片上是以液滴為單位對每個單獨的液滴進行控制 。實驗試劑在每個區域 行進和停留的時間都可以根據需要自己設定 ，所以芯片并不需要設計 很長的通道 ，僅需要使試剎液滴停留在反映區域一段時間即可。可以在 芯片的設計上實現微反心腔式PCR芯片結構簡單小巧的特點。同時僅需控制試驗液滴運動至不同的溫度區域即可完成對應的反應過程 ，系統不需要對芯片上 的反應區域有升溫或者降溫的操作 ，僅需要保持3個反應區域的溫度穩定 ，兼具連續流動式PCR芯片循環速度快不需要升降溫過程的優點。
2， 系統設計與制備
本文設計的基于介電潤濕技術的數字微流控PCR微芯片系統由數字微流 控芯片 ，數字微流控芯片驅動電路和溫度控制系統3部分組成，其中數字微流控芯片和數字微流控芯片驅動電路實現試劑樣本液滴的驅動 ，溫度控制系統則保證芯片上不同反應域的所需溫度的實現和穩定。
2.1 數字微流控芯片設計與制備
利用微機械加工工藝。設計制備了應用于PCR 的數字微流控器件。器件 由試劑儲藏區域 、反應區域 、檢測區域 、連接各區域的傳輸部分以 及 電極和電極接線組成 。為保證實驗試劑不受到外界的污染以及液滴運動的穩定可靠 。本文設計 的數字微流控 PCR微芯片采用雙基板結構。
上基版采用玻璃作為基底材料 ，在玻璃基板表面通過真空蒸發沉積的 方法制備薄膜作為導電層 ，之后通過旋涂 ，烘烤制備一層Teflon涂層 作為疏水層 ，制作工藝與下基板疏水層制作二藝相同。兩基板問采用 PDMS加工出電極上方液滴運動所需的空隙 ，與上下基板建合形成液 滴運動的通道 。
2.2 數字微流控芯片控制驅動電路設計
數字微流控芯片驅動液滴需要控制驅動電路 。該電路可以按照一定順 序使 一定幅值的電壓按所需要的通斷順序和頻率施加在數字微流控芯 片的電檄上 ，進而使芯片上的液滴按照所需的速度方向運動 ”。
2.3 溫度控制系統設計與實現
在PCR微芯片中 。通過數字微流控系統驅動樣品液滴運動至3個不同的反應溫溫度區域，在不同的區域實現變性，退火和延伸反應，完成擴增在數字微流控PCR微芯片中。不同反應域的溫度保持不變，試劑在芯片中由配發區域產生試劑液滴。液滴循環的經過3個不同的區域。每經過 一次循環實現一次擴增過程 。
溫度控制系統由加熱部件 ，溫度采集和溫度控制器3部分組成 。加熱 部件是整個溫度控制器的重要組成部分。由于雙基板結構數字微流控卷片的內部為液滴的通道 。所以加熱部件只能沒置在上板上方或下基板 的下方 。由于芯片上部設 計為透明的基板以便對芯片內部液滴運動情況的觀察 ，而若選擇 將加熱器放置在卜部 ，則會對觀察造成遮擋 ，不 便在實驗中實時的觀察芯片內部的運行情況。本實驗設計的方案選擇將 加熱器部件放置在芯片下基板的下方部位 。
本系統采用電阻值R一10Q陶瓷加熱片作為加熱系統的熱源，在加壓U一 10V的時候最大干燒溫度可以達到210℃。具有體積小、重齬輕、熱響 應時間快的優點，完全可以滿足系統的需要。溫度采集部分采用PT00鉑
電阻作為溫度采集傳感器。鉑電阻具有體積小巧，精度高的優點 ，可以滿足系統高精度的測溫需求一。溫度控制器采用OMRC)NE5CN—R2MTD型溫控器 ，具有采樣速度快。精度高的優點，并可以自行輸入 PID參數對溫度進行控制進而實現溫度控制的穩定可靠。
3，實驗結果與討論
3.1 溫度控制系統
由于加熱片及溫度采集都裝置在數字微流控芯片的下基板外側。所以實驗中溫度控制器設定的溫度應稍高于PCR反應各個階段所需的溫度，但在系統穩定后，反應區域內部和控制器設定溫度的羞值基本周定，所以 通過設置 ，仍可以使數字微流控芯片反應的各個區域溫度穩定在所需 要的數值。住窄溫下(3O℃)使用測溫儀對反應區域進行檢測得到本數字微流控 PCR 片各個區域的溫度控制曲線 。
3.2 數字微流控PCR微芯片
本文方案制得的數字微流控PCR徽芯片通過介電潤濕技術控制可以樣品液滴在芯片中的運動，實現液滴分配，移動等操作。
由于數字微流控技術可以精確的產生許控制每個液滴的特點，在實驗 中，實驗試劑在儲藏區域經由液滴分配的過程生成試劑液滴。每個液滴都可以視為PCR微芯片中的1個擴增反應的微反應竄，試樣通過芯片的 控制運動經過3個反應區域 。每經歷1個溫度循環，就完成 1次擴增過 程。這種基于數字微流控技術的PCR微芯片大大降低了PCR微芯片的復雜度的操作難度。試樣液滴在反應區域經過多次循環后，完成樣品 DNA的擴增。之后將試樣液滴移動至檢測區域進行檢測 。
基于數字微流控技術的PCR微芯片，應用介電潤濕原理通過 對微液滴狀的樣品在芯片上的運動進行控制。可以有效的減少所需的樣 品量。通過對芯片中幾個反應區域的溫度控制，實現樣品在芯片中的聚 合酶鏈式反應。有效的簡化了 PCR微芯片結構，具有結構簡單小巧的特 點，控制方式穩定可靠，系統不需要對芯片上的反應區域有升溫或者降溫的操作，僅需要保持3個反應區域的溫度穩定，PCR 每個溫度循環所 需時大大減小。
儀需控制試驗液滴運動至不同的溫度域即叮完成對應的反應過程 。在后 續的實驗中可以增加對芯片的實時熒光檢測功能，熒光檢測中可實時對芯片中樣品液滴中的DNA擴增進行槍測 ，可有效的提高檢測效率并增 加檢測結果的精確性 。