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研究生： 蘇中源
Sue, Chung-Yang
論文名稱： 微逆轉錄聚合脢鏈反應生物晶片之設計、製作與控制
Design, Fabrication and Control of Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction Micro Bio-chips
指導教授： 蔡南全
Tsai, Nan-Chyuan
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 89
中文關鍵詞： 毛矽電泳 、聚合酶連鎖反應 、微機電技術
外文關鍵詞： polymerase chain reaction, micro-electro-mechanical technology, capillary electrophoresis
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    • 　　近年來由於生化檢測與微機電技術的進步，使得我們可以將許多檢測的元件微小化，使檢測的效率大大的提升。 其中聚合酶連鎖反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR )與逆轉錄聚合酶連鎖反應 (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, RT-PCR )是生物科技界劃時代的重大發現。 本研究利用微逆轉錄-鏈聚合酶反應(Micro-Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, μRT-PCR )系統作為DNA與RNA病毒之檢測。 本研究將樣品模組、RT-PCR模組與毛細電泳模組整合成一自動化系統。 本研究利用8051單晶片作為溫控器，完成了感測器放大電路與加熱器控制電路的設計與測試。 經由模擬分析，此系統相當程度地提升了檢測的靈敏度以及速率，也可觀地減少了所須的樣品數量，並可以克服以往固定式PCR晶片微流道的阻塞問題與產能的提升。

    Abstract
    　Being beneficial from dramatic progress in bio-chemical and micro-electro-mechanical technologies, traditional DNA manipulation devices tend to be miniaturized to speed up detection processing. Polymerase Chain Reaction (PCR) and Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) are two typical examples of them. In this research, micro RT-PCR (μRT-PCR) chips are implemented to quantitatively detect DNA and RNA viruses. Test samples reservoirs, RT-PCR, and capillary electrophoresis are integrated on a SU-8 based monolithic chip. A high-precision temperature control system is well developed by embedding amplification circuits and an Intel 8051 microprocessor. The integrated system exhibits high throughput and adequate sensitivity to detect the infected malignant tissues in quantity by intensive simulations.

    目錄 中文摘要………………………………………………………………………i Abstract.……………………………………………………………...............ii 致謝…………………………………………………………………………..iii 目錄…………………………………………………………………………. .iv 圖目錄………………………………………………………………………. vii 表目錄………………………………………………………………………. xii 第一章 序論……………………………………………………………….....1 1-1 前言…………………………………………………………………….1 1-2 微機電系統與生物晶片……………………………………………….2 1-3 研究動機與目的……………………………………………………….3 1-4 文獻回顧……………………………………………………………….6 第二章 逆轉錄、電泳與製程之基礎……………………………………….10 2-1 核酸的構造與特性…………………………………………………....10 2-1-1 DNA的複製:聚合酶連鎖反應……………………………….......10 2-1-2反轉錄-聚合酶連鎖反應………………………………………….16 2-2 電泳原理與電滲現象………………………………………………...19 2-3 製程技術……………………………………………………………...22 2-3-1 光罩的設計與製作………………………………………………22 2-3-2 晶圓的清潔………………………………………………………23 2-3-3 微影製程…………………………………………………………26 2-3-4 金屬薄膜的沉積…………………………………………………32 2-3-5 薄膜蝕刻與Lift Off製程………………………………………...34 2-3-6 化學氣相沉積……………………………………………………35 第三章 RT-PCR晶片之溫度控制系統……………………………………37 3-1 加熱方式……………………………………………………………...37 3-2 Intel 8051單晶片控制器……………………………………………39 3-2-1 8051程式流程…………………………………………………….41 3-3 加熱器與溫度感知器原理…………………………………………...42 3-3-1 感溫器與加熱器之控制電路……………………………………47 第四章 晶片設計與製作…………………………………………………...53 4-1晶片設計與製作流程………………………………………………….53 4-1-1晶片設計…………………………………………………………..53 4-1-2製程設計與模擬…………………………………………………..56 4-2 製程實做……………………………………………………………...58 4-2-1 第一代晶片製作…………………………………………………58 4-2-2 第二代晶片製作…………………………………………………62 第五章 晶片特性模擬與校正……………………………………………...66 5-1 軟體分體方法與流程………………………………………………...67 5-2 晶片反應區間之熱分析……………………………………………...68 5-2-1晶片溫度分佈分析………………………………………………..68 5-2-2 熱應力分析………………………………………………………71 5-2-3 熱進入長度模擬…………………………………………………72 5-2-4 DNA試劑的溫度傳遞…………………………………………….74 5-3 晶片之流場分析……………………………………………………...76 5-3-1 微流道彎管處之流場……………………………………………76 5-3-2 電泳分離區之流場分析…………………………………………78 5-3-3 儲存槽之流場分析………………………………………………80 5-3-4 全晶片流場分析…………………………………………………81 第六章 結論與未來展望……………………..…………………………… 83 6-1 結論………………………………………………………………… 83 6-2 未來展望…………………………………………………………… 84 參考文獻…………………………………………………………………….85 自述………………………………………………………………………….87 插圖目錄 圖1-1 連續式與固定式反應PCR………………………………………….6 圖2-1 DNA構造與其鍵結………………………………………………..11 圖2-2 DNA擴增示意圖…………………………………………………..14 圖2-3 PCR反應室裡溫度循環…………………………………………...16 圖2-4 RT_PCR擴增示意圖………………………………………………17 圖2-5 電泳分離原理……………………………………………………...19 圖2-6 電滲流現象………………………………………………………...21 圖2-7 不同物質的電滲流速度…………………………………………...21 圖2-8 塑膠光罩的繪製與成品…………………………………………...23 圖2-9 標準RCA清潔步驟………………………………………………..23 圖2-10 清除油脂步驟與參數…………………………………………….24 圖2-11 玻璃清步驟與參數……………………………………………….25 圖2-12 光阻塗佈機制與轉速控制………………..……………………...26 圖2-13 軟烤機制………………………………………………………….28 圖2-14 曝光的三種方式………………………………………………….30 圖2-15 駐波效應對光阻的影..…………………………………………...30 圖2-16 微影製程流程圖………………………………………………….31 圖2-17 物理氣象沉積機制……………………………………………….33 圖2-18 國科會南區微奈米中心的電子束蒸鍍系統…………………….33 圖2-19 Lift Off製程步驟………………………………………………….34 圖2-20 PECVD反應腔室示意圖………………………………………….36 圖3-1 各種常見的加熱方式……………………………………………...38 圖3-2 溫度控制系統方塊圖……………………………………………...38 圖3-3 RT-PCR系統溫度循環…………………………………………….39 圖3-4 8051晶片內部結構………………………………………………...40 圖3-5 8051晶片接腳圖…………………………………………………...40 圖3-6 程式發展流程圖…………………………………………………...42 圖3-7 RT-PCR之加熱器與感知器……………………………………….43 圖3-8 電阻尺寸之設計…………………………………………………...44 圖3-9 感溫器與加熱器TCR曲線………………………………………..45 圖3-10 溫度控制示意圖………………………………………………….47 圖3-11 溫度感知器放大電路…...………………………………………..49 圖3-12 AD620線路與接腳示意圖……………………………………….49 圖3-13 感溫器電阻值變化與輸出電壓之間關係……………………….50 圖3-14 感溫器放大電路實體圖………………………………………….50 圖3-15 加熱器控制電路………………………………………………….51 圖4-1 晶片製作流程……………………………………………………...54 圖4-2 設計之RT-PCR晶片光罩…………………………………………55 圖4-3 Pyrex-Pyrex晶片製程………………………………………………56 圖4-4 微流道製程模擬…………………………………………………...57 圖4-5 加熱器與製程薄膜應力模擬………………………………………58 圖4-6 感知器製程模擬……………………………………………………58 圖4-7 加熱器/感知器實際圖……………………………………………...60 圖4-8 RT-PCR晶片之微管道實際圖……………………………………..61 圖4-9 Pyrex-PMMA晶片製程…………………………………………….63 圖4-10 SU-8 50光阻軟烤最佳溫度曲線…………………………………63 圖4-11 SU-8反應流道與微型儲存槽實圖……………………………….64 圖4-12 SU-8接合示意圖………………………………………………….64 圖4-13 RT-PCR晶片完成實體圖…………………………………………65 圖5-1 IntelliSuite 分析流程………………………………………………68 圖5-2 PCR晶片溫度分佈情形……………………………………………70 圖5-3 晶片垂直面熱應力分佈……………………………………………71 圖5-4 (a) 逆轉錄反應之熱進入長度……………………………………..73 圖5-4 (b) 引子接合反應之熱進入長度…………………………………..73 圖5-4 (c) DNA變性反應之熱進入長度…………………………………..74 圖5-5 試劑溫度傳遞分佈圖………………………………………………75 圖5-6(a) 試劑流過彎管之壓力場分佈情形……………………………...77 圖5-6(b) 試劑流過彎管之流速分佈情形………………………………...78 圖5-7 試劑流過電泳分離區之流場分佈…………………………………79 圖5-8 試劑流過電泳分離區之壓力流場分佈……………………………79 圖5-9 試劑由儲液槽流入與流出之壓力場分佈…………………………80 圖5-10(a) 全晶片流場模擬圖(流速為0.1 )………………………..81 圖5-10(b) 全晶片流場模擬圖(流速為0.01 )……………………..82 表目錄 表1-1 九十一年度台灣地區十大死因前五名…………………………….5 表2-1 PCR擴增之三段溫度區參考值…………………………………...12 表2-2 DNA病毒與RNA病毒症狀比較…………………………………18 表3-1 常見材料之電阻係數與α值……….……………………………46 表4-1 醫用基材比較……………………………………………………...54

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    下載圖示 校內：2006-07-29公開
    校外：2006-07-29公開
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