微流控芯片内温度监测与调控文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

1.前言

本选题涉及用于PCR的薄膜微流控芯片的制备、微流道加热和冷却工艺的设计以及芯片内温度的监测与调控。因此，需要了解PCR的反应进程、微流控PCR装置包括其温控单元的设计与制造方法，查阅了国内外文献共十五篇。

2.PCR的发明与PCR仪器的发展

自从30年前Kary Mullis发明了聚合酶链式反应（PCR）以来，它已经成为了分子生物学一项实用的工具，因为它能对脱氧核糖核酸（DNA）进行指数型扩增。仅需几轮PCR，一个分子就可以产生数百万个DNA副本。一次PCR通常包括三个不同的步骤，变性，退火（复性）和延伸。通过重复这三个温度调节步骤，可以使双链DNA浓度成指数型增长。与传统的检测方法相比，基于微流控平台的检测技术具有节省样本与试剂用量，反应速度更快，高通量，易便携，自动化潜力高等优势。如今，微流控PCR在诊断医学、农业科学和食品科学等领域被广泛应用。

然而目前的PCR仪器多采用传统的热循环方式，这种方式升降温变化速率较慢，导致反应时间长，30 个循环通常约50 min 以上; 反应体系试剂耗量大，试剂成本较高。1998 年，Burns 等人提出的将多种生物、化学分析功能整合在一张微小芯片上的“芯片实验室”（LOC）的概念，展示了微流控技术应用于临床检测、精准医疗的美好前景。近年来，开发“芯片实验室”，又称“微型全分析系统”，已经发展为一个物理、微电子、材料、化学、生物、医学等多学科交叉的新型研究领域。

3.薄膜微流控芯片的设计与制造

基于液体移动路径，微流控技术大致可分为通道微流控（channel⁃based microfluidics）和基于开放平台的微流控技术（open platform microfluidics）。通道微流控通过在玻璃、硅片、高分子聚合物如聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，PD⁃MS）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacry⁃late，PMMA）等材料上构建微流通道，利用阀门、泵等部件控制液体流速。PDMS材料的微流控芯片相较于硅、玻璃和石英材料的微流控芯片，具有化学惰性好、生物兼容性佳、光学性能优、成型与键合容易的特点。但是传统的热压法、模塑法、注塑成型法、激光烧蚀法等制作PDMS微流控芯片的方法，耗时长、设备贵、无法实现复杂结构的个性化加工制造。纸质微流控属于基于开放平台的微流控技术，其原理是通过在纸基质上构建亲水通道来驱动液滴被动移动。由于纸基质成本与其它基质相比大为降低，纸质微流控技术也吸引了众多研究者的目光。

尽管微流控可以大幅度降低试样和试剂的消耗，但因其昂贵的制作成本和复杂的制作工艺使这项技术并不能很好地应用在临床实际检测中，同时传统的微流控芯片加工方法往往技术要求高，工艺复杂，几乎无法实现复杂三维通道的加工；基底材质受限过大，对于操作人员的技术要求较高，大大限制了微流控芯片的进一步发展。