（生物物理学专业论文）生物芯片实验室的磁控和温控系统的研究.pdf

摘要 伴随着生物学、分析化学、电子学、计算机技术的快速发展，新一代分析技 术向着更加微型化、集成化、自动化、便携化的方向发展。微全分析系统正是以 微型化、集成化、自动化为核心，以生化分析过程的片上集成为目标，将生物和 化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米大小的芯片上。 微流控芯片实验室作为一种新的高度微型化的生化分析平台，通过微细加工 技术在微流控芯片上构建各种微功能单元，组成微流路系统。通过在芯片上进行 一种或连续多种的反应，实现样品高通量、高效率、低消耗、低污染的分析检测。 微流控芯片实验室已被广泛的应用在生命科学、医药、化学和制药领域中。 本论文基于对磁珠微流控分析系统的研究，课题内容包括微流控芯片的设计 加工，微流体的驱动与控制，通过对纳米磁珠操控方法的选择，实现了纳米磁珠 的片上操纵，并搭建了微流控芯片温度控制系统。 本课题的主要工作包括： 1 、总结了磁珠技术及其在微流控芯片技术中的应用。概括了目前磁珠微流控 系统的研究进展，提出本论文的研究方案和思路。 2 、利用纳米超顺磁珠作为抗体、抗原的固相载体。本课题分别采用了永磁、软 磁、电磁三种方法对纳米磁珠进行操纵，通过在微流控芯片中构建磁场来实现纳 米超顺磁珠的片上移动、定位、分离和富集等操纵。磁场通过对磁珠的操纵实现 对片上反应的控制，纳米磁珠粒径分别为15 n m ，3 0 0 n ma n d2 8 1 t m 。 3 、采用热电半导体和薄膜温度传感器搭建了芯片温控系统，实现了芯片内的等 温控制和p c r 温度循环控制，搭建的芯片温控系统能够进行片内实时精确控温。 4 、利用搭建的系统，成功进行了片上免疫分析实验。对该系统进行了功能性和 应用性的验证。 整个系统将芯片设计加工、纳米磁珠操纵平台、芯片温度控制和微流体驱动 与控制技术相结合，系统具有敏感性高、所需样品量少、操作简单等优点，磁珠 微流控技术是生物医学工程中具有很好应用前景的新技术。本课题为用于病毒检 测的芯片实验室系统的集成和实现奠定了理论和技术的基础。 关键词芯片实验室：微流控；纳米磁珠；温控 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb i o l o g y ，a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，s t u d i e so nm i c r o f l u i d i ca n a l y s i ss y s t e m s h a v eu n d e r g o n ear a p i d d e v e l o p m e n td u et o i t sa d v a n t a g e so fs h o r ta n a l y s i st i m e ，l o wc o n s u m p t i o n m i l l i a t u r i z a t i o n ， a u t o m a t i o na n di n t e g r a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，l a b o nac h i p t e c h n o l o g yi s c e n t e r e do nm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n da u t o m a t i o n i ta i m sa t o n 。c h i pi n t e g r a t i o no fb i o l o g i c a l a n dc h e m i c a lp r o c e s s e sa n dm e e tt h en e e d so f a n a l y s i ss y s t e m s m i c r o f u i d i cc h i p s ，an o v e lm i n i a t u r i z e da n a l y t i cp l a t f o r m ，u s em i c r o m a c h i n i n g t e c h n 0 1 0 9 yt oc o n s t r u c tl i q u i dc i r c u i ts y s t e mc o m p o s e d o fv a r i o u sm i n if u n c t i o n a l c o m p o n e n t s o n eo rs e r i e sa n a l y z ec a n b ed o n eo nac h i p m i c r o f l u i d i ch a sb e e n 谢d e l vu s e di nl i f es c i e n c e s ，m e d i c i n e ，c h e m i s t r ya n dp h a r m a c y ，e gm i c r o f l u i d i cc h i p s h o wg r e a ta d v a n t a g e si ni m m u n o a s s a y i i l 也er e s e a r c h0 nm b b a s e db i o m i c r o s y s t e m ，r e s e a r c hw o r ku n f o l d sf r o mt h e d e s i 阻a n df a b r i c a t i o no ft h em i c r o f l u i d i cc h i p ，t h eo n c h i pm a n i p u l a t i o no fm a g n e t i c n a n o p a r t i c l e s ，t e m p e r a t u r e c o n t r o lo ft h ec h i pa sw e l la sm i c r o f l u i d i cd r i v i n ga n d c o n t r o lw a sa c h i e v e d 1 、m bt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g a r er e v i e w e d r e s e ：a r c hs c h e m ei se l i c i t e do nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o na b o u ta c h i e v e m e n t s c o n c e r n i n gm b - b a s e db i o m i c r o s y s t e m 2 、i no u rr e s e a r c h ，w eu s es u p e rp a r a m a g n e t i cm i c r o b e a d sa ss o l i dc a r r i e ro fa n t i b o d y o ra n t i g e na n di m m u n er e a c t i o ni sp r o c e s s e do i li t ss u r f a c e t h em a g n e t i cb e a d si s l o c a t e d ，m o v e da n dr e l e a s e di nm i c r o f l u i d i cc h i pt h r o u g hm a g n e t i cf i e l d w eu s e dp e r m a n e n tm a g n e t s ，s o f tm a g n e t i cc o i l sa sw e l la se l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c o n t r o lm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e st h a ta r e15 n m ，3 0 0 n ma n d2 8 1 m ai nd i a m e t e r 3 、i s o t h e m a lc o n t r o la sw e l la sp c rt h e r m a lc y c l i n gi nc h i ph a v eb e e nr e a l i z e d a c c u r a t ed e t e c t i o no ft h et e m p e r a t u r ew i t h i nt h ec h i ph a s b e e na r m n e d 4 、o n c h i pe x p e r i m e n t s o n c h i po p e r a t i o n o fm a g n e t i cb e a d sh a sb e e nt e s t i f i e d s u c c e s s f u l l y t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h ea b o v em e n t i o n e dd r i v i n gt e c h n i q u e s w i t ht h e m i c r o f l u i d i cc h i p ，a n dw i t ht h ea d d i t i o no ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h eo n c h i p m a n i p u l a t i o no fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sp l a t f o r m ，t h ep r o m i s eo ft h el a b o nac h i p c o u l db er e a l i z e d t h i ss y s t e mh a sh i 曲e f f i c i e n c ya n dc a nr e d u c er e a g e n tc o n s u m e 。 k e yw o r d sl a b o n a c h i p ：m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ；m i c r o f l u i d i c ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至毽日期：塑里：互：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名壤 导师签名：日期： 1 1 概述 第1 章绪论 微型化、集成化、便携化是当前科学技术发展的一种趋势。2 0 世纪9 0 年代 初，瑞士的m a n z 和w i d m e r 等人首次提出了微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m s ，u 1 a s ) 的概念，其目的是将所有的生化分析过程集成在一张芯片上，微 流控芯片实验室的概念是对于微全分析系统概念的延伸和扩展。 微流控芯片实验室是将微电子机械系统技术( m e m s ) 和分析化学检测技术 相结合，在微米尺度的空间中对流体进行操控的技术。其具有将生物和化学实验 室的基本功能微缩到一个几平方厘米大小的芯片上的能力，它的基本特征和最大 优势是多种单元技术在微小可控平台上的灵活组合和规模集成，这可能会对人 类未来的生活方式和生存质量产生深远的影响n 1 。其最终发展的方向是实现分析 实验室的个人化、家庭化、便携化。微流控芯片实验室已经成为国内外生物化学、 分析化学、分子毒理学、环境医学和预防医学等领域的研究方向。 磁珠技术是生物分析学和磁珠载体技术结合而发展起来的一项技术馏1 。磁珠 是包被着特异性生物分子的磁性微珠，可以作为生物分子的载体，与其结合形成 新的复合物，利用外加磁场的驱动，人们可以操作生物分子在微流控芯片内完成 各类生物化学反应。 随着微流控芯片技术的不断发展，同时顺应生物医学工程领域的发展，国内 外出现了将微流控芯片技术与磁珠检测技术相结合的基于磁珠操纵的微流控分 析芯片。将微流控芯片的集成化、微型化与磁珠检测技术的高效性、快速化相结 合，其日渐成为微流控芯片发展中的研究热点。 1 2 微流控芯片概述 1 2 1 微流控芯片的简介 2 0 世纪9 0 年代瑞士科学家m a n z 和w i d m e r 教授提出了以微机电加工技术 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 为基础的微型全分析系统 ( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，u t a s ) 的概念，是微流控芯片研究的开始。 微全分析系统是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实 验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上，从而可以 3 利用更低的消耗、更简便的方法和设备、更快的速度提供更准确的有关物质成分 与结构的信息h l 】h 羽。 当前u t a s 发展的方向和最活跃的领域是微流控芯片技术，因为其最能够体 现分析实验室将功能转移到芯片上的思想，微流控芯片的发展将对u t a s 的实现 起到关键的作用。 微流控芯片是通过微细加工技术在芯片上构建储液池、微反应室、微管道等 微功能单元，由各个功能单元构成微流路系统。加载生物样品和反应液后，在泵 或者物理场的作用下形成微流路。微流控芯片能够实现片上一种或连续多种的反 应，达到对样品高通量快速分析的目的。其具有具有规模的集成性和高度的微型 化，可在张芯片上同时完成采样、稀释、加样、反应、分离、检测等多种功能。 微流控芯片技术建立以后，经过多年的发展，现已成为当前世界上最前沿的 科技领域之一。目前，微流控芯片已广泛用于细胞生物学研究、基因分析、蛋白 组分析、医学诊断、化学药物合成与筛选、环境监测等多个领域。 ? 芯片实验室概念是微全分析系统概念的延伸和扩展。芯片实验室是生物芯片 技术发展的最高阶段。以微流控芯片技术为核心的芯片实验室技术正在对生命科 学、化学和分子科学等产生巨大冲击。 传统的生化分析包括对被测样品进行纯化、提取、分离、反应等多个步骤， 生化分析需要仪器种类多，操纵步骤复杂，反应时间长，同时需要使用大量的生 物样品、试剂，消耗了大量的人力和物力。芯片实验室是一种高度集成化的芯片， 是集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携式生物分析系统。将原 来需要在实验室内完成的实验步骤，微缩在芯片上完成。能够消耗微量的试剂， 短时间，高效率，高通量的完成传统方法中复杂的反应过程。使生物学分析过程 全自动化、分析速度成倍的提高，所需样品及化学试剂则成倍的减少 1 2 2 微流控芯片的特点 ( 1 ) 集成化 相对于传统的分析平台技术，微流控芯片的最大优势在于功能集成，而这种 集成又以微尺寸的单元操作技术为基础。微流控芯片可以将多个功能单元集成在 一张微尺寸的芯片上，微流控芯片的微小尺寸使反应试剂的消耗大大减小，同时 降低了成本，因此可以制成高度集成的的便携式仪器，用于各类样品的分析。 由于微流控芯片能够灵活的进行设计，从而实现了多种操作单元的灵活组合 和规模集成，使得微流控芯片具有高通量、低消耗和全自动等多方面的优势。 ( 2 ) 微型化 4 微流控芯片系统中芯片尺寸一般为数平方厘米。随着各个功能单元技术的发 展，流体驱动单元、检测单元等都逐渐实现了微型化。 芯片检测系统的体积相对较大，为了实现芯片整体的微型化、便携化，检测 系统首先要实现微型化。随着小尺寸半导体激光器、短波长二极管激光器的相继 出现，发光二极管的发光强度不断增加，光电倍增管体积的不断缩小都为检测系 统的微型化提供了条件。通过在芯片上集成电极，各种电化学检测芯片也相继问 世。 ( 3 ) 高效率 微流控分析系统具有极高的效率，许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内 自动完成测定、分离等复杂的操作。其高分析或处理速度既来源于微米级通道中 的高导热和传质速率，也直接来源于结构尺寸的缩小。 ( 4 ) 低消耗 微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着技术水平的提 高，还有可能进一步减少。这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少 了环境的污染。 ( 5 ) 高通量 微流控芯片平台集成多个独立的通道，具有平行处理分析多个样品的能力。 微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元在微小平台上的灵活组合 和大规模集成，高通量是大规模集成的一种形式。 1 2 3 微流控芯片的应用领域 微流控分析系统具有微型化和集成化的优点，随着对其应用研究的不断深 入，其应用范围从药物分析与筛选拓展到疾病检测等方面，利用其高通量的优点， 微流控芯片已经应用到了基因的诊断中。从科研实验室进入到医疗医药行业，微 流控芯片的应用前景十分广阔。 ( 1 ) 生命科学 基因结构与功能研究是微流控芯片应用最广阔的领域之一。人类基因组计划 随着人类基因组计划的初步完成进入后基因测序时代，而d n a 的分析技术要求， 需要高通量的筛选技术，和高速的基因多态分析技术，用于分析单个基因组中几 百万到一千万个位置上的单核苷酸多态。由于微流控芯片强大的大规模并行处理 能力，使其在人类基因组计划的进一步研究及后基因时代发挥核心作用而成为该 时代的支撑性技术。 ( 2 ) 基因诊断 微流控芯片在基因诊断方面的应用范围已经由简单核苷酸序列的分离分析 与 过渡到复杂的遗传学分析和基因诊断等方面。基因诊断不仅可以明确指出个体是 否患病以及存在基因缺陷，还可以对某些疾病的个体易感性做出判断和预测，其 直接应用主要包括三方面：肿瘤相关基因研究、遗传病基因变异分析和感染性疾 病的病原诊断。基于微流控芯片的基因诊断主要通过基因突变检测、基因分型和 病原体基因检测等几个途径来实现上述目的。 ( 3 ) 临床医学 在一张芯片上，微流控芯片可以同时对多个病人进行多种疾病的并行检测， 能实现早期诊断。微流控芯片还能检测病原微生物种类，甚至微生物的亚型等， 而且待测试样用量少，灵敏度和可靠性高，检测成本低。这些特点使得医务人员 能够在短时间内掌握大量的疾病诊断信息，从而找到正确而有效的医疗措施。 ( 4 ) 化学合成和新药筛选 微流控芯片高通量、大规模、平行性等特点，可以用于大规模比较各种合成 发应，筛选催化剂和药物有效成分，加快新化合物和药物研究开发进程。 ( 5 ) 其他领域 微流控芯片还可以广泛应用在农作物优育与优选、军事和刑事科学领域、检 疫、食品、卫生、环境等监控领域。 1 3 磁珠的原理及应用 1 3 1 磁珠简介 磁珠是由磁性微粒与各种含活性功能基团的材料复合而成的具有一定磁性 及特殊表面结构的粒子。超顺磁珠在磁场中表现为具有超顺磁性和高分子微球的 特性。 首先磁珠具有高分子微球的特征，可以通过聚合、表面修饰等方式，在其表 面引入氨基、羧基、琉基等各种不同性质的官能团，可以和蛋白质、核酸、酶等 生化试剂发生偶联，这种交联对抗体、酶等物质的性质影响非常少。如图1 - i 所 示，通过这种方法可以方便的在磁珠表面包被抗原、抗体、核酸等样品进行反应 6 a m s s s o n a o i | 。od t 赣穆 热勰黜嚣嬲 图卜l 表面功能化的磁珠可以广泛应用在生化反应中“1 f i g u r e l - ls u r f a c e f o n c t l o n a j i z e dp a r t i c l e sc a nb cu s e d f o ra w i d ev a r i e t yo f b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s ” 其次超顺磁珠的球体表面积远远大于同样半径的平面面积，因而大大增加了 生化反应的有效面积，而且随着参加反应的磁珠数目的增加，反应的总有效面积 也会随之增加。 利用磁珠具有的顺磁性，可以方便的使用磁场控制磁珠在芯片内进行所有运 动，实现磁珠在芯片内的分离、富集、移动和原地定位等。 l3 1 1 磁珠的结构 根据磁珠与提供活性功能基团的材料形成的方式不同，可将其分为四种不同 的结构类型。，如图1 - 2 所示。 ( 1 ) 核一壳型磁性材料为核，高分子材料组成壳层。 ( 2 ) 壳一核型，高分子材料为核，磁性材料组成壳层。 ( 3 ) 壳一核一壳结构，外层和内层为高分子材料，中间为磁性材料。 ( 4 ) 多层型 o = 二= l 、h i “1 d 图卜2 不同类型的磁珠结构 f i g u r e i - 2 d i f f e r e n ts t r u c t u r e so f m a g n e t i cb e a d s 其中核一壳式的磁珠结构最为常见即核心为顺磁性粒子，核心外层包裹高 分子材料。这类磁珠的核由金属氧化物( 如铁钴镍的氧化物) 组成，壳由高分子材料 组成，包被的高分子材料种类可根据应用不同选择i ”。 1 3 1 2 磁珠的制备 磁性材料是制成磁珠的关键材料，最常用的磁性材料为f e 、c o 和n i 等过 渡金属特定晶型的氧化物，混合氧化物及其水化物。目前应用最多、最广的是铁 及其氧化物，例如f e 、f e 2 0 3 和f e 3 0 4 等。 在磁性材料的周围形成高分子壳层的方法主要有包埋法和单体聚合法二种。 第一种方法是利用高分子直接包埋磁粒子，天然高分子磁珠均采用此法制备。第 二种方法是在磁流体存在下，利用单体聚合形成高分子壳层。 1 3 2 磁珠技术的原理及特点 1 3 2 1 磁珠技术的原理 常规的磁珠应用于生物样品的方式是将磁珠经过一定处理后，将抗体结合到 磁珠上，磁珠抗体与特异性抗原结合形成“抗原一抗体一微球”复合物，在磁力 作用下，该复合物发生力学移动，从而达到分离抗原的目的强3 。 磁珠分离的作用方式主要有两种，直接法和间接法。直接法是指先用抗体包 被磁珠，之后与抗原结合形成复合物，在磁场作用下复合物与其它物质分离。间 接法是指先用第二抗体包被磁珠，使磁珠成为第二抗体的载体，提前将抗原与第 一抗体结合后，再加入已经包被第二抗体的磁珠，磁珠上的第二抗体便与第一抗 体结合，形成磁珠一第二抗体一第一抗体一抗原复合物，在磁场作用下，复合物与 其他物质分离。 磁珠的功能基团主要可以与蛋白物质结合，但是基于亲和素一生物素系统的 应用，磁珠还可以与非蛋白物质结合，比如d n a 、r n a 分子等，这使得磁珠技 术拥有更广泛的发展空间。 1 3 2 2 磁珠技术的特点 ( 1 ) 纳米级别，操纵简便 磁珠的磁性内核一般都是纳米尺寸，当磁珠达到纳米量级时，磁畴在常温下 也会发生重新排列，其矫磁力变为零，此时磁性材料会转变为顺磁性，甚至处于 超顺磁状态。使用超顺磁珠进行实验时，可以利用磁场方便的对其进行操纵。 当加入# l - j n 磁场时，磁珠会被磁化并随磁场方向移动。当撤去多 1 e 型缠线软磁 环形软磁线圈 ( 3 ) 电磁：利用独立通电导线和正交的通电导线，都无法产生驱动磁珠的磁 场强度。通过比较国外电磁实验文献，分析原因主要是加工方法导致，首先实验 所使用的0 i m m 铜导线为漆包线，将铜线嵌入激光加工完成的芯片通道内，芯片 厚度为0 i m m ，与铜线厚度相同，无法实现嵌入导线层后，导线层间保留一定厚 度绝缘层。其次外层绝缘漆会对磁场产生影响，对导线去漆后重复实验，导线交 点处仍然没有未获得理想磁场强度。 通过不同磁性材料的实验，证明利用永磁体和软磁线圈可以完成片上磁珠的 操纵。操纵效果良好，磁珠可以跟随磁场进行移动和定位。 磁场强度的比较是：永磁体 软磁线圈 电磁，实验证明当磁场强度达到 5 0 g s 以上，可以操纵直径2 8 u m 以下磁珠进行片上运动。 4 7 第3 章芯片温控系统的研究 3 1 芯片温控系统的结构设计 3 1 1 热电效应的基本原理 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称。当直流电通 过半导体p n 结时，在两结点的接触面上会发生热电效应，它是由同时发生的三种 效应共同作用的结果，包括s e e b e c k 效应、p e l t i e r 效应和t h o m s o n 效应。”。 s e e b e c k 效应指的是，当两种不同导体构成的闭合回路的两个节点温度不同 时，该回路中会有热电流产生。 当两种不同金属材料a 和b 两端节点上存在温差a t 时，在金属两端便会产生 电动势u ，称为温差电动势。且温差电动势u 的太小与结点间的温差a t 成正 比。 p e l t i e r 效应指的是，当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度 变化。当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷。而当电流以反方向流 经节点的时候，结点温度会变热。如图3 1 所示，当a 、b 两种不同的导体组成电 路且通有直流电时，在一个接头处会放出热量，而在另一个接头处则吸收热量。 这是由法国人j c a p e l t i e r 在1 8 3 4 年发现的，并于1 8 3 4 年首次发表于法国 物理和化学年鉴上，因此这个现象称为p e l f i e r 效应。 图3 一l 热电半导体效应 f i g u m3 - 1p e l t i e rp r i n c i p l e 对于半导体热电偶，p e l t i e r 效应更加显著，当电流方向从空穴半导体流向电 子半导体( p 结一n 结) 时，接头处温度升高并放出热量。反之，接头处温度降低 从外界吸收热量。由此可知，s e e b e c k 效应和p e i t i e r 效应互为逆效应。 t h o m s o n 效应指的是，对于一种导体，当两端温度不同时，在其两端会形成 电势差。 3 1 2 测温传感器材料的选择 铂属于贵重金属，铂热电阻元件的工作原理是在不同温度的作用下，铂电阻 丝的电阻值会随温度的变化而变化。铂热电阻元件可用于测量一2 0 0 到十8 0 0 范 围内的温度。铂电阻温度传感器是一种重要的温度测量元件，本实验选用的铂热 温度传感器为p t l 0 0 ，其测量范围是- 2 0 0 n + 6 5 0 。 铂电阻阻值变化与温度变化之间的关系是非线性的，如图3 - 2 图示曲线所 示，遵循下面公式： r 。= l l ( i + qt + bt 2 ) ( t 在0 - - - 6 3 0 之间) ( 3 1 ) 式中r 。为铂热电阻的电阻值，r 。为铂热电阻在0 时的电阻值，p 、o = 1 0 0 q ，q 为一阶温度系数，q = 3 1 9 0 8 1 0 q ( ) ，b 为二阶温度系数，b = 5 1 8 0 2 1 0 。7 ( ) 图3 - 2 铂电阻阻值与温度关系曲线 f i g u r e3 - 2t h ec u r v ei n d i c a t et h er e l a t i o no f p t l 0 0r e s i s t a n c ev m u ea n dt e m p e r a t u r e p t l 0 0 分度表，如图3 3 所示，分度表表示从o 到3 0 9 c ，每个温度值对 应的p t l 0 0 的电阻值。选用铂电阻作为温度传感器的主要原因是其具有以下优 点： ( 1 ) 铂电阻随温度变化时，阻值变化很规律，可以直接应用于温控系统。 ( 2 ) 铂电阻具有良好的延展性和抗压性，不易破碎，方便用于系统搭建。 ( 3 ) 铂电阻的化学稳定性高，不溶于一般的强酸，对空气和氧都是稳定 的。 3 1 3 热电材料的选择 图3 - 3p t l 0 0 分度表 f i g u r e3 - 3 p t l 0 0 t a b l e 热电半导体是根据热电效应原理制成的热电元件，热电半导体的内部是由一 个个p n 结组成，如图3 4 所示，当电流方向从电子半导体流向空穴半导体( n 结一p 结) 时，热电半导体上表面会产生热量，实现加热，此时下表面吸收热量， 实现制冷。本课题使用热电半导体作为温控系统中的加热单元。 ( a )( b ) 图3 - 4 ( a ) 热电半导体原理图( b ) 热电半导体图片 f i g u r e3 - 4 ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a mo fp e l t i e r 0 ) t h ep h o t o g r a p h o fp e l t i e r s 1 。室蓍鬻耋委黝篇量薹重量徽茎重詈蓍垂|嚣激嚣瓣篇鬈嚣m璺萋嚣裟m嚣鬈嚣孽墨嚣嚣曼曼嚣。鱼蚕裟嚣蕞嚣嚣怒篇嚣嚣器嚣嚣瓮黧珐懑麓黼溉谜麓糕瓣lli糍嚣嚣嚣盏嚣嚣嚣嚣嚣盖裟；暑嚣篇嚣m。坦懈mm卅俐僻懦瑚伽似伸憎懈懈憎埘伪m伪俐懈佃耋!埘埘瑚村m小 麓懑豢麓篓愁纛麟瓣凇一 瓣恭篆麓麟黧鬻篡措瓣一 麓愁麓瓣懑黻麓鞴藏黧酝然lll鲻燃鞴瓣黼臌瓣黜 骤麓蒸瓣鋈黧辫糍lll豢一 。麓艟i|l澄麟i|l|篓蔗ill撼七。柏幻帅鲫m时”舯柏幻 = ：j i 垄苫些奎笙星笙墼圭茎堡墼圣 3 131 热电半导体性能测试 3 1 3 1 _ l 材料 ( 1 ) 通电大小对热电半导体的影响 热电半导体( t e s 卜0 7 0 l 太仓制冷器厂) ：p t l 0 0 ( 日本h a y a s h id e n k o ) ； 散热嚣；可编程电源( p p e 3 3 2 3 海洋兴业) ： ( 2 ) 封闭条件对热电半导体的影响 热电半导体( r e s i 一3 1 0 4 、t e c i 一1 2 7 0 6 、太仓制冷器厂) ；热电半导体 9 4 8 0 1 一1 1 2 5 ，如图3 - 8 ( a ) 所示( 美国i p i 公司) ；p t l 0 0 ( 日本h a y a s h i d e n k o ) ： 散热器；可编程电源( p p e 3 3 2 3 海洋兴业) t 3 i 3 1 2 方法 ( 1 ) 通电大小对热电半导体的影响 将p t l 0 0 放置在热电半导体上方，利用p t 0 0 测量热电半导体的实时温度。 通过改变热电半导体的通电大小，能够调节热电半导体的实时温度。实验讨论熟 电半导体两端通电大小对于实时温度变化的影响，实验步骤如下。 将热电半导体放置在散热器上方，发热面朝下制冷面朝上两端通电。 将p t l 0 0 放置在热电半导体上方，两端连接万用表，如图3 5 所示。 改变热电半导体通电大小，将通电电压分别设定在0 8 v 、07 v 、o6 v 、0 5 v 时，改变通电电流大小万用表的读数是p t l 0 0 的阻值，通过查p t l 0 0 分度表， 可以得到对应的热电半导体制冷面的温度值。 圈 圉3 - 5 热电半导体实验示意图 f i g u r e3 - 5s c h e r n m i c d i a g r a mo f p e l t i e r e x p e r i m e n t ( 2 ) 封闭条件对热电半导体的影响 圣i 薹垒苣堡垄垂錾墼些基 实验讨论不同封闭条件对于热电半导体加热效果的影响，分别在室温全开放 环境、室温半开放环境、室温全封闭环境测试熟电半导体的性能，实验步骤如下。 将热电半导体放置在散热器上方，发热面朝上，制冷面朝下，两端通电。 将p t l 0 0 放置在热电半导体上方，两端连接万用表。 在室温全开放环境中测量3 种熟电半导体达到9 5 c 所需要的电压、电流值。 在室温全开放环境中测量3 种热电半导体由室温达到9 5 。热电半导体的升 温速度。 将热电半导体的上表面用保温泡沫封闭，下面仍使用散热器散热，形成上封 田下散热的室温半开放环境，如图3 - 8 ( b ) 所示。 在上封闭下散热的室温半开放环境下，对热电半导体9 48 0 1 1 1 2 5 的升温速 度进行测量。 移去散热器，将热电半导体完全用保温泡沫封闭，形成室温全封闭环境。在 室温全封闭环境中对热电半导体t e s i 一3 1 0 4 进行测量。 k ) 图3 - 8 ( 8 ) 热电半导体9 4 - 8 0 1 一1 1 2 5 ( b ) 半封c j j 环境( c ) 实验示意幽 f i g u r e 3 8 p e l t i e r 9 4 - 8 0 1 - 1 1 2 5 ( b ) s e m i - e n c l o s e de n v i r o n m e n t ( c ) t h ep h o t o g r a p ho f e x p e r l m e n t a t i o n 3 1 3 1 3 结果和讨论 ( 1 ) 通电大小对热电半导体的影响 改变热电半导体的通电大小，能够调节热电半导体的实时温度值。实验将热 电半导体两端电压分别设定在0 ，8 v 、07 v 、06 v 、05 v ，在每个设定电压值恒 定条件下，改变通电电流大小，测量热电半导体的实时温度变化情况，讨论了通 电大小对于热电半导体性能的影响。通过在四个设定电压值下改变通电电流大 小，我们可以得到热电半导体的电压电流关系曲线。 在设定电压为08 v 恒定的情况下，改变通电电流大小，测量得到p 1 _ 1 0 0 的 阻值，井查表得到热电半导体对应的实时温度值，如表3 - 1 所示。 表3 一lf f l 0 0 对应阻值和实时温度值( u = nb y ) t a b l e3 - 】p t l 0 0 , _ e s l s t a n c e v a l u ea n d t e m p e u m f u = o8 v ) 量i 堇垒堇垂垄垂堑墼垡塞 对测量电流值、p t l 0 0 的阻值和热电半导体实时温度值分析得到，当电流减 小时，p t l 0 0 的阻值会随之升高，说明热电半导体制冷面的温度值升高，制冷效 果减弱，如图3 - 6 所示。通过实验证明通电电流越大，热电半导体的加热制冷效 果越好。 0 ( n ) ( ) 电流( a ) 口删量电流( a 1 1 - 温熏( 、口p t l o o 阻值涮【 图3 - 6 热电半导体的电压、温度、阻值变化 f i g u r e3 - 6 t h ec h a n g eo f p e g i e r s v o l t a g e t e m p e r a t u r ea n dr e s i s t a n c ev a l u e 在设定电压为07 v 恒定的情况下，改变通电电流太小，测量得到p t l 0 0 的 阻值，并查表得到对应的实时温度值，如表3 2 所示。 表3 - 2p t l 0 0 对应阻值和实时温度值( u = o 7 v ) t a b l e3 - 2 p t l 0 0 他s i s t a n c e v a l u ea n d t e m p e r a t u r e g j = 07 v 1 在设定电压为0 6 v 恒定的情况下 阻值，并查表得到对应的实时温度值， 改变通电电流大小，测量得到p t l 0 0 的 如表3 - 3 所示。 j e 塞工业太堂理堂亟堂位论室 表3 - 3p t l 0 0 对应阻值和实时温度值( u ：o 6 v ) t a b l e3 3p t l0 0r e s i s t a n c ev a l u ea n dt e m p e r a t u r e ( u = o 6 v ) 在设定电压为o 5 v 恒定的情况下，改变通电电流大小，测量得到p t l 0 0 的 阻值，并查表得到对应的实时温度值，如表3 4 所示。 表3 - 4p t l 0 0 对应阻值和实时温度值( u = o 5 v ) t a b l e3 - 4p tl0 0r e s i s t a n c ev a l u ea n dt e m p e r a t u r ec d = o 5 v ) 当电压值恒定在0 8 v 、0 7 v 、0 6 v 、0 5 v 时，改变电流大小，分别测量p t l 0 0 的阻值和热电半导体实时温度值得到实验结论如下： 1 、对热电半导体t e s l - 0 7 0 1 分别导通0 8 v 、0 7 v 、0 6 v 、0 5 v 的电压， 在电压值恒定的情况下，随着通电电流值的减小，p t l 0 0 的电阻值和热电半导体 的温度值随之升高。实验证明热电半导体加热制冷效果与通电大小成正比，通电 5 6 电流越大，加热制冷效果越好。 2 、t e s i - 0 7 0 1 作为电源负载，通过设定四个恒定电压值，在每个电压值下 改变通电电流，获得热电半导体的电压电流线性关系曲线，如图3 - 7 所示。得 到的热电半导体性能曲线，为后续温控系统实验奠定了基础。 0 50 0 7o 0 电压u n ，) 图3 - 7 电压电流曲线 f i g u r e3 - 7t h ec u r v eo f v o l t a g e c u r r e n t 3 、实验证明热电半导体的温度稳定性好，可用来作为温控系统的加热单元。 ( 2 ) 封闭条件对热电半导体的影响 为了讨论封闭条件对于热电半导体性能的影响，我们分别在室温全开放环 境、室温半封闭环境、室温全封闭环境下测试三种热电半导体的性能。 首先在室温全开放环境下，改变通电大小，通过测量p t l 0 0 的阻值，分别使 三种热电半导体的实时温度从室温升温到9 6 ，实验结果如表3 - 5 所示。 表3 - 5 室温全开放环境热电半导体性能 t a b l e3 - 5t h ec a p a b i l i t yo fp e l t i e ri nr o o mt e m p e r a t u r en o n e n c l o s e de n v i r o n m e n t 电压( v )电流( i ) p t l 0 0 电阻值( q )对应温度( ) 1 2 3u t e c i - 1 2 7 0 6 l 2 3u 4 9 4 - 8 0 1 - 11 2 5 l 2 q i , j 4 5 2 2 4 2 7 1 2 1 4 1 5 4 5 0 6 7 1 0 0 3 1 4 8 1 5 4 5 0 1 7 8 0 3 2 1 0 4 3 9 0 5 0 4 o 5 1 8 1 3 0 3 1 3 3 3 1 3 6 7 9 1 1 6 6 1 2 1 8 1 3 0 9 1 3 6 8 1 1 4 1 2 2 1 2 9 5 3 1 3 4 7 5 1 3 6 8 5 7 8 7 9 8 6 - 8 7 9 5 - 9 6 4 2 - 4 3 5 6 - 5 7 8 0 9 5 - 9 6 3 6 5 7 7 6 - 7 7 9 0 - 9 1 9 5 - 9 6 5 7 。 ：耋 o 流d电l 5 5 5 8 9 3 5 8 a ； m l l l 通过测量热电半导体实时温度值由室温升温到9 6 c ，和测量得到的升温 时间，计算出三种热电半导体在室温全开放环境下的升温速度，如表3 - 6 所示。 实验证明在室温全开放环境下热电半导体9 4 - 8 0 1 - 11 2 5 的升温速度最快。 表3 - 6 室温全开放环境热电半导体升温速度 t a b l e3 6t h ec a l e f a c t i v ev e l o c i t yo f p e l t i e ri nr o o mt e m p e r a t u r en o n e n c l o s e de n v i r o n m e n t 时间速度 起始温度( )终止温度( )起始电阻值( q )终止电阻值( n )( s )( i s ) t e s i - 3 1 0 4 2 8 2 99 51 1 l1 3 73 32 t e c i - 1 2 7 0 6 2 8 2 99 5 1 11 1 3 1 3 6 6 27 80 8 4 6 9 4 8 0 1 - 11 2 52 5 9 51 0 9 7 31 3 6 6 82 72 6 + 由于热电半导体9 4 8 0 1 - 11 2 5 的升温速度最快，所以用同样的方法测量在室 温半封闭环境下，9 4 - 8 0 1 - 1 1 2 5 的升温速度，如表3 - 7 所示。实验证明热电半导 体的升温速度与通电大小成正比。对热电半导体通电3 0 m i n 后，热电半导体 9 4 8 0 1 11 2 5 温度波动小于l 。 表3 7 室温半封闭环境热电半导体9 4 8 0 1 - 1 1 2 5 的升温速度 t a b l e3 - 7t h ec a l e f a c t i v ev e l o c i t yo f p e l t i e r9 4 8 01 112 5i nr o o mt e m p e r a t u r es e m i e n c l o s e d e n v i r