DESIGN AND FABRICATION OF A CONTINUOUS-FLOW PCR CHIP

Mortensen, Jimmi Støvring ; Pedersen, Lasse Strange

4. semester

Physics and Technology, Master

2025

2025-10-13

73

Formålet er at gøre det hurtigere at skabe mutant‑DNA‑biblioteker ved hjælp af en mikrofluidisk PCR‑chip med kontinuerligt flow. Traditionel PCR (polymerasekædereaktion) er grundlæggende i molekylærbiologi, men er ofte langsom på grund af mange opvarmnings‑ og nedkølingscykler og kræver dyr automation. Mikrofluidiske chips samler reaktionen i meget små kanaler, så temperaturen kan skiftes hurtigt og reaktionstiden forkortes. Vi har designet, fremstillet og optimeret en serpentinsformet chip, hvor prøven løber gennem zoner med de tre klassiske PCR‑temperaturer. Et resistivt varmelegeme skaber den varme denatureringszone (DNA‑strengene adskilles), et Peltier‑element skaber den køligere annealingszone (primerne binder), og temperaturgradienten imellem bruges som forlængelseszone (kopiering). Designet blev modelleret i COMSOL Multiphysics. Forme blev lavet med fotolitografi og dyb reaktiv ion‑ætsning, hvorefter polydimethylsiloxan (PDMS, en silikone) blev støbt og plasma‑bundet til en glasplade. Vi vurderede chippenes temperaturprofiler med infrarød billeddannelse og kørte PCR med forskellige primersæt. For at begrænse, at enzymer hæmmes af overfladeinteraktion, passiverede vi mikrokanalerne med bovint serumalbumin (BSA), som hjælper med at beskytte Taq‑polymerase. Resultaterne peger på potentiale for hurtig cykling på chip, men fremhæver også afgørende udfordringer: PDMS‑delaminering, uspecifik primerbinding og hæmning af PCR‑reagenser.

This work aims to speed up the creation of mutant DNA libraries using a continuous‑flow microfluidic PCR chip. Traditional PCR (polymerase chain reaction) is central to molecular biology but can be slow because it repeatedly heats and cools samples and often relies on costly automation. Microfluidic chips confine reactions to tiny channels, allowing rapid temperature changes and shorter reaction times. We designed, fabricated, and optimized a serpentine chip in which the sample flows through zones set to the three PCR temperatures. A resistive heater provides the high‑temperature denaturation zone (to separate DNA strands), a Peltier element provides the lower‑temperature annealing zone (for primers to bind), and the temperature gradient between them serves as the extension zone (for copying). The layout was modeled in COMSOL Multiphysics. Molds were made by photolithography and deep reactive ion etching, then polydimethylsiloxane (PDMS, a silicone) was cast and plasma‑bonded to a glass substrate. We assessed thermal performance by infrared imaging and ran PCR with different primer sets. To limit loss of enzyme activity from surface interactions, we passivated the microchannels with bovine serum albumin (BSA), which helps protect Taq polymerase. The results show promise for rapid on‑chip cycling, but also highlight key challenges: PDMS delamination, non‑specific primer annealing, and inhibition of PCR reagents.

[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]

PCR ; Microfluidics ; Chip ; Etching ; Lithography ; Comsol ; Simulering

Download
View record in AAU Student Projects