分片式介电泳芯片微米粒子操控的关键技术研究

发布时间：2018-10-29 09:40

【摘要】：近年来,随着微加工技术以及微流控技术的进一步发展,芯片实验室成为了当下最为热门的一个研究领域。芯片实验室系统可以实现细胞、病毒等物质的多种操控,如捕获、排列、分选、图案、表征、提纯等。在众多的操控手段中,介电泳技术作为一种重要的使能控制技术具体有以下优点：芯片结构简单,易于集成,尺寸微小；而且对操控对象要求较低,无需预处理;系统自动化程度高,具有较高的精确性和稳定性。因此介电泳对微粒的操控已经成为当下一个重要的研究课题。本文回顾了四类主要的介电泳作用：非流动式介电泳、微流动式介电泳、光诱导介电泳、绝缘电极介电泳四类,分析了各种技术手段的不足,在微流动式介电泳芯片的基础上进行了结构改造,提出了分片式介电泳的基本结构与工作原理。并建立了分片式介电泳芯片中粒子的运动模型,计算仿真了粒子在不同参数条件下的运动规律。在此基础上自行搭建了分片式介电泳粒子操控实验平台并实现了粒子连续分选、粒子撞壁分选、粒子筛以及粒子阵列等多个功能应用。论文取得的具体研究成果如下：(1)分片式介电泳理论研究以及芯片结构参数设计。基于介电泳等效偶极矩理论模型,讨论了介电泳力的相关影响因素。在此基础上提出了分片式介电泳芯片结构,介绍了芯片的工作原理并分析了芯片中粒子的受力作用。综合上述理论研究,进行了芯片各部件的关键参数设计,其中重点讨论了薄膜材料与厚度、电极形式尺寸对电场的影响,得到了合适的分片式介电泳芯片结构与参数,为下文的芯片制作、实验开展提供了理论基础。(2)分片式介电泳粒子操控平台搭建与芯片制作。实验平台主要主要包括：观测系统、信号系统和芯片系统。其中,观测系统由光学显微镜作为主体,配备有荧光光源、荧光模块、暗场模块CCD以及对应软件。控制系统中运用单片机控制技术实现电路控制,并实现了高频信号放大为分片式介电泳提供非均匀电场。利用光刻、注塑、键合、PCB等多种微加工工艺,完成了微流道、电极阵列的制作加工并讨论了等离子体键合技术以及PDMS旋涂键合技术的应用。最后,我们集成上述各系统组分构成分片式介电泳实验平台,从而保证后续实验研究的顺利实施。(3)分片式介电泳中粒子运动行为建模仿真与实验验证。通过Comsol和Matlab软件建立了分片式介电泳芯片模型,计算出流场、电场的分布,并在此基础上建立粒子运动控制方程,采用步进法模拟了粒子在芯片中的运动行为与轨迹。通过仿真计算,发现了粒子在叉指状电极中特有的“S”型曲线轨迹,并讨论了流道电极夹角θ、电压幅值U以及流体流速u三个因素对粒子运动轨迹的影响,并定义了h1、h2, ΔH三个重要参量来判定粒子的偏转效果。在仿真中得出了个参数对粒子运动轨迹的影响关系,通过开展分片式介电泳粒子操控实验,我们获得了与仿真结果一致的结论,验证了模型的正确性,也为分片式介电泳的分选应用研究奠定了基础。(4)实现了基于分片式介电泳的粒子分选与阵列组装操控。通过仿真计算得出了粒子分选的仿真效果,预测了粒子分选的参数条件。通过自行搭建的分片式介电泳粒子操控平台上实现了粒子的连续分选。在此基础上进一步进行了多种粒子的撞壁分选实验。其中,10μm和5μm粒子的分选有效距离达到了10mm以上,分选的有效性比大部分连续分选实验高出了多个数量级。通过对实验中电极结构进行改造,减少电极级数,使用移动微流道实现了有限样本液中粒子的分选以及样本液的净化提纯；利用注射低速流体实现了大批量粒子的分选以及样本液体的提纯。此种分选提纯方式流道的宽度不受限制,可以实现大规模批量化的芯片应用。最后,通过改变流道以及电极结构,我们实现了粒子的动态阵列组装,粒子搅拌等多种功能,为生命科学、临床医学中细胞培养、组织生长等关键技术提供了一种新颖的平台。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492

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