粒子连续分离介电泳微流控芯片的研究

发布时间：2017-03-17 08:00

  本文关键词：粒子连续分离介电泳微流控芯片的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：介电电泳技术利用交流电场对粒子的极化实现对粒子的分离、富集等操作,常规介电电泳对粒子的分离之后的收集过程较为复杂,且消耗时间长。本文以介电电泳和微流芯片中的流体流动为基础,对粒子在介电电泳芯片芯片的受力进行分析,设计了集成倾斜阵列叉指电极的介电泳微流控芯片,以实现细胞的连续分离,为快速制备细胞样品奠定基础。本文主要研究内容包括以下方面:首先对介电电泳粒子分离的理论进行研究,由球形粒子的偶极矩推导出粒子所受介电泳力的表达式,总结粒子所受介电泳力大小的影响因素。采用同心球壳模型对聚苯乙烯微球,NB4细胞以及酵母菌细胞三种不同类型粒子频率响应特性,研究粒子所受介电泳力类型与交流信号频率、溶液电导率之间的关系。分析粒子在介电泳芯片中的受力,对粒子的运动情况进行分析。其次,根据粒子在介电泳芯片中的受力,设计粒子连续介电泳芯片的结构,在芯片中布置倾斜阵列叉指电极,将介电泳力与流体水动力相结合实现对粒子的操作,建立芯片的数学模型,利用Comsol Multiphysis软件对芯片内部电场、介电泳力进行仿真分析,优化介电泳芯片的电极和微流通道的参数。根据介电泳芯片的功能,选择微电极和微流通道的材料,利用光刻工艺在ITO玻璃上加工出微电极结构,模塑法制作出PDMS微流通道,最后键合成完整的介电泳芯片。最后,利用制备的介电泳芯片在介电泳实验平台上进行粒子分离实验研究。以聚苯乙烯微球和酵母菌细胞为实验对象,优化交流信号的大小及频率,并对二者进行介电泳分离实验。分析注射泵速率对粒子轨迹的影响,优化流体的流速。采用倾斜阵列叉指电极对NB4和酵母菌细胞进行分离,酵母菌细胞受到正介电泳力和流体水动力的作用而发生偏转,沿电极倾斜方向运动,NB4细胞受到的介电泳力较小,未发生偏转,沿通道流出,二者实现了分离,验证了本文所设计的介电泳芯片对粒子实现连续分离的可行性。
【关键词】：介电电泳 流体水动力 微流控芯片 粒子分离 Comsol
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 课题研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-19
• 1.2.1 粒子分选方法11-17
• 1.2.2 介电泳技术国内外发展现状17-19
• 1.3 课题的主要研究内容19-21
• 2 介电电泳粒子分离理论基础21-37
• 2.1 偶极矩21-23
• 2.2 介电泳力23-25
• 2.3 粒子受到的其他作用力25-27
• 2.4 粒子的受力分析27-28
• 2.5 不同类型粒子的频率响应特性分析28-36
• 2.5.1 聚苯乙烯微球的频率响应特性分析29-32
• 2.5.2 NB4细胞的频率响应特性分析32-34
• 2.5.3 酵母菌细胞的频率响应特性分析34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 3 介电泳芯片结构设计与数值仿真研究37-46
• 3.1 介电泳芯片结构设计37-38
• 3.2 介电泳芯片数值仿真38-40
• 3.2.1 介电泳芯片仿真模型38-40
• 3.2.2 边界条件40
• 3.3 数值仿真结果与分析40-43
• 3.3.1 电场分布40-41
• 3.3.2 介电泳力的分布41-43
• 3.4 电极和微流通道参数优化43-45
• 3.4.1 电极宽度和间距对介电泳力的影响43-44
• 3.4.2 微流通道的高度对介电泳力的影响44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 4 介电泳微流控芯片的制备46-52
• 4.1 芯片加工材料46-47
• 4.1.1 基底材料46
• 4.1.2 微电极材料46-47
• 4.1.3 微流通道的材料47
• 4.2 介电泳芯片微电极的制作47-48
• 4.3 介电泳芯片微流通道的制作48-50
• 4.4 介电泳芯片的封接50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 介电电泳粒子分离实验研究52-62
• 5.1 介电电泳实验平台52-53
• 5.2 介电泳实验悬浮溶液的配制53
• 5.2.1 聚苯乙烯微球和酵母菌悬浮溶液的配制53
• 5.2.2 NB4细胞悬浮溶液的配制53
• 5.3 介电泳粒子分离实验参数的优化53-57
• 5.3.1 交流信号峰值的优化53-54
• 5.3.2 交流信号频率的优化54-55
• 5.3.3 聚苯乙烯微球和酵母菌在不同频率下的介电泳响应55-56
• 5.3.5 注射泵速率的优化56-57
• 5.4 聚苯乙烯微球和酵母菌细胞的介电泳分离57-58
• 5.5 NB4细胞和酵母菌细胞介电泳连续分离58-60
• 5.6 分离效率的计算60-61
• 5.7 常规介电泳分离与介电泳连续分离的比较61
• 5.8 本章小结61-62
• 6 总结与展望62-63
• 6.1 工作总结62
• 6.2 工作展望62-63
• 参考文献63-69
• 攻读硕士学位期间的研究成果69-70
• 致谢70-71

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 许静;赵湛;刘泳宏;;集成阻抗识别的介电泳芯片设计及其关键工艺[J];仪表技术与传感器;2011年11期

2 任玉坤;敖宏瑞;顾建忠;姜洪源;Antonio Ramos;;面向微系统的介电泳力微纳粒子操控研究[J];物理学报;2009年11期

3 许静;赵湛;刘泳宏;;微全分析系统中的介电泳技术发展[J];仪表技术与传感器;2009年S1期

4 朱树存;易红;倪中华;;实时可重构的共面型光诱导介电泳微操纵平台[J];仪器仪表学报;2008年06期

5 许静;赵湛;刘泳宏;方震;杜利东;耿道渠;;缓冲液成分对介电泳力的影响[J];仪表技术与传感器;2009年S1期

6 费飞;曲艳丽;李文荣;董再励;;基于介电泳的电极阵列电场仿真研究[J];计算机仿真;2008年02期

7 刘泳宏;赵湛;;基于NEMS技术的介电泳芯片及其关键工艺问题的研究[J];传感技术学报;2006年05期

8 蒋珂玮;刘伟景;万丽娟;张健;;对于氧化锌棒状结构的介电泳操控研究[J];传感技术学报;2008年07期

9 王淑娥;曲艳丽;董再励;杨洋;周磊;;基于介电泳机理的金纳米颗粒传感器装配方法[J];微纳电子技术;2011年12期

10 许静;赵湛;方震;刘泳宏;杜利东;耿道渠;;基于介电泳诱捕与阻抗测量的三维网格型生物传感器的研究[J];分析化学;2011年03期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 陈波;吴健康;;介电泳颗粒的相互作用和细胞珍珠链现象[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

2 刘伟景;张健;万丽娟;蒋珂玮;;纳米结构在微纳传感器应用中的介电泳操控研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（6）[C];2007年

3 任玉坤;姜洪源;;基于金属/溶液界面双电层效应的金属粒子反常规介电泳特征[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

4 于鹏;李明林;董再励;周磊;刘柱;;基于行波介电泳原理的微粒操纵系统及实验研究[A];2008中国仪器仪表与测控技术进展大会论文集（Ⅰ）[C];2008年

5 任春平;;利用弧状电极产生步进电场之介电泳细胞预浓缩晶片[A];2010年第四届微纳米海峡两岸科技暨纳微米系统与加工制备中的力学问题研讨会摘要集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 Muhammad Rizwan Malik;[D];华中科技大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 韩萍;介电泳研究细胞介电响应规律、分离及重金属毒作用机理[D];中央民族大学;2008年

2 索灿;ZnO一维纳米材料制备、修饰、介电泳操控及气敏传感器构建研究[D];郑州大学;2015年

3 钱成;面向细胞位姿调节的介电泳操作机理分析与实验研究[D];苏州大学;2015年

4 周培林;AFM探针诱导介电泳的三维纳米操作与装配[D];沈阳理工大学;2015年

5 胡婧;吸附—介电泳法去除水中氨氮的工艺及机理研究[D];中央民族大学;2015年

6 袁君凯;复杂微通道中利用直流介电泳连续分离微粒[D];上海交通大学;2014年

7 冯奇亮;基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究[D];太原理工大学;2016年

8 雷建平;基于介电泳的石墨烯传感器的制造和检测应用研究[D];东南大学;2015年

9 方明;粒子连续分离介电泳微流控芯片的研究[D];中北大学;2016年

10 李彬;流道结构诱导的绝缘介电泳分离微尺度粒子研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

  本文关键词：粒子连续分离介电泳微流控芯片的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：252551