基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究

发布时间：2017-04-22 22:09

  本文关键词：基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物粒子的快速分离和提纯在医学诊断、生化分析和水质监测等领域有重要的现实意义。目前常用的分离方法和技术包括离心分离法、色谱分析法、流式细胞法和介电泳分离技术。基于介电泳技术的微流控芯片以其低损耗、易集成、低成本、快速分离等优点成为粒子操控与分离的一种重要手段,尤其在生物细胞的分离、提纯和分析中有重要的实用价值。本文调研了国内外介电泳芯片的研究现状及分离芯片的分类,在前人设计的基础上对分离芯片结构进行改进。采用文献和实验研究相结合的方法,仿真模拟出不同结构形状电极对粒子操控分离的影响,旨在通过优化分离芯片的结构,提高人体活死红细胞的分离效率。本文开展的具体研究工作包括:首先,对球形粒子在非匀强电场中的受力过程进行分析,在此基础上推导了介电泳力及行波介电泳力的数学表达式。抽象出细胞的球形模型,利用MATLAB计算出活死细胞的Re(K)、Im(K)值随频率的变化曲线。利用COMSOL仿真软件,对芯片的电极结构、形状进行仿真,确定最终的电极结构。模拟电场的分布及粒子在微流体通道中的运动轨迹。在此基础上进一步优化电极结构,确定了分离芯片的结构参数。然后,对分离芯片的基底材料和微流体材料进行选择,经对比分析,最终确定玻璃作为基底材料,聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作为微流体材料。介绍微流体和电极阵列的具体加工过程,试剂、材料和仪器的使用,以及相关参数的确定。实现分离芯片的基底与微流体通道的等离子键合;利用金丝球焊机引线实现了分离芯片与PCB的封装。最后,本文设计制作了芯片分离区域的控制电路,搭建了实验测试系统平台。利用介电泳分离芯片对人体活死红细胞进行操控分离实验,在芯片的不同区域实现了活死细胞的操控与分离,结果表明该芯片对细胞有较好的操控与分离效果。本文为介电泳与行波介电泳的结合使用提供了全新的思路,具有进一步的研究价值。
【关键词】：芯片实验室 介电泳 有限元仿真 微加工 细胞分离
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q-33;TN492
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外的发展现状11-16
• 1.2.1 细胞分离技术的分类11-12
• 1.2.2 介电泳分离技术发展现状12-14
• 1.2.3 介电泳分离芯片的分类14-16
• 1.3 本课题主要研究内容16-18
• 第二章 基于介电泳细胞分离的理论基础18-30
• 2.1 介电泳相关概念18-21
• 2.1.1 极化理论18-19
• 2.1.2 偶极矩19
• 2.1.3 介电泳19-21
• 2.2 介电泳力的表达式21-23
• 2.3 介电泳的影响因素23-26
• 2.3.1 频率对介电泳的影响分析23-26
• 2.3.2 其他影响因素26
• 2.4 通道中的细胞受力分析26-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第三章 基于介电泳细胞分离芯片的设计与仿真30-42
• 3.1 COMSOL仿真软件简介30-31
• 3.2 芯片阵列电极结构形状的设计31-36
• 3.2.1 阵列电极结构的设计31-32
• 3.2.2 阵列电极形状的设计32-35
• 3.2.3 电极结构的进一步优化35-36
• 3.2.4 阵列电极在竖直方向的电场、电势分布36
• 3.3 仿真模型的建立36-38
• 3.4 仿真结果38-41
• 3.4.1 通道中流场分析38-39
• 3.4.2 通道中细胞运动轨迹分析39-41
• 3.5 芯片结构的确定41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 基于介电泳细胞分离芯片的加工42-54
• 4.1 材料与仪器42-46
• 4.1.1.基底材料的选择42
• 4.1.2 微流体材料的选择42-43
• 4.1.3 加工仪器43-46
• 4.2 加工流程46-49
• 4.2.1 微流体加工流程46-48
• 4.2.2 微电极阵列加工流程48-49
• 4.3 键合与封装49-52
• 4.3.1 PDMS微流体与玻璃基底键合49-50
• 4.3.2 PCB封装50-52
• 4.4 本章小节52-54
• 第五章 基于介电泳细胞分离的实验研究54-64
• 5.1 控制电路的设计54-56
• 5.2 实验系统的建立56-57
• 5.3 连续流分离的细胞检测实验57-59
• 5.3.1 实验样品准备57
• 5.3.2 荧光标记细胞的检测分析57-59
• 5.3.3 实验研究59
• 5.4 实验结果与讨论59-62
• 5.4.1 红细胞的操控60-62
• 5.4.2 红细胞的分离62
• 5.5 本章小结62-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 工作总结64-65
• 6.2 工作展望65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果72

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 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

2 朱晓璐;易红;倪中华;;基于介电泳的细胞介电参数测试芯片机理的数值分析[J];机械工程学报;2009年11期

3 倪中华,朱树存;基于介电泳的生物粒子分离芯片[J];东南大学学报(自然科学版);2005年05期

4 曹春岳;;运用介电泳技术将SnO_2纳米球体作为敏感元件的相对湿度传感器特性(英文)[J];华东师范大学学报(自然科学版);2012年05期

5 朱晓璐;倪中华;;基于电动旋转介电泳的生物粒子介电常数测试技术[J];东南大学学报(自然科学版);2007年05期

6 ;[J];;年期

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 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

10 冯国敬;介电泳驱动球形粒子的运动速度及其影响因素研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

  本文关键词：基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：321373