基于光散射下的血细胞分析传感器微型化研究与设计

发布时间：2017-06-08 04:15

  本文关键词：基于光散射下的血细胞分析传感器微型化研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术的进步,人类越来越注重生命科学,注重与自生健康有联系的任何微小事物。其中,血细胞分析仪是健康产品中的基础产品,它是人们诊断健康是否的重要利器,通过对细胞的分类、识别、计数,最终达到确定病灶的目的。21世纪,健康产业已被诸多国家列为战略性产业,这对于发展中的中国来说既是挑战也是机遇。血细胞分析仪是健康产业中的典型产品。当前血细胞分析仪大多运用到激光散射技术和化学染色技术。其中化学染色技术存在着许多的缺点:检测细胞的用量大,不适于珍贵少数细胞的检测;产品体积大,不适于随身携带,紧急情况下不能发挥它的最大作用;另外在荧光检测中使用了荧光染料,对细胞的活性有一定的影响。基于Mie散射理论,通过光电探测器接收到待测细胞各向光散射强度信号后,输入到电脑中进行分析的光散射技术则凭借着其可定量、非侵入、无损伤等优点,为生物细胞的定量研究提供了一种很有力的工具。该类技术装置的小型化和高精准性的研究是当今光学的主流研究方向。现有细胞分析技术中发展了微流控芯片技术,它的出现使得血细胞分析走进了新的研究领域。微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术,在仅仅几平方厘米的芯片上能够集成化学、生物等实验室的基本功能,因此又称为“芯片实验室”。如果将微流控芯片技术融入到血细胞分析仪中,将大大减小相关设备的体积,使得健康产品易于携带,方便人们的生活并提高生活质量。本文以血细胞分析仪的高精准度和小型化为研究目标。我们利用数值仿真技术对不同体积大小的球型模型进行了前向散射光强信号分布的仿真,得到了直径10μm、14μm和20μm大小粒子的标准前向散射光强分布图,能够通过光屏接收到的结果图来对细胞进行体积上的识别和分类。基于小型化、资源化、准确性,研究的目标,设计了一款血细胞分析传感器,该传感器充分运用了细胞的后向散射光的规律,增加了细胞识别的依据,通过测量立体角范围内细胞的散射光强信号,增大了散射信号的强度,减小了检测结果的噪声的干扰,即提高了检测准确度。在此基础上利用Solidworks建模软件对传统微流控芯片结构进行了优化设计,通过在通道上下壁制作不同结构的凹陷,包括挡流板型、椭球形和圆柱形。新型的三叉型光流控结构结合鞘流技术,保证了待测细胞单个逐一地通过激光检测区域,最后利用Ansys有限元仿真软件对光流控芯片内部流体流动进行了仿真,通过相图,速度图以及粒子追迹的比较分析,最终确定圆柱形凹陷为最优设计。实验结果显示此设计避免了因细胞位置重合而导致的检测误差,而且采用缓冲结构避免了通道内部的突然凸起而对内部流体造成的紊流效应,提高了检测结果的准确性,最终实现了小型化和提高精确度的目标。由于本人的能力有限,血细胞分析仪的研究道路很长,尚存在许多有待研究的问题,这将激励我们以后的进一步研究。
【关键词】：细胞分析 光散射 小型化 精确度 传感器结构
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TH776
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 21世纪血细胞分析技术的发展现状与科学意义11-12
• 1.2 健康产品的研究现状12-16
• 1.2.1 国内外五分类血细胞分析仪的品牌和原理12-15
• 1.2.2 微型化技术的发展和研究现状15-16
• 1.3 本文章节安排16-19
• 1.3.1 主要工作16-17
• 1.3.2 本文特色17
• 1.3.3 论文的结构框架17-18
• 1.3.4 本文创新点18-19
• 第二章 血细胞光散射特征分析和分类识别方法19-32
• 2.1 光散射理论19-23
• 2.1.1 光散射理论概述19-20
• 2.1.2 光散射理论的主要应用20-21
• 2.1.3 Mie散射理论21-23
• 2.2 基于光散射的血细胞分析识别方法23-31
• 2.2.1 血细胞分类、计数方法23-29
• 2.2.2 血细胞的识别方法及其流程29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 光流控芯片中的流体流动和结构优化32-43
• 3.1 微流控芯片技术32-33
• 3.1.1 微流控芯片中粒子与细胞的运动32-33
• 3.1.2 微流控芯片的结构设计33
• 3.2 光流控芯片下的流体聚焦原理33-35
• 3.2.1 微流控中的雷诺系数34
• 3.2.2 光流控芯片中的流体聚焦34-35
• 3.3 光流控芯片通道的结构改进35-38
• 3.3.1 样本流流速与鞘液流流速对聚焦效果的影响35-37
• 3.3.2 3D聚焦通道构型的设计37-38
• 3.4 3D聚焦仿真效果分析38-42
• 3.4.1 聚焦相分析38-41
• 3.4.2 聚焦速度分析41
• 3.4.3 粒子追迹41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 血细胞传感器集成化研究43-54
• 4.1 血细胞分析仪的意义和现状43
• 4.2 血细胞分析仪的光路设计43-46
• 4.2.1 特制反射镜的设计45-46
• 4.3 血细胞分析装置的仿真实验46-49
• 4.3.1 仿真实验的设置46-48
• 4.3.2 仿真结果的分析48-49
• 4.4 血细胞分析仪的实验方法49-52
• 4.4.1 实验器材和设备的准备49-52
• 4.5 本章小结52-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 在学期间发表的学术论文及其他科研成果61

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