基于介电泳力的无鞘流微过滤阵列粒子捕获与分选技术研究

发布时间：2021-10-21 01:48

　　随着微流控技术的发展,微流控芯片的研究在生命科学、医学检测、化学反应中的重要性越来越大。其中基于介电泳技术的微流控粒子分选技术作为获取高纯度单种粒子的重要手段,有免标记、非侵入、可调性高、对细胞损害小等优势,成为近几年的研究热点。传统介电泳分选芯片采用的鞘流聚焦方案,会稀释样本,增加流道设计与外部检测设备等,阻碍了便携式、一次性芯片的发展。本研究结合了介电泳分选方式与无鞘流过滤阵列聚焦方案,利用粒子的直径与介电性质实现粒子的捕获与分选,解决了单物理场对粒子分选的局限性,并制备了粒子捕获与分选芯片。本文主要研究内容如下:首先,对流体动力学与介电泳原理进行了详细介绍,根据连续方程推导出流体分叉模型;根据粒子的偶极矩公式,推导出介电泳力公式,分析了影响介电泳力大小与方向的影响因素,确定了粒子在微流体中受到的主要作用力;采用Matlab软件仿真并分析了二氧化硅粒子与聚苯乙烯小球的介电频率响应。其次,通过仿真分析,设计并优化了微过滤阵列与微电极的结构,并分析了8mm/s-28mm/s流速下微过滤阵列的形变程度与聚焦效果。根据微过滤阵列与微电极的结构特点,采用光刻工艺与深硅刻蚀工艺制备微过滤阵列模... 

【文章来源】：中北大学山西省

【文章页数】：66 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

（a）吴菲设计的U型细胞捕获结构（b）ChunHuiWu等人设计的三维捕获结构

中北大学学位论文3（2）介电泳力捕获依据粒子的介电性质、电场性质以及在特定电导率溶液中不同的介电泳表现，采用不同的设计结构，实现对特定粒子的捕获。如图1-2（a）所示，XiangyuChen等人设计出一种利用平面电极和金属镀层形成的凹陷作为捕获方式，在垂直方向上金属镀层与平面电极形成了凹陷，在平面结构中平面电极外凸，构成捕获结构，用于捕获不同生长周期的藻类细胞[30]。YupanWu等人设计了一种阵列捕获单元，如图1-2（b）所示[31]。以四个不同的相位输入到中间的25×25的金属阵列上，在阵列周围形成稳定的电场梯度，使得受负介电泳力的粒子被捕获到金属阵列中。图1-2（a）XiangyuChen等人设计的藻类捕获芯片（b）YupanWu等人设计的细胞捕获芯片Figure1-2(a)DesignofalgacapturechipfromXianyuChen,etc.(b)DesignofcellscapturefromYupanWu,etc.1.2.2粒子分选方式（1）微过滤分选微过滤分选采用流体动力学原理，根据粒子的直径大小，使得不同粒子在经过过滤器后实现过滤分选效果。SooHyeonKim等人设计了一种血细胞过滤器来实现血液细胞的初步分选，将数量最多、直径最小的红细胞过滤出去，剩余的白细胞与循环肿瘤细胞再经过后续分选，极大的降低了从血细胞中分选循环肿瘤细胞的难度[32]。图1-3（a）为过滤分选流程，首先将血红细胞通入过滤管道内过滤，然后反向通入培养液，将附着在过滤网上的细胞收集出来。图1-3（b）为设计的过滤管道实物。

中北大学学位论文4图1-3SooHyeonKim等人设计的过滤分选结构Figure1-3DesignoffilteringstructureforsortingformSooHyeonKim图1-4（a）为DinoDiCarl等人运用深硅刻蚀技术，将宽度与间隔都为3um的过滤器刻蚀在硅片上，在通入肿瘤细胞溶液后，直径在20um左右的肿瘤细胞会被捕获到过滤网上，并且会发生形变效果[33]。Wilding等人设计了一种交错式细胞捕获芯片，如图1-4（b）所示。根据细胞大小不同，使得尺寸较大的白细胞被捕获，尺寸较小的红细胞通过结构。使得此方法通量大，捕获肿瘤细胞的效率高[34]。图1-4（a）肿瘤细胞捕获芯片（b）交错式细胞捕获芯片Figrue1-4(a)Capturechipofcancercells(b)Interestingchipforcapturingcells（2）惯性力分选采用惯性力原理对微流体内的粒子进行分选是根据流体在高雷诺数下的切面Dean流占粒子运动的主导。在Dean流的作用下，直径较大的粒子运动至流道内侧，直径较小的粒子向流道外侧移动，从而实现粒子分眩如图1-5（a）所示，MyungGwonLee等人设计了一种采用低雷诺数的鞘流聚焦芯片，实现了血细胞的分选[35]。如图1-5（b）


本文编号：3448006