【摘要】：近年來,隨著微加工技術(shù)以及微流控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,芯片實(shí)驗(yàn)室成為了當(dāng)下最為熱門的一個(gè)研究領(lǐng)域。芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、病毒等物質(zhì)的多種操控,如捕獲、排列、分選、圖案、表征、提純等。在眾多的操控手段中,介電泳技術(shù)作為一種重要的使能控制技術(shù)具體有以下優(yōu)點(diǎn)：芯片結(jié)構(gòu)簡單,易于集成,尺寸微��；而且對(duì)操控對(duì)象要求較低,無需預(yù)處理;系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,具有較高的精確性和穩(wěn)定性。因此介電泳對(duì)微粒的操控已經(jīng)成為當(dāng)下一個(gè)重要的研究課題。本文回顧了四類主要的介電泳作用：非流動(dòng)式介電泳、微流動(dòng)式介電泳、光誘導(dǎo)介電泳、絕緣電極介電泳四類,分析了各種技術(shù)手段的不足,在微流動(dòng)式介電泳芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造,提出了分片式介電泳的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。并建立了分片式介電泳芯片中粒子的運(yùn)動(dòng)模型,計(jì)算仿真了粒子在不同參數(shù)條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上自行搭建了分片式介電泳粒子操控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)了粒子連續(xù)分選、粒子撞壁分選、粒子篩以及粒子陣列等多個(gè)功能應(yīng)用。論文取得的具體研究成果如下：(1)分片式介電泳理論研究以及芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)�；诮殡娪镜刃紭O矩理論模型,討論了介電泳力的相關(guān)影響因素。在此基礎(chǔ)上提出了分片式介電泳芯片結(jié)構(gòu),介紹了芯片的工作原理并分析了芯片中粒子的受力作用。綜合上述理論研究,進(jìn)行了芯片各部件的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì),其中重點(diǎn)討論了薄膜材料與厚度、電極形式尺寸對(duì)電場(chǎng)的影響,得到了合適的分片式介電泳芯片結(jié)構(gòu)與參數(shù),為下文的芯片制作、實(shí)驗(yàn)開展提供了理論基礎(chǔ)。(2)分片式介電泳粒子操控平臺(tái)搭建與芯片制作。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要主要包括：觀測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)。其中,觀測(cè)系統(tǒng)由光學(xué)顯微鏡作為主體,配備有熒光光源、熒光模塊、暗場(chǎng)模塊CCD以及對(duì)應(yīng)軟件。控制系統(tǒng)中運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路控制,并實(shí)現(xiàn)了高頻信號(hào)放大為分片式介電泳提供非均勻電場(chǎng)。利用光刻、注塑、鍵合、PCB等多種微加工工藝,完成了微流道、電極陣列的制作加工并討論了等離子體鍵合技術(shù)以及PDMS旋涂鍵合技術(shù)的應(yīng)用。最后,我們集成上述各系統(tǒng)組分構(gòu)成分片式介電泳實(shí)驗(yàn)平臺(tái),從而保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究的順利實(shí)施。(3)分片式介電泳中粒子運(yùn)動(dòng)行為建模仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過Comsol和Matlab軟件建立了分片式介電泳芯片模型,計(jì)算出流場(chǎng)、電場(chǎng)的分布,并在此基礎(chǔ)上建立粒子運(yùn)動(dòng)控制方程,采用步進(jìn)法模擬了粒子在芯片中的運(yùn)動(dòng)行為與軌跡。通過仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了粒子在叉指狀電極中特有的“S”型曲線軌跡,并討論了流道電極夾角θ、電壓幅值U以及流體流速u三個(gè)因素對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,并定義了h1、h2, ΔH三個(gè)重要參量來判定粒子的偏轉(zhuǎn)效果。在仿真中得出了個(gè)參數(shù)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響關(guān)系,通過開展分片式介電泳粒子操控實(shí)驗(yàn),我們獲得了與仿真結(jié)果一致的結(jié)論,驗(yàn)證了模型的正確性,也為分片式介電泳的分選應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。(4)實(shí)現(xiàn)了基于分片式介電泳的粒子分選與陣列組裝操控。通過仿真計(jì)算得出了粒子分選的仿真效果,預(yù)測(cè)了粒子分選的參數(shù)條件。通過自行搭建的分片式介電泳粒子操控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了粒子的連續(xù)分選。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了多種粒子的撞壁分選實(shí)驗(yàn)。其中,10μm和5μm粒子的分選有效距離達(dá)到了10mm以上,分選的有效性比大部分連續(xù)分選實(shí)驗(yàn)高出了多個(gè)數(shù)量級(jí)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,減少電極級(jí)數(shù),使用移動(dòng)微流道實(shí)現(xiàn)了有限樣本液中粒子的分選以及樣本液的凈化提純；利用注射低速流體實(shí)現(xiàn)了大批量粒子的分選以及樣本液體的提純。此種分選提純方式流道的寬度不受限制,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化的芯片應(yīng)用。最后,通過改變流道以及電極結(jié)構(gòu),我們實(shí)現(xiàn)了粒子的動(dòng)態(tài)陣列組裝,粒子攪拌等多種功能,為生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)中細(xì)胞培養(yǎng)、組織生長等關(guān)鍵技術(shù)提供了一種新穎的平臺(tái)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN492

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本文編號(hào)：2297336