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面向双颗粒捕捉的介电电泳微流控芯片研究

李绍前  
【摘要】:微流控芯片(Microfluidics)是研究在微米尺度的结构中对微量液体样品进行控制的技术,致力于实现常规化学或生物医学实验室各种生化分析平台的微型化,具有样品消耗量小、设备体积紧凑且易于集成的特点,在化学分析和生物检测领域有着广泛的潜在应用。微流控芯片领域中最重要的研究内容之一是对液体中的微颗粒进行捕捉、操纵和分离。 在细胞融合过程中一个重要前提就是完成对来源不同的两个细胞的配对捕捉,本文在微流控芯片颗粒捕捉技术的基础上,针对在细胞捕捉过程中难以实现对两个大小不同颗粒进行批量化配对捕捉的技术难题,设计制作了一种基于介电电泳(DEP)的双颗粒捕捉微流控芯片,该芯片具有捕捉配对率高、批量化、操作简便等特点。 首先,对微流控芯片双颗粒捕捉的机理进行了研究。根据偶极矩理论推导了介电电泳力的表达式,得出影响介电电泳力的主要参数。计算了镀金微球的频率响应曲线;对芯片中的颗粒进行了受力分析,得出对颗粒运动影响较大的DEP力和Stokes力,推导了颗粒在芯片中的运动方程。最后在理论分析的基础上提出一种用于捕捉大小不同的双颗粒的芯片设计。 其次,在对双颗粒颗粒捕捉机理研究的基础上,设计了用于双颗粒捕捉的微流控芯片。在建立芯片物理模型后,利用有限元分析软件对芯片进行数值仿真。根据仿真结果对芯片的电极尺寸、形状进行了优化设计,得出芯片最优结构和控制参数。此外,还对芯片的电场、流场进行仿真分析,验证了芯片能够按照预定设计实现所需要的功能。 随后,利用MEMS加工工艺加工微流控芯片。采用ITO玻璃作为基板材料,利用湿法刻蚀技术刻蚀出所需的电极阵列,并在其上制作了半封闭的PDMS微通道,然后用光刻法在玻璃上加工出所需的SU-8微结构以及半封闭的SU-8通道,最后将带有SU-8微结构的盖板与带有PDMS微通道的基板对中,用氧等离子体技术键合形成所需的微流控芯片。 最后,搭建微流控实验平台,进行颗粒捕捉试验研究。设计并搭建颗粒捕捉所需的电信号和流体控制系统,首先实现对其中任一种颗粒的单独捕捉,然后实现了颗粒A与颗粒B的配对捕捉,颗粒A捕捉成功率97%,配对捕捉成功率75%。研究了电场频率、电压、流体流速对颗粒捕捉的影响。最后,讨论了颗粒B可能出现的捕捉位置,分析了颗粒间的相互作用力可能对双颗粒捕捉的影响。


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