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《哈尔滨工业大学》 2018年
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电磁式四极磁镊系统关键技术研究

张鹏  
【摘要】:磁镊是单分子操作技术中实现对生物分子进行操作的常用基本工具,单分子操作技术的发展对磁镊提出了输出磁力范围大、控制稳定且能够实现多自由度控制等要求,但目前国内现有磁镊大多数为永磁式磁镊或者无闭环反馈的电磁式磁镊,存在输出磁力自由度单一、难以实现对磁性微球运动轨迹的精确控制等问题。本课题在对国内外磁镊技术进行分析的基础上,对电磁式四极磁镊系统关键技术进行研究,主要包括:对四极磁镊中磁极的结构设计与磁场分析、建立四极磁镊的电流-磁力模型、推导并简化磁力-电流反力模型,最终组建电磁式四极磁镊系统,实现对磁性微球位置与运动轨迹的稳定控制。相比于国内目前现有磁镊技术,其优点是可以在二维平面内输出任意方向的磁力,且可以实现磁性微球位置与运动轨迹的高精度闭环控制。课题主要研究内容如下:首先,进行四极磁镊中磁极的结构设计,对施加到磁极线圈的电流与磁性微球上产生的磁力之间的关系进行研究,采用具有磁单极近似的集总参数模型来描述由磁极产生的磁场,基于该近似建立电流-磁力模型;推导四极磁镊磁力-电流反力模型,并将该反力模型简化,消除磁力输出过程中的非线性和位置依赖性导致计算复杂而难以实现快速磁力输出的问题。然后,组建四极磁镊实验系统,选用软磁合金作为磁镊磁极和磁轭材料,以减小磁滞效应对磁镊性能的影响;设计并制作磁极的电磁驱动单元,完成核心控制板和压控电流源的设计与调试,实现对四个磁极的驱动与控制;组建荧光显微成像系统并完成相关程序设计,实现对磁性荧光微球位置监测,采样频率达到200Hz,由此建立磁性微球位置闭环反馈单元。最后,对所组建的四极磁镊系统进行实验测试,实现对磁性微球的稳定俘获、高精度位置与运动轨迹控制。对闭环反馈单元中磁性微球的定位分辨力进行测试,其定位分辨力优于40nm;使用P控制器,通过分析磁性微球的运动功率谱,对磁力增益、液体阻尼系数、以及控制系统时间延迟等参数进行计算,得出磁镊系统在工作区域中心处所输出的磁力范围为±79.2p N;进一步使用PI控制器验证磁镊的简化反力模型的准确性;最后,对该磁镊系统中磁性微球的位移分辨力和运动轨迹控制能力进行测试,结果表明,磁性微球位移分辨力可达到400nm,且可实现在二维平面内进行任意方向运动。当圆形运动轨迹半径为49.1μm时,轨迹误差为5.9μm,表明了该四极磁镊系统对磁性微球具有良好运动轨迹控制能力。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH79

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【参考文献】
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