面向双颗粒捕捉的介电电泳微流控芯片研究

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。

目录

面向双颗粒捕捉的介电电泳微流控芯片研究

RESEARCH ON TRAPPING TWO PARTICLES BY DIELECTROPHORESIS-BASED MICROFLUIDIC CHIP

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于机器人技术的微颗粒捕捉方法研究现状

1.2.2 基于微流控技术的微颗粒捕捉方法现状

1.2.3 在细胞融合过程中的双颗粒捕捉研究现状

1.3 课题来源及研究内容

第2章 基于介电电泳微流控芯片的双颗粒捕捉机理

2.1 引言

2.2 介电电泳力

2.2.1 直流电场中理想微球介电电泳力

2.2.2 交变电场中微球介电电泳力

2.3 颗粒的频率响应分析

2.3.1 聚苯乙烯颗粒的频率响应分析

2.3.2 镀金微球的频率响应分析

2.4 微流控芯片中颗粒受力分析及运动方程

2.4.1 DEP力

2.4.2 Stokes力

2.4.3 颗粒受到的其他力

2.4.4 颗粒的运动分析

2.5 微流控芯片大小上同双颗粒捕捉机理

2.6 本章小结

第3章 双颗粒捕捉微流控芯片设计与仿真

3.1 引言

3.2 双颗粒捕捉微流控芯片的设计与建模

3.3 微流控模型网格划分及网格质量

3.4 微流道的设计与仿真

3.4.1 边界条件确定

3.4.2 流场仿真结果分析

3.4.3 颗粒A捕捉过程仿真

3.5 平面电极设计与仿真

3.5.1 边界条件确定

3.5.2 计算结果分析及电极优化设计

3.5.3 颗粒A在芯片中受到的DEP力

3.6 颗粒B在芯片中运动仿真

3.7 本章小结

第4章 双颗粒捕捉微流控芯片制作与封装

4.1 引言

4.2 芯片加工方案的设计及材料选择

4.3 微流控芯片微电极制备

4.3.1 湿法刻蚀原理

4.3.2 ITO湿法刻蚀制备电极

4.3.3 电极烧伤实验

4.4 PDMS微通道的制备

4.5 微流控芯片U形柱及其基板上微通道制备

4.5.1 SU-8胶显影原理

4.5.2 U形柱制备流程

4.6 微流控芯片U形柱与微电极的对准键合

4.6.1 微电极与SU-8U形柱对准微操作平台设计

4.6.2 PDMS基底和盖板的键合

4.7 本章小结

第5章 双颗粒捕捉微流控芯片实验研究

5.1 引言

5.2 双颗粒捕捉微流控芯片实验系统搭建

5.2.1 微流控芯片电路设计

5.2.2 微流控芯片流体控制系统设计

5.2.3 微流控芯片实验平台搭建

5.3 实验方法设计

5.4 微流控芯片双颗粒捕捉实验

5.4.1 用SU-8U形柱对颗粒A的捕捉实验及实验结果分析

5.4.2 颗粒A与颗粒B频率特性试验

5.4.3 上加通道的B颗粒捕捉

5.4.4 双颗粒的顺序捕捉实验

5.5 实验结果讨论

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢