微粒与微流体交流电动操控机理及实验研究

摘要

微流控芯片系统是随着微机电系统加工技术的发展而迅速崛起的一项高新技术，它是将样品制备、生化反应、分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种多学科交叉技术。鉴于该技术在疾病检测、药物筛选、食品监督、环境保护和司法鉴定等应用上的巨大潜力，世界各国纷纷投入大量人力物力对其进行研究，力图抢占该领域研究的制高点。
　　微粒与微流体的操控技术是微流控芯片系统中最核心的内容，传统技术诸如机械、超声、磁场等虽然被广泛应用于上述操控，但其体积庞大、价格昂贵、精度较低且不易集成。而微粒与微流体的交流电动操控具有低耗、廉价、无创、能实现在线监测以及易与其它流体器件集成等优点，因此备受青睐。尽管该方面研究已经广泛开展，但以待操控对象在电场中的极化与受力为基础，对不同周期细胞膜电容与膜电导的检测、具有电导率梯度的两相微流体操控以及金属表面良导体微球的交流电动特性等研究却涉及较少，而上述研究对实现细胞所处生理周期的快速甄别、不同性质微流体的高效分选以及微流控系统中的电磁导向与药物输送等研究均具有重要意义，因此本文针对上述问题展开。
　　为了对不同细胞周期的细胞膜电容与膜电导进行快速检测，以介电泳和电旋转技术为手段，进行了处于不同细胞周期的细胞膜电容与膜电导检测研究。推导了电旋转低频峰值转速所对应频率以及正、负介电泳力之间转换频率的表达式，并以此为基础推导细胞膜电容和膜电导与溶液电导率之间的函数关系式。设计并制备了星型微电极结构，搭建实验平台，选择与人体正常体细胞接近但进行永生化处理的HEK293细胞以及典型恶性肿瘤细胞HELA进行交流电动操控研究，培养处于分裂间期中的G1和S期细胞样品。以上述样品为操控对象，进行电旋转和介电泳实验，并得出实验结果。分析电旋转与介电泳技术在细胞膜电容与膜电导检测方面的优劣性，并对比分析两类细胞处于G1期和S期时，细胞膜性质的差异，进而为处于不同周期细胞的快速甄别提供一种有效手段。
　　细胞以及其它微粒实验过程中，如果利用电场进行样品驱动时，不同种流体交界面会产生一定的电导率梯度，在电场作用下交界面将被极化进而受到力的作用，对样品传输、生化反应等过程产生影响，严重时将导致实验失败。为了分析其机理及主要影响因素，建立了具有电导率梯度的两相微流体操控二维理论模型，推导了交界面处所受库仑力的表达式，揭示了两相微流体的交流电动操控机理。进行了二维以及三维仿真分析，并着重分析了电压、频率以及电导率等对于实验结果的影响。研究了实验用微通道的封装工艺，进行了两相微流体交流电动操控实验，并与仿真结果进行了对比分析。这一研究对微流控系统中的样品传输、不同性质流体的电动分选以及减小流体不稳定性等方面具有重要意义。
　　细胞或两相微流体的研究，均以非导体在电场中的极化作用为基础展开，而有关金属微粒等良导体的电动特性实验研究则较少。但是金属微粒在微流控芯片系统中的电磁导向、药物输送等方面具有不可替代的优势。利用晶种法，在直径分别为10μm、25μm和45μm聚苯乙烯微球以及直径为11μm长度为47μm的SU-8圆柱表面进行了镀金研究，提出了一种微粒表面镀金新方法，并对镀金过程进行了分析与简化。以表面镀金微球为研究对象，进行了电旋转以及介电泳实验研究，发现了表面镀金微球在实验频率范围内只有一个低频峰值的新奇现象，揭示了其相关机理。推导了表面镀金微球的介电泳速度以及电旋转角速度公式，并对实验结果与理论曲线进行了对比分析。
　　表面镀金微球以其良好的导电性，非常适合于微流控系统中关键部件的连接，并能有效实现微流控芯片系统的自动化与集成化。研究了直径为10μm微球镀金前后的介电性质变化，进行了二者的介电泳快速分离实验。指出利用介电泳力能够操控表面镀金微球形成微导线，并开展了相关实验研究。以表面镀金SU-8微柱为研究对象，选择两组不同间距的平行电极进行微导线构成实验，并对导线的电学性质进行了测试。利用全氟十二烷硫醇对表面镀金 SU-8微柱进行修饰，并对其进行拉曼光谱检测，并验证修饰效果。进行了平行电极间的微导线构成实验，并将其电学性质与未修饰镀金微柱进行了对比研究。

目录

微粒与微流体交流电动操控机理及实验研究

MECHANISM AND EXPERIMENTAL RESEARCHOF AC ELECTROKINETIC MANIPULATION OFMICROPARTICLES AND MICROFLUIDS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究的主要内容

第2章 细胞的交流电动操控机理及实验研究

2.1 引言

2.2 理想微球及壳状结构微球(细胞)电动性质分析

2.3 细胞膜电容与膜电导检测理论基础

2.4 细胞交流电动操控用实验系统搭建

2.5 细胞交流电动操控实验结果

2.6 分析与讨论

2.7 本章小结

第3章 两相微流体交流电动操控机理及实验研究

3.1 引言

3.2 两相微流体操控实验系统搭建

3.3 两相微流体操控机理分析

3.4 二维仿真研究

3.5 两相微流体操控三维仿真研究

3.6 两相微流体交流电动操控实验结果

3.7 分析与讨论

3.8 本章小结

第4章 面向良导体交流电动研究用表面镀金微粒制备

4.1 引言

4.2 微粒表面镀金用实验材料

4.3 微粒表面镀金实验步骤

4.4 微粒表面镀金结果对比分析

4.5 镀金过程分析与简化

4.6 SU-8 圆柱表面镀金

4.7 本章小结

第5章 表面镀金微球交流电动操控机理及实验研究

5.1 引言

5.2 双电层基础

5.3 表面镀金微球电旋转机理分析

5.4 表面镀金微球电旋转及介电泳速度公式

5.5 镀金微球交流电动实验用材料与方法

5.6 电旋转及介电泳实验结果

5.7 实验结果分析与讨论

5.8 本章小结

第6章 表面镀金微粒的微导线构成实验研究

6.1 引言

6.2 微球的介电泳分离实验

6.3 电场分布仿真

6.4 微导线构成实验

6.5 表面镀金SU-8 圆柱微导线构成及性质检测

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历