基于介电电泳的连续流细胞分离生物芯片研究

摘要

生物芯片技术由于具有分析快速、样品用量少、灵敏度高、易于集成和自动化等优点，自问世以来，就得到了人们的普遍关注。基于介电电泳原理的生物芯片作为一种重要的生物芯片，它利用在外加电场下生物粒子之间及生物粒子与分离溶液间不同的介电响应对它们进行分离、操控、输运等操作。介电电泳生物芯片技术具有高效、高分辨率、低污染以及提取的样本信息多等优点，在生命科学、分析化学等诸多领域已得到了广泛的应用，在生化样品分析，尤其是细胞分离、分析中具有相当重要的研究意义和实用价值。
　　本课题来源于国家“863”计划“生命科学微量样品自动化设备”项目，研究用于样品制备的介电电泳生物芯片，要求该芯片具有处理速度快，易于实现自动化、微型化等特点。
　　首先对介电电泳现象的机理进行研究，根据偶极距理论推导了介电电泳力的表达式，并由此总结出介电电泳力的调控参数特性。对聚苯乙烯小球和活、死酵母细胞进行了介电电泳频谱分析，并以此为基础，对多重频率介电电泳理论进行了研究，得出利用多重频率介电电泳进行细胞分离的原理。
　　根据理论分析得出的结论，设计了适合介电电泳生物芯片的主要结构，并对其进行仿真分析，分析研究了芯片内部电势、场强和介电电泳力的分布情况，并以提高分离效率为原则，对芯片内部支线隧道壁形状进行优化，探讨了平板电极代替立体电极的可行性。根据仿真分析的结果最终确定芯片的结构并对芯片内部的电热流场、热场、流场和介电电泳力的分布进行分析以确保芯片能够完成指定功能。
　　根据芯片的结构和功能，选择 PDMS作为制作芯片微隧道的材料，采用光刻法加工 SU-8制作出PDMS隧道的模具，再用PDMS快速成型技术制作出微隧道，用ITO玻璃作为芯片的基底材料并在其上通过刻蚀技术将 ITO加工成所需的电极阵列，最后利用氧等离子键合技术实现对芯片盖片材料和基片的键合，完成芯片的制作。
　　利用制备出的芯片进行了实验研究，搭建实验所需的电源控制系统和流体控制系统，并组成实验平台，利用此平台进行了聚苯乙烯小球的聚焦、偏移实验，研究并分析了电压对实验效果的影响，通过进行聚苯乙烯小球和酵母细胞的分离实验，验证了本文所提细胞分离方案的可行性。

目录

基于介电电泳的连续流细胞分离生物芯片研究

RESEARCH ON CONTINUOUS CELL SEPARATION BIOCHIP USING DIELECTROPHORESIS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 介电电泳芯片常用电极形状及发展现状

1.2.2 介电电泳分离芯片的分类

1.3 课题来源

1.4 课题的主要研究内容

第2章 基于介电电泳细胞分离生物芯片理论基础

2.1 引言

2.2 偶极矩理论

2.3 交变电场中夊介电系数的定义及表达式

2.4 介电电泳力的推导及分析

2.5 上同微粒的介电电泳频谱分析

2.5.1 聚苯乙烯微粒的介电电泳频谱分析

2.5.2 酵母细胞的介电电泳频谱分析

2.6 多重频率介电电泳

2.7 粒子受到的其它力的分析

2.8 本章小结

第3章 基于介电电泳细胞分离生物芯片的设计与仿真

3.1 引言

3.2 芯片模型的建立及边界条件设置

3.3 芯片内部电势、场强和介电电泳力方向分布及分析

3.4 芯片绝缘体形状的优化

3.5 芯片电极宽度及支线隧道壁宽度对分离效果的影响

3.6 平板电极代替立体电极的可行性分析

3.7 最终确定的芯片结构及其分析

3.8 本章小结

第4章 基于介电电泳细胞分离生物芯片的加工

4.1 引言

4.2 芯片加工材料的选择

4.3 PDMS的结构和性能

4.3.1 PDMS的结构

4.3.2 PDMS性能

4.4 微隧道设计制作

4.4.1 加工PDMS微流控芯片的模具

4.4.2 SU-8胶光刻制备模具

4.5 PDMS快速成型

4.6 微电极设计制作

4.6.1 电极的位置和结构

4.6.2 ITO微电极的光刻工艺

4.7 PDMS盖片——玻璃基片键合工艺

4.8 本章小结

第5章 基于介电电泳细胞分离生物芯片实验研究

5.1 引言

5.2 电源控制系统的建立

5.3 流体控制系统的建立

5.4 芯片与外界的连接技术

5.5 实验系统的建立

5.6 实验结果与讨论

5.6.1 聚苯乙烯小球的聚焦

5.6.2 聚苯乙烯小球的偏移

5.6.3 聚苯乙烯小球与酵母细胞的分离

5.7 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