基于介电泳的船舶压载水中微藻分离芯片研究

摘要

船舶压载水中携带的细菌、微藻等生物被排放到新的海域，严重威胁了海洋的生态环境。为了保护海洋生态环境，船舶压载水处理过程中需要对压载水中的微藻细胞进行检测。然而实际检测过程中的样品并非纯净的样品，所以检测前的前处理工作至关重要。检测前能够将目标样品从杂质中分离出来，一方面不仅关系到微藻检测的准确性，而且关系到压载水检测的效率。另一方面当船舶压载水需要高精度检测或高浓度检测时，能够将检测目标分离并且浓缩为高浓度样品对检测来说就至关重要。针对以上的问题，本文设计了基于介电泳的船舶压载水中微藻分离芯片，在微流控芯片内嵌入3D微电极实现微藻细胞与尺寸相近的杂质（聚苯乙烯微粒）高通量、自动连续的分离。
　　首先从介电泳理论的分析中得出中性粒子在非均匀电场中受到介电泳力的公式，分析聚苯乙烯微粒的频率响应曲线，并得出微藻细胞与聚苯乙烯微粒的受介电泳力的差异，通过对微粒的受力分析得出了粒子的位置方程和速度方程。其次设计了具有三层结构的分离芯片模型，并简化分离芯片为二维的仿真模型，分别对通道内的电势、电场强度以及介电泳力的分布进行仿真，仿真出不同尺寸的微粒分离情况。然后根据分离芯片的模型，利用半导体制作工艺中的光刻和刻蚀工艺制作出ITO(Indium Tin Oxide)玻璃基底，利用软光刻工艺制作出微电极和PDMS(Polydimethylsiloxane)微通道，将三层结构封装成密封性良好的分离芯片。最后搭建分离系统，并对实验样品进行配置，在分离芯片未封装之前，确定分离实验的交流电压的幅值及频率等参数的参考范围，分离芯片封装后分别对单种微粒的运动，两种不同尺寸微粒分离，微藻与微粒的分离进行实验。
　　本文在上述的分离系统中实现了微藻细胞与尺寸相近的杂质（聚苯乙烯微粒）的分离实验。为船舶压载水在实际的检测前处理中从更为复杂样品中分离出目标样品奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微生物及微粒分离技术研究现状

1．2．2 介电泳技术研究的国内外现状

1．3 本论文的主要研究内容

第2章 介电泳微粒分离的理论分析

2．1 介电泳的基本理论

2．1．1 偶极矩及其受力分析

2．1．2 介电泳力

2．1．3 交流电场中介电泳力

2．2 微粒的介电泳力分析

2．2．1 聚苯乙烯微粒频率响应分析

2．2．2 微藻频率响应分析

2．3 微粒所受其他作用力

2．4 微粒所受合力分析

2．5 本章小结

第3章 介电泳分离芯片设计及仿真研究

3．1 分离芯片的结构设计

3．2 分离芯片的仿真模型建立及边界条件设置

3．2．1 分离芯片仿真模型建立

3．2．2 边界条件及主要参数的设置

3．3 主通道电势、电场强度及介电泳力仿真

3．3．1 分离芯片内的电势分布

3．3．2 分离芯片内的电场强度分布

3．3．3 分离芯片内的介电泳力

3．4 分离芯片内绝缘体形状的影响

3．5 分离芯片内部结构参数分析

3．5．1 分离芯片主通道宽度参数

3．5．2 分离芯片微电极之间间距的参数

3．5．3 分离芯片绝缘三角形高度参数

3．6 分离芯片内的流场及微粒的运动轨迹仿真

3．6．1 分离芯片内的流场

3．6．2 分离芯片主通道内微粒的运动轨迹

3．7 本章小结

第4章 分离芯片的制备

4．1 基底的选材与制备流程

4．1．1 基底的材料选择

4．1．2 分离芯片基底的制备流程

4．2 顶端微流体通道层与微电极的选材与制备流程

4．2．1 顶端微流体通道层的选材

4．2．2 微电极的选材

4．2．3 微电极的制备流程

4．2．4 顶端微流体通道层的制备流程

4．3 分离芯片的封装与集成

4．4 本章小结

第5章 船舶压载水中微藻分离芯片的实验研究

5．1 微藻分离系统的搭建

5．2 实验目标样品的准备

5．2．1 盐藻细胞样品溶液的制备

5．2．2 聚苯乙烯微粒样品溶液的制备

5．3 交流电压信号的幅值与频率参数分析

5．4 分离实验结果分析

5．4．1 单种聚苯乙烯微粒运动

5．4．2 两种聚苯乙烯微粒分离

5．4．3 微藻细胞与聚苯乙烯微粒分离

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介