基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究

摘要

生物粒子的快速分离和提纯在医学诊断、生化分析和水质监测等领域有重要的现实意义。目前常用的分离方法和技术包括离心分离法、色谱分析法、流式细胞法和介电泳分离技术。基于介电泳技术的微流控芯片以其低损耗、易集成、低成本、快速分离等优点成为粒子操控与分离的一种重要手段，尤其在生物细胞的分离、提纯和分析中有重要的实用价值。
　　本文调研了国内外介电泳芯片的研究现状及分离芯片的分类，在前人设计的基础上对分离芯片结构进行改进。采用文献和实验研究相结合的方法，仿真模拟出不同结构形状电极对粒子操控分离的影响，旨在通过优化分离芯片的结构，提高人体活死红细胞的分离效率。本文开展的具体研究工作包括：
　　首先，对球形粒子在非匀强电场中的受力过程进行分析，在此基础上推导了介电泳力及行波介电泳力的数学表达式。抽象出细胞的球形模型，利用MATLAB计算出活死细胞的Re（K)、Im（K)值随频率的变化曲线。利用COMSOL仿真软件，对芯片的电极结构、形状进行仿真，确定最终的电极结构。模拟电场的分布及粒子在微流体通道中的运动轨迹。在此基础上进一步优化电极结构，确定了分离芯片的结构参数。
　　然后，对分离芯片的基底材料和微流体材料进行选择，经对比分析，最终确定玻璃作为基底材料，聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）作为微流体材料。介绍微流体和电极阵列的具体加工过程，试剂、材料和仪器的使用，以及相关参数的确定。实现分离芯片的基底与微流体通道的等离子键合；利用金丝球焊机引线实现了分离芯片与PCB的封装。
　　最后，本文设计制作了芯片分离区域的控制电路，搭建了实验测试系统平台。利用介电泳分离芯片对人体活死红细胞进行操控分离实验，在芯片的不同区域实现了活死细胞的操控与分离，结果表明该芯片对细胞有较好的操控与分离效果。本文为介电泳与行波介电泳的结合使用提供了全新的思路，具有进一步的研究价值。