生物细胞介电电泳运动控制机理及细胞排列生物芯片的研究

摘要

细胞操作技术对细胞的研究起到了重要的推动作用，介电电泳具有非接触、易控制优点，为细胞研究提供了一种无损操作方法。本文以介电电泳技术和微流控芯片为基础，分析了生物细胞介电电泳运动控制机理，设计了细胞阵列化排列生物芯片，并在实验上实现了细胞阵列化排列，对细胞的高通量检测和细胞间相互作用的研究具有一定的理论意义和应用价值。本文主要研究内容如下：
　　首先，对介电电泳的基本理论和细胞的介电电泳运动控制机理进行了分析。分析推导了交流电场中粒子的介电电泳力的公式，并研究了电场频率、溶液的电导率和介电常数对介电电泳的影响；然后根据细胞的特点，分析了多层式结构球体的介电电泳响应；最后分析了流体中的粒子受力情况，为细胞的介电电泳运动控制奠定了理论基础。
　　其次，根据介电电泳的原理，设计了细胞排列介电电泳芯片的整体结构，芯片为三层结构，顶部和底部均为电极层，中间为微通道。采用COMSOL Mutiphysics仿真分析了芯片中的电势、电场强度及介电电泳的分布，并优化了芯片的结构参数，确定了电极的宽度为20μm，间距为40μm，顶部和底部电极的间距为50μm。
　　结合微流控芯片的特点，加工与封装介电电泳细胞排列芯片。介绍了ITO电极和PDMS通道的加工工艺过程，最后给出介电电泳细胞排列芯片的封装方法。
　　再次，结合介电电泳芯片的特殊需求，搭建了介电电泳实验系统；然后对酵母菌细胞进行了正、负介电电泳操控实验，并讨论了交流电压的幅值、频率以及溶液电导率等因素对酵母菌细胞介电电泳的影响。实验发现，酵母菌细胞的介电电泳响应符合双层模型，随电场频率的增加，依次经历了负介电电泳、正介电电泳及负介电电泳三个阶段，确定细胞排列实验的交流电压频率为1 MHz，幅值为8 Vp-p，溶液的电导率为5μS/cm。
　　最后，在优化选取介电电泳操控参数下，应用加工的细胞排列芯片对酵母菌细胞进行了排列实验，酵母菌细胞受到正介电电泳力，向电场较强的区域运动，即顶部电极和底部电极的交叉点处，验证了芯片对细胞排列的可行性。

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1绪 论

1.1课题研究背景与意义

1.2生物微纳操作技术的研究现状

1.3本论文的主要工作

2介电电泳基础理论与控制机理分析

2.1介电电泳工作原理

2.2介电电泳的影响因素

2.3多层球壳模型对介电电泳的影响

2.4粒子的其他作用力

2.5粒子的运动分析

2.6本章小结

3介电电泳细胞排列生物芯片的设计与优化

3.1介电电泳芯片的结构设计

3.2介电电泳芯片的仿真模型及边界条件

3.3介电电泳芯片结构参数的优化

3.4芯片内部电势、场强和介电电泳力方向分布

3.5本章小结

4介电电泳细胞排列生物芯片的加工

4.1芯片加工材料的选择

4.2 ITO微电极图案的加工

4.3 PDMS微流体通道的加工

4.4介电电泳芯片的封装

4.5本章小结

5介电电泳生物芯片细胞排列实验

5.1实验系统的建立及细胞准备

5.2细胞的介电电泳操控实验及参数优化

5.3细胞的介电电泳排列实验及分析

5.4不同电压配置下的细胞介电电泳排列实验

5.5本章小结

6结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致 谢