基于膜阻抗及电化学分析的生理检测平台芯片参数优化及驱动单元设计

摘要

目前，随着对细胞及微生物生理研究的不断深入，生物检测传感技术已广泛应用于药物筛选、食品安全、生命信息等领域。其中生物膜阻抗传感器在检测微生物或细胞群的生理活动信息中发挥着重要的作用，并随着电化学、微电子、材料学等相关领域新技术的出现朝着微型化、阵列化、高灵敏度等方向发展[1]。与微生物活动休戚相关的生理环境变化，如药物浓度、毒性物质等则主要采用电化学分析方法进行检测分析。
　　本论文从生物膜阻抗传感和电化学分析技术的背景现状出发，引出传感电极阵列的表面处理在电生理分析和药物筛选中的重要意义，因此采用Monte-Carlo模型深入分析了表面处理中纳米粒子贴附于电极上的过程，从量化的角度对不同形状大小的电极进行表面处理结果的分析；在上述研究基础上结合生物膜阻抗传感器与电化学分析技术设计了生理检测平台，并对连接两检测环境的关键器件——驱动泵采用有限元分析方法进行了静力场、动力场与流体场的综合分析，主要工作如下：
　　针对电极的表面处理研究部分，目前对于电极表面处理的效果还没有较直观的理论仿真测试，无法判断电极经过表面处理后电极表面镀膜的粒子是否均匀，贴附是否有效，也无法分析不同尺度、不同形状的电极阵列贴附率之间的差异性，这些量化数据的缺失导致电生理实验缺乏可重复性，成为生物传感器快速分析的瓶颈。为了能直观、量化地分析电极表面处理的效果，本文根据电镀铂黑原理重点研究了纳米粒子贴附于电极表面上的过程，提出了一种基于Monte-Carlo模型的网格搜索算法，给出了运算优化策略，实现了在理想实验条件下快速模拟一个数量级内均匀分布的粒径分散度在20~200 nm范围内的纳米粒子贴附于电极上的过程。在电极半径为100μm的尺度下，将单次建模计算时间从未优化前的平均2 h缩减至0.05 h，大大加快了整个建模过程。并用上述方法研究了在单/多层纳米粒子表面处理时，不同电极尺寸、形状对粒子贴附率和处理均一性的影响。结果表明在理想实验条件下随着电极尺寸的增大，纳米粒子有效贴附率增大，均匀化程度升高，有利于电极阵列重复性的定量评估。在相同电极面积条件下，圆形电极的表面贴附率效果优于方形等形状的电极。实验结果为传感器电极阵列的优化、后期多层纳米粒子表面处理的电学表征模型以及基于有限元的电极电荷分布模型提供了实验基础，并提高了多任务表面处理的有效性和针对性。
　　针对基于阻抗技术与电化学分析技术的联用检测平台，设计的整个平台由微泵、生物膜阻抗传感器检测阵列、电化学多通道代谢液检测阵列、电化学工作站及处理器组成。为了能精确、实时反映目标药物对生物膜贴附的变化、代谢成分等生理情况的影响，本文针对平台的关键驱动单元——微泵，采用有限元设计方法进行了静模态、被动微阀优化以及流域运动的综合分析，确保微泵泵入泵出流量的精确性和可控性。研究结果表明在设计的微泵结构参数下，微泵在施加20 Hz，?40 V驱动电压时的流量为52.864μL/min，符合实验精度要求，并得到流量、电压及频率的关系式来控制流量的变化；在该基础上对微泵被动微阀做了力学特性分析与优化设计，得到阀臂梁优化尺寸为0.4mm×0.5 mm，使其既有较大的形变量又可承受较大的水流压力；最后以商用PSS20型微泵为仿真对象做了验证性实验，仿真流量对实际流量的误差率为6.7％，证明了分析方法的可行性和准确性，为后期微泵的制作、改进以及多参数、便携化检测平台的搭建提供了良好的设计参考。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引言

1.1 生物膜阻抗传感器研究

1.2 电化学分析法

1.3 微生物生理检测平台设计

1.4 论文的主要研究内容

第二章 微电极的表面处理

2.1生物膜阻抗电极的表面处理

2.2 基于电化学分析技术传感器的表面处理

2.3本章小结

第三章 纳米粒子贴附的Monte-Carlo模型

3.1常规化粒子贴附于电极的MC算法

3.2优化后的MC算法描述

3.3 模拟算法实现步骤

3.4模拟结果与讨论

3.5 电流密度对表面处理的影响

3.6本章小结

第四章 基于生物膜阻抗及电化学分析的联用平台核心—微泵设计

4.1微生物生理检测平台概述

4.2微泵及检测单元结构设计

4.3微泵结构参数的分析

4.4实验验证性分析

4.5本章小结

第五章 初步试验结果

5.1阻抗传感器电极表面处理

5.2电化学分析传感器电极表面处理

5.3本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

附录