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基于微流控芯片单球探针的捕获研究

2020-12-08阅读(317)

基于微流控芯片单球探针的捕获研究

论文摘要

生物传感是通过特定生物分子识别和信号转换元件将目标识别转化为可测量的光电增强信号,实现分子水平的高灵敏度检测,推动以分子特征变化为基础的生化检测技术的发展。在众多生物传感方式中、以单球探针为平台实现定点检测的方法受到研究者的高度重视。单球探针的精确控制、与待测样本的有效混合是实现定点检测的关键。虽然传统方式可以实现流体的有效混合,但是单球探针体积微小,很难实现精确控制。微流控芯片因具有相容的长度体积比,非常适合单粒子操纵。微混合器可以克服层流状态下微流体混合缓慢而低效的缺点,实现传统方式无法实现的快速高效混合。将微流控技术与介电电泳技术相结合可以精确的控制微纳米粒子的运动轨迹以实现单粒子的精确操纵。本文对芯片中流体的运动状态和粒子的受力特征进行分析,设计具有混合与捕获功能的微流控芯片,以实现单球探针的精确性控制,为样本的定点检测奠定基础。本文首先探讨了基于介电泳力的单粒子捕获机理。以单诱导偶极子模型为基础推导出球型粒子所受介电泳力表达式。利用均质模型研究了聚苯乙烯微球的频率响应特性,分析了介电泳力的类型与频率、粒径以及悬浮介质电导率之间的关系。并对粒子进行受力分析,忽略对粒子轨迹影响较小的作用力,为简化数值模型提供理论依据。其次利用微流控技术、介电电泳原理以及被动式微混合器设计规则,设计了单球探针捕获芯片。一方面利用数值仿真方式求解三维Navier-Stokes方程和对流扩散方程,分析了流体在微通道内的流动形式及浓度分布特征,通过评估不同流速下的混合效率指数和压降,确定最佳的微混合器结构设计。另一方面通过求解Maxwell方程分析电场分布特征,通过改变电极周围的电阻率和介电常数诱导电场发生畸变,使得场强主要分布在预设区域以实现单粒子的定点捕获。3D数值仿真结果从理论上验证该芯片不仅能实现流体间的快速高效混合,而且可通过绝缘子结构来改变电场的分布状态。通过调整流体的注入速度以及外加电场的大小、频率实现了单粒子定点捕获,为后续实验研究提供参考数据。最后利用制备的微流控芯片为实验操作平台,通过注射泵控制注射器的注入速度,将去离子水和染色的无水乙醇通过不同的入口同时注入微通道内,实验验证了该微流控芯片对层流流体快速混合的有效性。然后利用注射泵将聚苯乙烯微球悬浮液注入微通道内,通过调整函数信号发生器的输出电压和频率控制作用在微球上的介电泳力,实验结果也验证了该微流控芯片定点捕获单粒子的可行性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 研究目的和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 微混合器的研究现状
  •     1.2.2 基于微流控芯片微粒子操纵的研究现状
  •   1.3 研究内容
  • 2 基于介电电泳粒子捕获原理
  •   2.1 介电泳力
  •     2.1.1 DEP理论
  •   2.2 Clasusius-Mossotti因子
  •     2.2.1 均质粒子的Clasusius-Mossotti因子
  •     2.2.2 非均质粒子的Clasusius-Mossotti因子
  •   2.3 粒子的频率响应特性分析
  •   2.4 微流体中粒子受力分析
  •     2.4.1 DEP力
  •     2.4.2 斯托克斯-托曳力
  •     2.4.3 重力、浮力和布朗力
  •   2.5 本章小结
  • 3 具有多边形混合腔的被动式微混合的研究
  •   3.1 微混合器结构模型
  •     3.1.1 几何结构设计
  •     3.1.2 数值模型
  •     3.1.3 混合性能评估参数
  •   3.2 网格剖分与优化
  •     3.2.1 网格剖分结构
  •     3.2.2 网格独立性研究
  •   3.3 混合性能分析
  •     3.3.1 流场分析
  •     3.3.2 浓度分布特征分析
  •     3.3.3 牙型角对混合性能的影响
  •   3.4 本章小结
  • 4 基于介电泳力粒子捕获芯片的设计与仿真
  •   4.1 介电泳力芯片结构设计与网格独立性研究
  •     4.1.1 芯片结构设计与仿真模型建立
  •     4.1.2 模型网格剖分与网格独立性研究
  •   4.2 基于介电泳力的粒子捕获芯片的数值仿真
  •     4.2.1 边界条件设置
  •     4.2.2 电场分布特征
  •     4.2.3 介电泳力分布特征
  •   4.3 PS微球的运动轨迹
  •   4.4 本章小结
  • 5 微流控芯片的制备与实验研究
  •   5.1 微流控芯片的制备
  •     5.1.1 微流控芯片的设计
  •     5.1.2 微电极及SU-8圆角长方体的制备
  •     5.1.3 微流控芯片的微通道制备及封装键合
  •   5.2 微流体混合与微粒子捕获实验研究
  •     5.2.1 微流控实验操纵平台系统搭建
  •     5.2.2 溶液配制与微流控系统连接
  •     5.2.3 流体混合实验结果分析
  •     5.2.4 无绝缘子结构粒子捕获实验结果分析
  •     5.2.5 含绝缘子结构粒子捕获实验结果分析
  •   5.3 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘江涛

    导师: 洪昕

    关键词: 微混合器,介电电泳,微流控芯片,单球探针,绝缘子

    来源: 大连理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 生物学,无线电电子学,自动化技术

    单位: 大连理工大学

    分类号: Q503;TN492;TP212.3

    DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000312

    总页数: 67

    文件大小: 3509K

    下载量: 35

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