面向双颗粒捕捉的介电电泳微流控芯片研究-机械电子工程专业毕业论文.docxVIP

Classified Index: TH79 U.D.C: 602 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON TRAPPING TWO PARTICLES BY DIELECTROPHORESIS-BASED MICROFLUIDIC CHIP Candidate： Li Shaoqian Supervisor： Prof. Chen Liguo Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学硕士学位论文 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学硕士学位论文 - - I - - - PAGE VI - 摘 要 微流控芯片(Microfluidics)是研究在微米尺度的结构中对微量液体样品进行控 制的技术，致力于实现常规化学或生物医学实验室各种生化分析平台的微型化， 具有样品消耗量小、设备体积紧凑且易于集成的特点，在化学分析和生物检测领 域有着广泛的潜在应用。微流控芯片领域中最重要的研究内容之一是对液体中的 微颗粒进行捕捉、操纵和分离。 在细胞 融合过 程中一 个重 要前提 就是完 成对 来源不 同的两 个细 胞 的配对捕 捉，本文在微流控芯片颗粒捕捉技术的基础上，针对在细胞捕捉过程中难以 实现 对两个大小不同颗粒进行批量化配对捕捉的技术难题，设计制作了一种基于介电 电泳(DEP)的双颗粒捕捉微流控芯片，该芯片具有捕捉配对率高、批量化、操作简 便等特点。 首先，对微流控芯片双颗粒捕捉的机理进行了研究。根据偶极矩理论推导了 介电电泳力的表达式，得出影响介电电泳力的主要参数。计算了镀金微球的频率 响应曲线；对芯片中的颗粒进行了受力分析，得出对颗粒运动影响较大的DEP力和 Stokes力，推导了颗粒在芯片中的运动方程。最后在理论分析的基础上提出一种用 于捕捉大小不同的双颗粒的芯片设计。 其次，在对双颗粒颗粒捕捉机理研究的基础上 ，设计了用于双颗粒捕捉的微 流控芯片。在建立芯片物理模型后，利用有限元分析软件对芯片进行数值仿真。 根据仿真结果对芯片的电极尺寸、形状进行了优化设计，得出芯片最优结构和控 制参数。此外，还对芯片的电场、流场进行仿真分析，验证了芯片能够按照预定 设计实现所需要的功能。 随后，利用MEMS加工工艺加工微流控芯片。采用ITO玻璃作为基板材料，利 用湿法刻蚀技术刻蚀出所需的电极阵列，并在其上制作了半封闭的PDMS微通道， 然后用光刻法在玻璃上加工出所需的SU-8微结构以及半封闭的SU-8通道，最后将 带有SU-8微结构的盖板与带有PDMS微通道的基板对中，用氧等离子体技术键合形 成所需的微流控芯片。 最后，搭建微流控实验平台，进行颗粒捕捉试验研究。设计并 搭建颗粒捕捉 所需的电信号和流体控制系统，首先实现对其中任一种颗粒的单独捕捉，然后实 现了颗粒A与颗粒B的配对捕捉，颗粒A捕捉成功率97%，配对捕捉成功率75%。研 究了电场频率、电压、流体流速对颗粒捕捉的影响。最后，讨论了颗粒B可能出现 的捕捉位置，分析了颗粒间的相互作用力可能对双颗粒捕捉的影响。 关键词：颗粒捕捉；微流控芯片；介电电泳；数值仿真；MEMS工艺 Abstract Microfluidics is the technology that used to study the control of tiny liquid sample in the structure with micron-scale. It is committed to achieve the miniaturization of biochemical analysis platforms in conventional chemical or biomedical laboratories. With the features of small consumption quantity, compact structure and good integration ability, microfluidics has a wide range of applications in the fields of chemical analysis and biological te