細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)芯片的介電力場(chǎng)計(jì)算模型及系統(tǒng)構(gòu)建.pdf

1、生物芯片技術(shù)是90年代中期以來(lái)影響最深遠(yuǎn)的重大科技進(jìn)展之一，是融微電子學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新技術(shù)，具有重大的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景。介電電泳芯片（Dielectrophoresis Chip, DEP Chip）技術(shù)作為一種重要的生物芯片技術(shù)，具有對(duì)生物體無(wú)損傷性以及快速、易與微系統(tǒng)合成等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為生命科學(xué)、分析化學(xué)等諸多領(lǐng)域中操控微系統(tǒng)內(nèi)生物液體的主要手段。隨著人們對(duì)該技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷

2、深入，各種不同用途的采用了該技術(shù)的微系統(tǒng)器件被制作出來(lái)。其中,利用生物顆粒在旋轉(zhuǎn)交流電場(chǎng)中電旋轉(zhuǎn)頻譜特性檢測(cè)其電學(xué)參數(shù)的電旋轉(zhuǎn)芯片已大量使用在生物細(xì)胞活性檢測(cè)、細(xì)胞電導(dǎo)數(shù)及細(xì)胞膜電容的測(cè)量等篩選、監(jiān)測(cè)和測(cè)量的研究領(lǐng)域。
　　 本論文的研究工作主要包括：利用SCM方法對(duì)電旋轉(zhuǎn)芯片的電場(chǎng)分布進(jìn)行精確的解析解求解；對(duì)獲得的介電力場(chǎng)分布進(jìn)行誤差分析，得到各區(qū)域的測(cè)量誤差范圍；對(duì)電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差進(jìn)行相關(guān)分析并給出校正方案；對(duì)電旋

3、轉(zhuǎn)芯片中生物顆粒運(yùn)動(dòng)的成因及影響進(jìn)行了研究；進(jìn)而推導(dǎo)出了適用于介電電泳芯片設(shè)計(jì)的普適方程。在理論研究上，本文首次采用SCM方法和電場(chǎng)疊加的方法對(duì)電旋轉(zhuǎn)芯片中處于不同電信號(hào)相位的電場(chǎng)分布作了解析求解，并通過(guò)解得的介電力場(chǎng)分析了生物顆粒在電旋轉(zhuǎn)芯片中的運(yùn)動(dòng)成因，發(fā)現(xiàn)介電力場(chǎng)中兩個(gè)介電力阱會(huì)隨著電信號(hào)相位而周期改變位置是電旋轉(zhuǎn)芯片中生物顆粒運(yùn)動(dòng)的主因。
　　 本文進(jìn)一步通過(guò)介電力場(chǎng)分布和電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分布進(jìn)行了電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)驗(yàn)中測(cè)量誤差的區(qū)

4、域分析。通過(guò)測(cè)量誤差的分析定義了一個(gè)適合電旋轉(zhuǎn)測(cè)量的置信空間，該區(qū)域可定義為圓心在原點(diǎn)處、半徑為環(huán)形電極的36％的一個(gè)圓形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大誤差在5％以?xún)?nèi)。綜合考慮介電力場(chǎng)對(duì)微粒擺動(dòng)的影響后，該區(qū)域則可以定義為圓心在原點(diǎn)處、半徑為環(huán)形電極的30％的圓形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)介電力場(chǎng)隨著電信號(hào)相位的改變的波動(dòng)幅度小于25％。該結(jié)果在本文中通過(guò)搭建的電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 由于本文中提出的基于SCM的電旋

5、轉(zhuǎn)芯片電場(chǎng)計(jì)算方法具有快速、精確和計(jì)算量小的特點(diǎn)，輔以圖像處理技術(shù)，非常適合于電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)驗(yàn)中的實(shí)時(shí)計(jì)算和校正。本文中根據(jù)研究結(jié)果給出了相關(guān)的可用于電旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)計(jì)算校正方案。
　　 本文中基于無(wú)源場(chǎng)拉普拉斯方程首次推導(dǎo)出了介電力普適方程，該普適方程的提出提高了對(duì)介電電泳中介電力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，改變了以往介電電泳電極設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)的落后方法。針對(duì)該普適方程的求解，本文中提出了函數(shù)解析法和差分計(jì)算法兩種方法?；谶@兩種方法，本文中提