基于光誘導(dǎo)介電泳的生物粒子微操縱機(jī)理與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法研究.pdf

1、光誘導(dǎo)介電泳作為一項(xiàng)新興的微操縱技術(shù),因其操作功能的光控實(shí)時(shí)可重構(gòu)性、單粒子操控的靈活性與定位精度以及多粒子大規(guī)模并行處理能力有望成為微操縱領(lǐng)域極具潛力并具有重大應(yīng)用前景的新一代微操縱技術(shù)。為此,本論文以面向生物工程的微操縱為應(yīng)用背景,在全面回顧目前幾類典型生物微操縱技術(shù)(尤其是介電泳微操縱技術(shù))發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題的基礎(chǔ)上,研究了光誘導(dǎo)介電泳微操縱機(jī)理,探討了光誘導(dǎo)介電泳驅(qū)動(dòng)的多物理場(chǎng)耦合模型,完成了光誘導(dǎo)介電泳芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工及封

2、裝測(cè)試,并通過整合新型光模式虛擬電極灰度直寫系統(tǒng)及顯微視覺伺服控制系統(tǒng),構(gòu)建了同時(shí)具備人機(jī)交互操作及顯微視覺伺服控制兩類操控模式,能夠?qū)ξ⒓{米生物粒子進(jìn)行聚集、捕獲、輸運(yùn)、定位、排布或分選等功能性操作的通用型、智能化微操作平臺(tái).本論文的關(guān)鍵性研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面:
　　 1、在光誘導(dǎo)介電泳微操縱基礎(chǔ)理論方面:首次發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)驗(yàn)證了在光誘導(dǎo)介電泳微操縱過程中不僅存在因電場(chǎng)幅值及相位非均勻度所引起的兩類光誘導(dǎo)

3、介電泳力,而且還存在由光致旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)而產(chǎn)生的光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。目前,尚未有對(duì)由光致相位非均勻度而產(chǎn)生的第二類光誘導(dǎo)介電泳力及光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的公開文獻(xiàn)報(bào)道。本論文基于分壓轉(zhuǎn)移率RVAS對(duì)光誘導(dǎo)介電泳芯片的光電特性進(jìn)行分析優(yōu)化,并分別從等效電路、有限元模型及物理實(shí)驗(yàn)等三個(gè)方面,深入理解并首次系統(tǒng)驗(yàn)證了在光誘導(dǎo)介電泳微操縱過程中因光電導(dǎo)效應(yīng)不僅存在因亮暗分壓(電場(chǎng)幅值非均勻分布)而產(chǎn)生的第一類光誘導(dǎo)介電泳力,而且還存在由亮暗相位差(電場(chǎng)相位非

4、均勻分布)而產(chǎn)生的第二類光誘導(dǎo)介電泳力,并存在因光致旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)而產(chǎn)生的光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,解決了目前光誘導(dǎo)介電泳力計(jì)算中因采用僅考慮光致分壓效應(yīng)的簡(jiǎn)化點(diǎn)電偶極矩模型而造成實(shí)際光誘導(dǎo)介電泳力被嚴(yán)重低估的困局,并通過相應(yīng)過程的有限元精確數(shù)值模擬及酵母菌細(xì)胞的光控電旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格確認(rèn)了光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的真實(shí)存在,得出了光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向與微粒相對(duì)于光電極邊緣的位置有關(guān)且對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)速率與二者相對(duì)距離成反比的一般規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),在三電極式光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中

5、對(duì)應(yīng)扭矩分布極不均勻且相應(yīng)位置的橫向光誘導(dǎo)介電泳力不利于目標(biāo)微粒的定軸旋轉(zhuǎn)測(cè)量。為此,提出了具有對(duì)稱相位角分布的雙層四電極式光誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方案,為后續(xù)光誘導(dǎo)介電泳芯片實(shí)現(xiàn)生物粒子微操縱與介電頻譜測(cè)量一體化提供了必要的理論準(zhǔn)備及技術(shù)支撐。
　　 2、在光誘導(dǎo)介電泳微操縱機(jī)理方面:首次在傳統(tǒng)介電泳理論的基礎(chǔ)上,將勢(shì)能形貌調(diào)制理念引入光誘導(dǎo)介電泳微操縱領(lǐng)域,建立了包含光信息在內(nèi)的—體化光誘導(dǎo)介電泳勢(shì)能形貌調(diào)制數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)基于高斯

6、點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的光模式虛擬電極成像、光生載流子濃度及其電導(dǎo)率分布、光誘導(dǎo)介電泳電場(chǎng)計(jì)算以及光誘導(dǎo)介電泳勢(shì)能形貌調(diào)制等分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究,首次建立了面向光誘導(dǎo)介電泳勢(shì)能形貌調(diào)制過程的完整數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)光模式虛擬電極的精確數(shù)字化設(shè)計(jì)及光誘導(dǎo)介電泳勢(shì)能陷阱的關(guān)鍵參數(shù)化控制(光電極光強(qiáng)分布、芯片結(jié)構(gòu)以及激勵(lì)電信號(hào)等)提供了必要的理論模型。
　　 3、在光誘導(dǎo)介電泳系統(tǒng)建模、參數(shù)優(yōu)化及多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方面:建立了涉及光誘導(dǎo)介電泳、互介

7、電泳、光致交流電滲以及光誘導(dǎo)交流電致熱效應(yīng)等多種交流動(dòng)電現(xiàn)象在內(nèi)的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算模型.在分析等效多極矩模型有效性及粒子有限尺寸效應(yīng)的基礎(chǔ)上,以阱域范圍、剛度、穩(wěn)定性以及逃逸速度等為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別針對(duì)正介電泳模式下的圓形光電極與負(fù)介電泳模式下的圓環(huán)光電極尺寸參數(shù)、芯片結(jié)構(gòu)及電信號(hào)等對(duì)于其捕獲效率及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析；基于麥克斯韋應(yīng)力張量(MST)直接數(shù)值模擬,精確分析了互介電泳效應(yīng)對(duì)于光誘導(dǎo)介電泳微操縱過程中粒子間動(dòng)力學(xué)行為的影響；并

8、綜合電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及位移場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)影響,分析了光致交流電滲流及光誘導(dǎo)交流電致熱流等光致交流液動(dòng)效應(yīng)對(duì)全光誘導(dǎo)介電泳(包括互介電泳效應(yīng))驅(qū)動(dòng)的粒子捕獲、定位及粒子間聚集或排斥等動(dòng)力學(xué)行為的影響.研究結(jié)果表明:(1)在正介電泳模式下粒子半徑與圓形光電極尺寸相當(dāng)時(shí)可在捕獲剛度及穩(wěn)定性方面獲得最佳,而在負(fù)介電泳模式下可控制內(nèi)環(huán)半徑以保證其捕獲的軸向穩(wěn)定性,且光電極內(nèi)徑一般取擬捕獲粒子半徑的1.5倍可獲得最佳捕獲性能；(2)粒子間

9、距離越近,粒子間互介電泳效應(yīng)相對(duì)于粒子與電場(chǎng)之間的傳統(tǒng)介電泳效應(yīng)影響越明顯,且通過控制粒子間中心連線相對(duì)于電場(chǎng)方向的角度可出現(xiàn)先排斥后吸引的特殊現(xiàn)象；(3)光致交流電滲具有頻率相關(guān)及尺寸選擇性,有助于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)微、納米粒子的高效濃縮、捕獲或排布；(4)在一定條件下,光誘導(dǎo)交流電致熱效應(yīng)與光致交流電滲具有類似流型,但二者不同源且后者一般僅出現(xiàn)在生理鹽水等高電導(dǎo)率溶液中。
　　 4、在光誘導(dǎo)介電泳芯片材科選擇及制備工藝研究?jī)?yōu)化等方面:

10、建立了光誘導(dǎo)介電泳芯片對(duì)應(yīng)光導(dǎo)層材料選擇的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)并制定了符合可拋棄式芯片設(shè)計(jì)要求的芯片制備及封裝測(cè)試工藝流程。根據(jù)光誘導(dǎo)介電泳芯片在工作波長(zhǎng)方面的要求,系統(tǒng)研究了可見光區(qū)內(nèi)常見光敏材料的光譜響應(yīng)特性,并在其光電導(dǎo)特性(暗態(tài)電導(dǎo)率與亮、暗電導(dǎo)比)、工藝成熟度、加工成本、生物相容性、電化學(xué)穩(wěn)定性等指標(biāo)的基礎(chǔ)上,確定α-Si:H是符合上述標(biāo)準(zhǔn)的最佳之選,并通過VHF-PECVD技術(shù)成功地在透明導(dǎo)電玻璃基材料上實(shí)現(xiàn)了復(fù)合光電導(dǎo)薄膜的沉積。

11、r>　　 5、在光誘導(dǎo)介電泳微操縱系統(tǒng)的顯微視覺伺服控制方面:設(shè)計(jì)并構(gòu)建了集顯微視覺采集、處理及光電極定義與實(shí)時(shí)重構(gòu)等功能模塊于—體的顯微視覺伺服控制系統(tǒng)。顯微視覺伺服控制對(duì)于提高微操作系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和操作穩(wěn)定性至關(guān)重要。為此,本論文基于面向任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了一套適合于光誘導(dǎo)介電泳微操作環(huán)境的顯微視覺系統(tǒng)體系架構(gòu),完成了精縮投影-顯微成像系統(tǒng)的建模,并根據(jù)平面單應(yīng)原理進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定與誤差校正；針對(duì)兩類不同目標(biāo)任務(wù),分別采用結(jié)

12、合過程定義、路徑規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)等高級(jí)功能的模板匹配算法與均值轉(zhuǎn)移算法以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景環(huán)境下的多目標(biāo)快速檢測(cè)、識(shí)別、追蹤以及亞像素級(jí)別的目標(biāo)精確定位:將已獲取的微操作空間目標(biāo)信息實(shí)時(shí)傳遞至及光電極設(shè)計(jì)與控制模塊實(shí)現(xiàn)了基于顯微視覺伺服控制的多粒子并行操縱。
　　 6、在光誘導(dǎo)介電泳微操縱系統(tǒng)平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)方面:在實(shí)現(xiàn)顯微觀察與光電極精縮投影系統(tǒng)完美光學(xué)耦合的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同類型目標(biāo)初步進(jìn)行了典型性功能微操控實(shí)驗(yàn).在完成光誘導(dǎo)介電泳芯片設(shè)