基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究

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1、基于介电泳技术的连续流细胞操控与分离芯片研究第一章绪论1.1研究的目的和意义近年，医学诊断和环境检测一直是生物医学研究和发展的主流。其中，生物微粒的快速分离和提纯以其重要的现实意义和研究价值得到研究者的普遍关注[1]。例如，在临床医学诊断中，面临的首要问题就是如何快速且准确的从样品中分离出目标细胞；在水质监测中，需要对水质中细菌、寄生物等进行分离和检测[2]；对生物细菌进行分析时，需要细菌达到一定的浓度才能实现精确的分析检测[3]，但生物细菌的培养过程耗时较长，若能通过快速收集的方法使细菌达到检测浓度，会大大减少检测时间，以上这些都依赖于对生物微粒的操控技术。此外，生物微粒体积越小就越

2、不易操作，因此细胞、细菌的操控和分离是一项非常复杂的技术[4]。微流控芯片是由各种储液池及联接他们的微通道网络构成的，是一种在微纳米级别对流体粒子进行操控的控制芯片。随着微机电系统（MEMS，MicroElectro-mechanicalSystem）的发展，将微纳米级的电极集成到微流控芯片上也变得方便可行，这种技术也得到人们的广泛关注[5]。后来，人们又将生物、化学、医学等领域的基本功能集成到微流控芯片上，并将这种芯片称为芯片实验室（LabOnaChip）[6-7]，简称LOC。LOC将多种分析检测技术集成在微纳米平台上，使样品和试剂的用量显著减少，大幅缩短样品处理时间，显著提高反应

3、灵敏度，并有便携式、低成本、集成化等特点，这些优势使得LOC成为生物粒子操纵时一种重要的方法途径。LOC的最终目的是实现测试分析仪器的小型化、普及化，从根本上改善人民的家庭诊断质量。目前，人们使用LOC芯片技术已经实现了对细菌、病毒和细胞的操控、分离和分析[8-10]。LOC芯片系统的应用实例如图1-1所示。在世界范围内，将电场控制技术应用于微流控芯片是LOC的主要研究课题。电场控制的机理主要包括：电泳、电渗、介电泳等多个方面。电泳是指在操控电极的两端加上高压直流电，这种操作极易产生电解，所以不利于对生物粒子的操控。并且电泳现象主要针对带电微粒，对中性粒子一般没有力的作用[11]。电渗

4、是利用双电子层理论操控流体，可以间接实现对微流体中粒子的操控。电渗技术不需要高压信号，且频率需求也较低，因而不会对粒子产生电热等影响，但是电渗操控特异性较差，且只能针对单种粒子，因此其应用受到一定的限制[12-13]。.............1.2国内外的发展现状目前，针对生物微粒操控和分离方法有多种，如离心分离法、色谱分析法、流式细胞法和介电泳分离技术等[14]。（1）离心分离法：是目前生物实验室进行细胞分离的主要方法之一。离心机等设备有很大的向心加速度，使离心力远大于重力，溶液中的颗粒便会沉淀析出。另外，不同生物分子或细胞的体积、密度等物理性质不同，在高速离心机的作用下，其离心力

5、会不同，最终导致粒子沉降速度不同而实现细胞的沉淀分层。但是该方法对于密度差距较小，粘度较大，直径较小的生物粒子，需要分离很长时间，甚至不能完全分离。（2）色谱分析法：该方法基于两组混合物的物理化学性能差异而进行的分离方法。该方法分离效率高，样品用量少，一般只需要微升甚至纳升的溶液样品。但是，该方法定性能力较差，需要与其他的分析技术结合使用，并且相关的分析设备价格昂贵。（3）流式细胞法：是对单细胞或其他生物粒子从功能程度的角度进行定量分析和分选的方法。它具有高通量、反应快、多参数测量等优点，缺点是需要进行荧光染色，会对生物细胞本身造成危害。（4）介电泳分离技术：是指在非匀强电场中，微粒由

6、于介电极化率的不同而产生的定向运动。要分离的生物粒子在直径、介电常数、电导率等方面参数不同，在一定的电场强度及频率的作用下，会产生不同方向的介电泳力，从而达到分离的目的。从荧光标记、分离纯度、分离速度、价格等几个维度考虑，把以上几种分离方法对比分析可知，介电泳分离技术有很多的优点（表1-1）。并且，随着MEMS技术的发展，介电泳芯片的体积小，易于操控，也方便与其他系统集成。..........第二章基于介电泳细胞分离的理论基础本章主要介绍了介电泳相关概念以及行波介电泳技术的机理，引出介电泳力以及行波介电泳力的数学公式，重点分析了频率对细胞介电泳及行波介电泳的影响以及其他影响因素，最后对

7、微流体通道中细胞进行受力分析。2.1介电泳相关概念极化是指由于电流通过电极时电位发生变化，使其性质偏离原来状态的现象，属于物理学领域的研究内容。当电流流过时，阴极和阳极都会出现极化现象，如：分子极化、光子极化、电极极化、电介质极化等。本节着重介绍溶液中的细胞在电场作用下的极化分析。结合研究内容，建立了如图2-1所示的极化模型。在两平行板电极上施加低压信号，极板间便形成了匀强电场，设电场强度为E。处于悬浮液中的细胞直径为d，置于两平行极板间，细胞