利用激光实现微流控芯片上细胞导向的方法和实验研究

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1、分类号：TH79密级：UDC：编号：201431205004河北工业大学硕士学位论文利用激光实现微流控芯片上细胞导向的方法和实验研究论文作者：郭兴学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：仪器仪表工程指导教师：张思祥职称：教授资助基金项目：河北工业大学优秀青年科技创新基金项目（项目编号：2012008）河北省青年基金项目(项目编号：B2014202260)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofInstrumentandMeterEngineeringMETHODSANDEXPERI

2、MENTALSTUDYOFLASER-GUIDINGCELLULARORIENTATIONINMICROFLUIDICCHIPbyGuoXingSupervisor:Prof.ZhangSiXiangMarch2017ThisworksupportedbyHebeiUniversityofTechnologyInnovationFundforOutstandingYouth(ProjectID:2012008)AndHebeiYouthFund(ProjectID:B2014202260)原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注

3、明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后

4、适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要利用激光的作用力实现对流体内细胞无接触、无损伤、无侵害的驱动，已经在生命科学和生物化学等领域得到了应用。随着微流控技术的成熟，微流控芯片已经被用于细胞培养、细胞分离、细胞分析等方面，如何利用激光实现微流控芯片通道内细胞导向还存在这许多理论、方法和技术难题。为此开展激光实现微流控芯片上细胞导向的方法和实验研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文首先从理论方法上研究了激光在微通道内对微颗粒作用的机理。通过分析瑞利散射理论、米氏散射理论和广义洛伦兹米氏理论对于散射力和梯度力的计算方法，根据不同的细胞状态和大小得到相应的光辐射力公式，

5、分析了激光对微颗粒的作用力，采用离心双层球模型计算出细胞沿光束方向的受力。利用COMSOLMultiphysics软件工具实现了激光对微颗粒作用的数值模拟和软件仿真，模拟计算了不同种类的细胞受到激光作用时的光辐射力并分析其运动情况。在此基础上，提出一种光纤激光嵌入到微流控芯片的方法，实现激光对微流控芯片内细胞的导向，提高了激光的利用率和有效聚焦。在实验过程中详细论述了微流控芯片的制作工艺、光纤激光的传导耦合工艺，叙述了对比了几种不同的光纤嵌入到芯片中的方案和实验过程。最终得到可以直接将激光引入的微流控芯片通道内，并形成侧向激光对通道内细胞进行导向，实现了微流控芯片通道内细胞运动轨迹发生改

6、变。论文最后给出了最佳实验结果：当进样流度分别为鞘流通道0.3ul/m、主通道0.1ul/m时，水力聚焦效果最好；使用960nm，200mw的泵浦激光通过光纤的传输可以使细胞轨迹发生微小偏移。实验结果表明：理论分析和模拟仿真实验分析与实验结果相吻合，实验数据印证了仿真试验的结果。论文也给出了研究工作的不足和今后的改进方向。激光技术与微流控的结合，开拓了传统光学器件的发展空间，使其功能更强大、精度更高、体积更小，同时也使得微流控芯片有了新的发展方向。关键字：光纤激光微流控芯片细胞导向光驱动力IABSTRACTTheuseoflaserforcetoachievethefluidcellsw

7、ithinthenon-contact,nodamage,nodamagetothedrive,hasbeeninthelifesciencesandbiochemistryandotherfieldshavebeenapplied.Withthematurationofmicrofluidictechnology,microfluidicchiphasbeenusedincellculture,cellseparation,cel