細胞電旋轉(zhuǎn)芯片的介電力場計算模型及系統(tǒng)構(gòu)建.pdf

1、生物芯片技術是90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，是融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景。介電電泳芯片（Dielectrophoresis Chip, DEP Chip）技術作為一種重要的生物芯片技術，具有對生物體無損傷性以及快速、易與微系統(tǒng)合成等優(yōu)點，迅速成為生命科學、分析化學等諸多領域中操控微系統(tǒng)內(nèi)生物液體的主要手段。隨著人們對該技術認識的不斷

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

3、轉(zhuǎn)芯片中生物顆粒運動的成因及影響進行了研究；進而推導出了適用于介電電泳芯片設計的普適方程。在理論研究上，本文首次采用SCM方法和電場疊加的方法對電旋轉(zhuǎn)芯片中處于不同電信號相位的電場分布作了解析求解，并通過解得的介電力場分析了生物顆粒在電旋轉(zhuǎn)芯片中的運動成因，發(fā)現(xiàn)介電力場中兩個介電力阱會隨著電信號相位而周期改變位置是電旋轉(zhuǎn)芯片中生物顆粒運動的主因。
　　 本文進一步通過介電力場分布和電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分布進行了電旋轉(zhuǎn)芯片實驗中測量誤差的區(qū)

4、域分析。通過測量誤差的分析定義了一個適合電旋轉(zhuǎn)測量的置信空間，該區(qū)域可定義為圓心在原點處、半徑為環(huán)形電極的36％的一個圓形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大誤差在5％以內(nèi)。綜合考慮介電力場對微粒擺動的影響后，該區(qū)域則可以定義為圓心在原點處、半徑為環(huán)形電極的30％的圓形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)介電力場隨著電信號相位的改變的波動幅度小于25％。該結(jié)果在本文中通過搭建的電旋轉(zhuǎn)芯片實驗平臺進行了相關的實驗驗證。
　　 由于本文中提出的基于SCM的電旋

5、轉(zhuǎn)芯片電場計算方法具有快速、精確和計算量小的特點，輔以圖像處理技術，非常適合于電旋轉(zhuǎn)芯片實驗中的實時計算和校正。本文中根據(jù)研究結(jié)果給出了相關的可用于電旋轉(zhuǎn)實驗的實時計算校正方案。
　　 本文中基于無源場拉普拉斯方程首次推導出了介電力普適方程，該普適方程的提出提高了對介電電泳中介電力場的認識，改變了以往介電電泳電極設計主要依靠經(jīng)驗的落后方法。針對該普適方程的求解，本文中提出了函數(shù)解析法和差分計算法兩種方法。基于這兩種方法，本文中提