光誘導(dǎo)生物粒子操縱系統(tǒng)中虛擬電極生成平臺(tái)的研究.pdf

1、介電泳（Dielectroptloresis，簡稱DEP）作為一種重要的微納米生物粒子操作工具，從1978由Pohl引進(jìn)生物和化學(xué)領(lǐng)域以來，越來越多的學(xué)者對其理論及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，目前基于介電泳理論的微納米粒子操縱技術(shù)已成功應(yīng)用于生物粒子的分離、輸運(yùn)、捕捉及分類等多種操作。與現(xiàn)有的眾多微操縱技術(shù)（如基于機(jī)械力、流體力、聲輻射力和光輻射力等方式的微納米粒子操縱技術(shù)）相比，介電泳微納米粒子操縱方法由于其無需移動(dòng)部件、實(shí)施簡單、柔性好、能

2、滿足大量并行操作，因而在微納米生物粒子操縱領(lǐng)域擁有較好的發(fā)展前景。 在介電泳微操縱系統(tǒng)中，介電泳力的分布與電極形狀息息相關(guān)，一種結(jié)構(gòu)形式的電極只能實(shí)現(xiàn)一種操縱。因此電極結(jié)構(gòu)的設(shè)置在介電泳微操縱系統(tǒng)中占有著至關(guān)重要的地位。不同方式的操縱需要不同形式的電極結(jié)構(gòu)，而要實(shí)現(xiàn)對微納米生物粒子的復(fù)雜操縱，除了需要設(shè)置具有相應(yīng)功能的電極結(jié)構(gòu)外，還需根據(jù)實(shí)際操縱情況實(shí)時(shí)改變電極幾何形狀。然而物理電極形狀的不變性，使得早期的介電泳芯片常常只具有一

3、種功能（如純粹的分離或傳輸），而光模式虛擬電極概念的提出，使微粒子的復(fù)雜操縱成為可能。本文即總結(jié)現(xiàn)有虛擬電極生成技術(shù)的成果與不足，研究生物粒子操縱系統(tǒng)中的虛擬電極的關(guān)鍵技術(shù)，從而建立一個(gè)能實(shí)現(xiàn)微納米生物粒子復(fù)雜操縱的軟件平臺(tái)。本文完成了下列研究工作： （1）投影校正：針對虛擬電極投影光路中不可避免地存在著投影誤差，分析了誤差產(chǎn)生的機(jī)理，并采用平面單應(yīng)的原理建立了投影平面與介電泳平面的映射關(guān)系，通過單應(yīng)矩陣彌補(bǔ)了投影系統(tǒng)中存在的誤

4、差，實(shí)現(xiàn)了虛擬電極的精確定位。 （2）多目標(biāo)跟蹤：為了實(shí)時(shí)獲取操縱粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對粒子的閉環(huán)穩(wěn)定操縱，研究分析了多種目標(biāo)跟蹤的熱點(diǎn)算法，通過比較各跟蹤算法及實(shí)際粒子操縱的特性，最終選擇Mean Shift算法作為跟蹤算法。 （3）虛擬電極生成平臺(tái)的開發(fā)：按照光誘導(dǎo)介電泳微操縱系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)柔性高、穩(wěn)定性好的電極平臺(tái)框架，并完成了虛擬電極生成平臺(tái)Visual C++的程序開發(fā)。 （4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：完成微