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细胞电旋转芯片的介电力场计算模型及系统构建

作　者: 王骏
导　师: 于军
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 生物芯片介电电泳介电力场细胞电旋转芯片计算模型电极设计
分类号: Q2-33
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一,是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术,具有重大的基础研究价值,又具有明显的产业化前景。介电电泳芯片(Dielectrophoresis Chip, DEP Chip)技术作为一种重要的生物芯片技术,具有对生物体无损伤性以及快速、易与微系统合成等优点,迅速成为生命科学、分析化学等诸多领域中操控微系统内生物液体的主要手段。随着人们对该技术认识的不断深入,各种不同用途的采用了该技术的微系统器件被制作出来。其中,利用生物颗粒在旋转交流电场中电旋转频谱特性检测其电学参数的电旋转芯片己大量使用在生物细胞活性检测、细胞电导数及细胞膜电容的测量等筛选、监测和测量的研究领域。本论文的研究工作主要包括：利用SCM方法对电旋转芯片的电场分布进行精确的解析解求解；对获得的介电力场分布进行误差分析,得到各区域的测量误差范围；对电旋转芯片实验中的测量误差进行相关分析并给出校正方案；对电旋转芯片中生物颗粒运动的成因及影响进行了研究；进而推导出了适用于介电电泳芯片设计的普适方程。在理论研究上,本文首次采用SCM方法和电场叠加的方法对电旋转芯片中处于不同电信号相位的电场分布作了解析求解,并通过解得的介电力场分析了生物颗粒在电旋转芯片中的运动成因,发现介电力场中两个介电力阱会随着电信号相位而周期改变位置是电旋转芯片中生物颗粒运动的主因。本文进一步通过介电力场分布和电旋转转矩分布进行了电旋转芯片实验中测量误差的区域分析。通过测量误差的分析定义了一个适合电旋转测量的置信空间,该区域可定义为圆心在原点处、半径为环形电极的36%的一个圆形区域,区域内的电旋转转矩最大误差在5%以内。综合考虑介电力场对微粒摆动的影响后,该区域则可以定义为圆心在原点处、半径为环形电极的30%的圆形区域,在该区域内介电力场随着电信号相位的改变的波动幅度小于25%。该结果在本文中通过搭建的电旋转芯片实验平台进行了相关的实验验证。由于本文中提出的基于SCM的电旋转芯片电场计算方法具有快速、精确和计算量小的特点,辅以图像处理技术,非常适合于电旋转芯片实验中的实时计算和校正。本文中根据研究结果给出了相关的可用于电旋转实验的实时计算校正方案。本文中基于无源场拉普拉斯方程首次推导出了介电力普适方程,该普适方程的提出提高了对介电电泳中介电力场的认识,改变了以往介电电泳电极设计主要依靠经验的落后方法。针对该普适方程的求解,本文中提出了函数解析法和差分计算法两种方法。基于这两种方法,本文中提出了一种新型的介电电泳电极的设计方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-32
  1.1 生物芯片简介  10-11
  1.2 介电电泳技术介绍及研究现状  11-28
  1.3 电旋转芯片简介及研究现状  28-31
  1.4 本文的主要研究内容  31-32
2 介电电泳芯片电极的设计方法  32-43
  2.1 常见的介电电泳电极设计方法  32-37
  2.2 介电力普适方程在介电力电极设计中的应用  37-39
  2.3 介电力普适方程的差分数值设计方法  39-41
  2.4 本章小结  41-43
3 环形电旋转芯片电极结构的计算模型  43-63
  3.1 电旋转芯片的基本原理  44-47
  3.2 电旋转芯片的类型  47-51
  3.3 SCM方法简介  51-55
  3.4 利用SCM方法计算环形电旋转芯片电场分布  55-62
  3.5 本章小结  62-63
4 生物微粒的运动对电旋转芯片测量精度的影响  63-79
  4.1 环形电旋转芯片介电力场对生物微粒运动的影响  63-72
  4.2 环形电旋转芯片中电旋转转矩场分布  72-73
  4.3 环形电旋转芯片中不同区域测量精度的讨论  73-76
  4.4 电旋转芯片SCM计算方法的有限元验证  76-78
  4.5 本章小结  78-79
5 细胞检测电旋转芯片系统的构建  79-93
  5.1 细胞检测电旋转芯片结构的设计  79-81
  5.2 细胞检测电旋转芯片的加工工艺  81-89
  5.3 细胞检测电旋转芯片实验平台系统  89-90
  5.4 细胞检测电旋转芯片实验平台的实验验证  90-92
  5.5 本章小结  92-93
6 电旋转芯片中3D电场分布及误差修正  93-112
  6.1 二维电场计算方法的误差分析  93-101
  6.2 二维电场计算方法的在各区域的误差修正  101-107
  6.3 电旋转测量方案的改进  107-110
  6.4 本章小结  110-112
7 全文总结与展望  112-115
  7.1 主要结论  112-113
  7.2 本文创新之处  113-114
  7.3 需要进一步研究的问题  114-115
致谢  115-117
参考文献  117-128
附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录  128-130
附录2 无源电场中介电力普适方程的推导  130-132
附录3 介电力普适方程中的若干问题  132-138

细胞电旋转芯片的介电力场计算模型及系统构建

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