【正文】 電旋轉(zhuǎn)實驗來說，理想的電極幾何形狀會在電極腔的較大范圍內(nèi)產(chǎn)生一個均勻統(tǒng)一的轉(zhuǎn)矩。比較是根據(jù)一組中心轉(zhuǎn)矩值來進行的，百分面積A是指轉(zhuǎn)矩相對的偏離量沒有超過設定極限（5%或10%），品質(zhì)因子Q的定義如上文，序號字母的說明的見圖3 4。在A較大的情況下，若略小一些，也是完全可以接受的，因為本研究中的粒子的直徑大小適中，不算太小，所以能夠受到足夠的大的轉(zhuǎn)矩進而克服粘滯力而旋轉(zhuǎn)起來的。b)利用干燥的氧氣在熱環(huán)境下使硅晶片表面形成一層大概500nm厚的二氧化硅，作為屏蔽層,干燥的氧化物可以提供的介電強度（dielectric strength）大于105 V/mm),這比濕的氧化物或沉積氧化物大得多；c) 200nm厚的鋁層濺射到SiO2 層上；d)表面涂上光刻膠；e）紫外線透過掩模版照射到光刻膠上；f）利用顯影劑將暴露的光刻膠清除；g）200nm厚的鋁層被蝕刻；h）最上面的一層光刻膠被剝?nèi)ァ? (a) (b) (c) (d)圖4 4 電極腔中電場分布圖圖4 4中箭頭起點表示對應的位置點,箭頭長度表示該點的場強大小, 4中可以看出位于電極腔中心區(qū)域的電場比較均勻，在四分之一周期內(nèi)，中心區(qū)域的場強矢量逆時針旋轉(zhuǎn)了90176。實際上結(jié)合前面對圖4 4的分析，知在相鄰電極溝道附近的區(qū)域，場強并不是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的，而是在相反的兩個方向上作簡諧振動，這并不能使粒子旋轉(zhuǎn)。這種方法使整個系統(tǒng)的復雜度大大降低，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性提升，而且誤差很小，具有很強的實用價值。但在靠近電極腔的邊界的區(qū)域，介電泳力的影響是不能忽略的。正弦信號的相位每隔90度仿真一次， 這里仿真了4個瞬間的情況。從應用的角度講，可以認為在高度25微米以上的區(qū)域的是一致向下的，也就是說懸浮介電泳力的方向取決于Re[K(ω)],可以通過調(diào)頻的方法使得Re[K(ω)]符號滿足粒子懸浮的條件。從圖4 10中看出，場強的平方值在行波電極上方的分布也呈現(xiàn)出層狀分布，雖然在一個完整的激勵信號周期內(nèi)的各個時刻的分布并不完全相同，但各個時刻的整體分布趨勢是一致的，都是層狀分布，而且場強平方值隨高度的變化也比較敏感，比如圖中高度值相差50微米的兩個位置的場強平方值相差約兩個數(shù)量級。可見，粒子的速度不但和Im[K(ω)]有關，也和Re[K(ω)]有關，當然也和所處位置的場強有關。本模擬基于的數(shù)據(jù)如下：在四電極結(jié)構(gòu)上施加交流信號的幅值為1V，根據(jù)仿真計算的結(jié)果，中心區(qū)域電場強度的均方值為：圖4 12圖例中所示的三種粒子的細胞質(zhì)電導率不同，隨懸浮液電導率的增大，三種粒子幾乎同時出現(xiàn)了負峰，從圖中可以看出，細胞質(zhì)電導率的不同主要影響右邊峰的水平方向的移動，對左邊峰的影響不大。圖5 1測試平臺組成示意圖 粒子角速度的自動檢測首先，根據(jù)前面的分析及相關文獻[17, 21]提出以下兩點假設：A1：有限遷移假設：粒子中心的遷移運動足夠慢以至于它在兩次采樣幀之間的偏移量小于待測粒子的直徑的5%。由于粒子在觀察限定區(qū)遷移的速度較小，故程序結(jié)束時，已經(jīng)經(jīng)歷了足夠的采集時間，獲取的數(shù)據(jù)一般已能滿足測試要求。這樣笛卡爾坐標下的二維旋轉(zhuǎn)，就可轉(zhuǎn)化為極坐標下的一維的平移，這使檢測程序的運行效率大大提高，實時性更好。在極坐標下的這種坐標平移和笛卡爾坐標下的旋轉(zhuǎn)是等效的?？紤]到極坐標轉(zhuǎn)換的查詢表的離散狀態(tài)，所以要對估算出的轉(zhuǎn)速進行數(shù)值轉(zhuǎn)換。多粒子情況和單粒子情況的不同在于多粒子時在算法第一部分需獲取各個粒子的位置，后續(xù)流程對每個粒子都一樣。圖5 6中（a）和（b）分別是對粒子群的圖像進行處理前后的對比。介電泳測試芯片位于顯微鏡的物鏡下面，CCD通過顯微鏡采集到介電泳測試芯片上粒子運動的圖像后，傳輸?shù)絇C機中通過相應的軟件進行處理，進而獲取粒子的角速度頻譜，通過回歸分析，進而獲得粒子的介電常數(shù)。這樣一來，旋轉(zhuǎn)估計模塊的時域響應就是階躍響應，并且穩(wěn)定在權(quán)重值最大的旋轉(zhuǎn)速率值。其中，這里的取值需根據(jù)實驗的試觀察進行估計。這種離散的算法在存在干擾時仍非常健壯，并且比插值法的計算強度低，提高了執(zhí)行效率。當像素點為白時，取1；當像素為黑時，取0。實驗中可通過控制電場強度使粒子轉(zhuǎn)速較慢，以便使本算法性能發(fā)揮至最佳。這對發(fā)現(xiàn)實驗中的問題或?qū)碚撃Ｐ偷男拚哂兄匾饬x。所以，這里在設定了細胞質(zhì)電導率的三個數(shù)值：、。 對電旋轉(zhuǎn)頻譜的模擬對電旋轉(zhuǎn)的模擬是在前面的仿真分析的基礎之上進行。 粒子操縱分析通過增大激勵信號的電壓，當然可以使粒子行進的速度加快，但這樣也導致粒子在更高的位置懸?。ǜ鶕?jù)上面的分析），新的高度的電場強度減小，粒子的速度又會變慢。而且在水平方向上，的方向并不一致，甚至出現(xiàn)相反的情況，這不利于粒子沿一定的方向行進。具體的仿真模型的設置參見附錄B。則平均介電泳力為（這里只寫出）： 這里的i 的取值是從1到n，代表第i次在粒子中的誘導極矩，其表達式為（以誘導極矩在x軸上的投影為例）： 這里， 表示第i次時，相位的累計增量（x和y方向電場分量的初相分別為，）。圖4 6 場強均方值的等值線圖 介電泳力的分布情況結(jié)合第二章的理論模型知，電極腔中的介電泳力為： 通過比較便可以得知介電泳力在各點的相對大小。由于轉(zhuǎn)矩是隨平面位置的變動而變動的，對于整個測試系統(tǒng)來說，就要適當考慮轉(zhuǎn)矩隨位置的變動情況。其實這類似于在相反的兩個方向上的簡諧振動。運用有限元方法求解拉普拉斯方程，進而求出各點的電位。m ,虛線框為正方形) 圖3 5 二次多項式電極示意圖二次多項式電極組有很多好處，不但在電旋轉(zhuǎn)方面有很多優(yōu)點，它還有很好的擴展性，還能夠捕捉粒子、或通過改變施加激勵信號的方式，進行其他形式的粒子操縱，所以，將這種二次多項式電極組作為測試平臺的關鍵器件是比較理想的。的值也有較大變化，幅值最大和最小的差了一個數(shù)量級。圖3 4各種電極形狀(a)多項式型 ，（b）骨型，（c）方型，（d）尖頂金字塔型，（e）平頂金字塔型 ，（f）針型，（g）扁平橢圓型，（h）圓型，（i）扁長橢圓型，（j）窄扁長橢圓型如圖3 4所示的10種電極形狀，其中的許多幾何形狀已經(jīng)在實驗中被其他研究者使用過。因為粒子在介電泳力大的區(qū)域會出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，例如靠近電極的粒子在介電泳力的作用下將會朝向或遠離電極運動。有時不希望過多的粒子都聚集在電極腔中，則可以通過適當調(diào)節(jié)電場頻率使得某些多余的粒子向遠離電極腔的方向運動。90176。這對實驗結(jié)果的分析具有一定的參考價值。例如，（激勵電壓的峰峰值為20V）的介質(zhì)，穩(wěn)態(tài)時溫度升高了6℃[35],在電極組250μm的范圍以內(nèi)，溫度升高了2℃。 由于介電泳力的操縱技術(shù)的介電泳力正比于粒子的體積，因此存在用介電泳操縱的最小粒子。對于大于1μm 的細胞而言，由于介電泳力和重力會同時隨著R3 而增加，因此介電泳力并不會受重力干擾。在電極上方比較平穩(wěn)的區(qū)域，粒子所受的行進力（水平方向）為： 其中是行進電場的波長，等于相鄰兩個同相位電極之間的距離；如果粒子懸浮起來并且與電極表面距離足夠大，同時以恒定速度V行進，則與Stokes粘滯阻力相平衡，其中, 由得 圖2 11中的，當粒子在豎直方向受力平衡時，有 其中，表示介電泳力的y軸分量（傳統(tǒng)介電泳力），是y軸方向的單位矢量。同時，在較小的范圍內(nèi)，電導率增加（主要是細胞質(zhì)和介質(zhì)）以及介電常數(shù)的減?。ㄖ饕墙橘|(zhì)）對旋轉(zhuǎn)速度的影響與粘度相反。多層橢球體的可用前述的方法作類似處理；然而，有效每個主軸的有效復合介電常數(shù)是不同的，因此增加了難度。例如，其中，x軸方向的轉(zhuǎn)矩分量為： 通常無損的情況下，可假設電場分量均為正，并且abc，0LxLyLz，且 ，這意味著轉(zhuǎn)矩傾向于使粒子的一條主軸和電場平行。人類紅細胞本質(zhì)上是扁平橢圓體，并且一邊帶有鋸齒。下標p表示粒子（particle），下標m表示介質(zhì)（medium），和分別表示介電常數(shù)（permittivity）和電導率（conductivity）,在實驗中，通常選取具有較低電導率的懸浮液介質(zhì)?？梢栽O四個電極按順時針方向的電位分別為： ；；；任一瞬時的電場強度可以分解為沿x軸的分量和沿y軸的分量。當K(ω)的實數(shù)部分數(shù)值為正時，代表此介電泳型式為正介電泳，此時粒子會往電場強度最高的區(qū)域移動，這種現(xiàn)象稱為正介電泳，如圖2 4（a）；而當K(ω)的實數(shù)部分數(shù)值為負時，代表此時介電泳型式為負介電泳，此時粒子會往電場強度最低的區(qū)域移動，這種現(xiàn)象稱為負介電泳，如圖2 4(b)。在生物介電泳中，電損在力和轉(zhuǎn)矩的頻率特性方面表現(xiàn)出來。于是，這個粒子就被等效成一個和原來最外面的殼的半徑相同的均勻球體?，F(xiàn)在用一個介電球體來替代偶極子，如圖2 1(b)，此球體半徑為R，介電常數(shù)為，這個粒子具有擾動電場的作用，此時靜電勢表達式為[6]： 這里假定粒子半徑遠小于激勵電場的不均勻分布尺度，且。本章詳細給出了粒子角速度自動測量的算法，本算法考慮了粒子在旋轉(zhuǎn)過程中的遷移運動，通過相應的模塊降低了遷移運動引起的誤差。m的圓形區(qū)域為最佳區(qū)域，在這個區(qū)域中轉(zhuǎn)矩的變化基本在5%以內(nèi)，介電泳力很小，基本解決了測試過程中影響粒子測量精度的遷移運動問題，降低了測試誤差,并且螺旋線電極組可以在一定頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)粒子的集中和分散。第三章：微電極組設計。本文受國家863項目：基于光誘導介電泳的微納米生物粒子操縱機理與平臺實現(xiàn)方法的研究（項目號：2006AA04Z351）的資金資助，論文主要內(nèi)容是研究微納米生物粒子介電常數(shù)測試平臺的的關鍵技術(shù)，在一定程度上解決本領域研究中存在的問題，以獲得更好的測試效果。本文的研究內(nèi)容包括：理論模型與分析、介電泳測試芯片的設計、仿真分析以及自動測量平臺的系統(tǒng)構(gòu)建。一般情況下，離電極腔中心越遠，電場偏振（field polarization）程度越大，即偏心率離中心的距離的增大而增大。 Zhou等人[19]應用電旋轉(zhuǎn)頻譜的計算機輔助自動成像技術(shù)探究了他人報道的針對酵母細胞的熱沖擊和低頻EM場的生物影響。,于是G D Gasperis等人[17],能在5min之內(nèi)測出1k200MHz范圍內(nèi)的頻譜,、精度、及關于人工測量的線性度來評定。ER和EO理論模型的應用得出了S. pombe的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（cell wall, plasma membrane and cytosol）。90年代初，R H246。因此，生物粒子介電常數(shù)的獲取是研究生物粒子介電模型、介電響應以及用于識別及分離特定生物粒子的介電顯形的基礎和前提，其地位相當重要，因此生物粒子的介電參數(shù)（主要是介電常數(shù)）的測量也成為現(xiàn)今工程領域的熱點。這也是行波介電泳名稱的來源。其中，電動旋轉(zhuǎn)介電泳（Electrorotation Dielectrophoresis，簡記為ERDEP或ROTDEP）是一種簡捷、非入侵的通用分析技術(shù)（下文簡稱為電旋轉(zhuǎn)），適用于各種類型的粒子，并且能夠應用于芯片實驗室（Labonachip）。當在芯片實驗室中加入自動控制技術(shù)時，小型化的系統(tǒng)就有相當多的優(yōu)點。東南大學學士學位論文微納米生物粒子介電常數(shù)測試平臺關鍵技術(shù)的研究畢業(yè)論文 目錄摘要 IAbstract II目錄 III圖目錄 VI表目錄 VII第一章 緒論 1 1 2 2 4 5 5 5 6 6 6第二章 理論模型與分析 9 9 10 10 傳導性粒子模型 11 12 14 球形粒子的電旋轉(zhuǎn) 14 橢球體粒子的定向電旋轉(zhuǎn) 17 溫度對電旋轉(zhuǎn)測量精度的影響 18 20 21 22第三章 微電極組設計 24 24 行波電極組設計 24 方案比較 24 螺旋線微電極組 25 電旋轉(zhuǎn)腔設計 26 方案比較 26 二次多項式電極組 29 30第四章 仿真與分析 33 電旋轉(zhuǎn)仿真與分析 33 仿真模型的建立 33 電場分布與分析 34 轉(zhuǎn)矩分布與分析 36 介電泳力的分布情況 38 行波介電泳仿真與粒子操縱分析 39 仿真模型的建立 39 仿真結(jié)果與分析 40 粒子操縱分析 44 對電旋轉(zhuǎn)頻譜的模擬 46第五章 測試平臺的系統(tǒng)構(gòu)建 49 測試平臺的組成 49 粒子角速度的自動檢測 49 50 50 51 旋轉(zhuǎn)運動估算模塊 51 后處理模塊 52 測試平臺原型系統(tǒng)構(gòu)建 53第六章 結(jié)論與展望 56 結(jié)論 56 展望 56畢業(yè)設計期間發(fā)表學術(shù)論文的情況 58致謝 59參考文獻（references） 60附錄A 對電旋轉(zhuǎn)腔的電場的仿真及相關參量的數(shù)值計算 63附錄B 對螺旋電極上方的電場仿真及相關參量的數(shù)值計算 73附錄C 電極腔中場強均方值分布的數(shù)值矩陣 78圖目錄圖1 1主要研究內(nèi)容及相互關系 5圖1 2 本文的組織結(jié)構(gòu) 8圖2 2有效偶極矩定義示意圖..............................................................................................................10圖2 2多層殼體示意圖 11圖2 3 非均勻電場中介電球體的受力示意圖 12圖2 4 正負介電泳示意圖 13圖2 5 σpσm且εpεm時的介電泳頻譜 14圖2 6 σpσm且εpεm時的介電泳頻譜 14圖2 8 橢球體粒子模型 18圖2 9 Saccharomyces cerevisiae 酵母細胞不同溫度時的電旋轉(zhuǎn)頻譜 19圖2 10 行波介電泳原理圖 20圖2 11行波介電泳電極結(jié)構(gòu)與粒子受介電泳力模型 20圖3 1方形回旋微電極組.....................................