【正文】 電旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來說，理想的電極幾何形狀會(huì)在電極腔的較大范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)行的，百分面積A是指轉(zhuǎn)矩相對(duì)的偏離量沒有超過設(shè)定極限（5%或10%），品質(zhì)因子Q的定義如上文，序號(hào)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?yàn)楸狙芯恐械牧Ｗ拥闹睆酱笮∵m中，不算太小，所以能夠受到足夠的大的轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(qiáng)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(chǎng)分布圖圖4 4中箭頭起點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn),箭頭長(zhǎng)度表示該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小, 4中可以看出位于電極腔中心區(qū)域的電場(chǎng)比較均勻，在四分之一周期內(nèi)，中心區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90176。實(shí)際上結(jié)合前面對(duì)圖4 4的分析，知在相鄰電極溝道附近的區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)并不是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的，而是在相反的兩個(gè)方向上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這并不能使粒子旋轉(zhuǎn)。這種方法使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)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(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(hào)的相位每隔90度仿真一次， 這里仿真了4個(gè)瞬間的情況。從應(yīng)用的角度講，可以認(rèn)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(hào)滿足粒子懸浮的條件。從圖4 10中看出，場(chǎng)強(qiáng)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(gè)完整的激勵(lì)信號(hào)周期內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻的分布并不完全相同，但各個(gè)時(shí)刻的整體分布趨勢(shì)是一致的，都是層狀分布，而且場(chǎng)強(qiáng)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(gè)位置的場(chǎng)強(qiáng)平方值相差約兩個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢姡Ｗ拥乃俣炔坏虸m[K(ω)]有關(guān)，也和Re[K(ω)]有關(guān)，當(dāng)然也和所處位置的場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)。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(hào)的幅值為1V，根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，中心區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度的均方值為：圖4 12圖例中所示的三種粒子的細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率不同，隨懸浮液電導(dǎo)率的增大，三種粒子幾乎同時(shí)出現(xiàn)了負(fù)峰，從圖中可以看出，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率的不同主要影響右邊峰的水平方向的移動(dòng)，對(duì)左邊峰的影響不大。圖5 1測(cè)試平臺(tái)組成示意圖 粒子角速度的自動(dòng)檢測(cè)首先，根據(jù)前面的分析及相關(guān)文獻(xiàn)[17, 21]提出以下兩點(diǎn)假設(shè)：A1：有限遷移假設(shè)：粒子中心的遷移運(yùn)動(dòng)足夠慢以至于它在兩次采樣幀之間的偏移量小于待測(cè)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(shí)，已經(jīng)經(jīng)歷了足夠的采集時(shí)間，獲取的數(shù)據(jù)一般已能滿足測(cè)試要求。這樣笛卡爾坐標(biāo)下的二維旋轉(zhuǎn)，就可轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)下的一維的平移，這使檢測(cè)程序的運(yùn)行效率大大提高，實(shí)時(shí)性更好。在極坐標(biāo)下的這種坐標(biāo)平移和笛卡爾坐標(biāo)下的旋轉(zhuǎn)是等效的?？紤]到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的查詢表的離散狀態(tài)，所以要對(duì)估算出的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(shí)在算法第一部分需獲取各個(gè)粒子的位置，后續(xù)流程對(duì)每個(gè)粒子都一樣。圖5 6中（a）和（b）分別是對(duì)粒子群的圖像進(jìn)行處理前后的對(duì)比。介電泳測(cè)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(cè)試芯片上粒子運(yùn)動(dòng)的圖像后，傳輸?shù)絇C機(jī)中通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，進(jìn)而獲取粒子的角速度頻譜，通過回歸分析，進(jìn)而獲得粒子的介電常數(shù)。這樣一來，旋轉(zhuǎn)估計(jì)模塊的時(shí)域響應(yīng)就是階躍響應(yīng)，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(shí)驗(yàn)的試觀察進(jìn)行估計(jì)。這種離散的算法在存在干擾時(shí)仍非常健壯，并且比插值法的計(jì)算強(qiáng)度低，提高了執(zhí)行效率。當(dāng)像素點(diǎn)為白時(shí)，取1；當(dāng)像素為黑時(shí)，取0。實(shí)驗(yàn)中可通過控制電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問題或?qū)碚撃Ｐ偷男拚哂兄匾饬x。所以，這里在設(shè)定了細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率的三個(gè)數(shù)值：、。 對(duì)電旋轉(zhuǎn)頻譜的模擬對(duì)電旋轉(zhuǎn)的模擬是在前面的仿真分析的基礎(chǔ)之上進(jìn)行。 粒子操縱分析通過增大激勵(lì)信號(hào)的電壓，當(dāng)然可以使粒子行進(jìn)的速度加快，但這樣也導(dǎo)致粒子在更高的位置懸浮（根據(jù)上面的分析），新的高度的電場(chǎng)強(qiáng)度減小，粒子的速度又會(huì)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(jìn)。具體的仿真模型的設(shè)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(dǎo)極矩，其表達(dá)式為（以誘導(dǎo)極矩在x軸上的投影為例）： 這里， 表示第i次時(shí)，相位的累計(jì)增量（x和y方向電場(chǎng)分量的初相分別為，）。圖4 6 場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)的相對(duì)大小。由于轉(zhuǎn)矩是隨平面位置的變動(dòng)而變動(dòng)的，對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來說，就要適當(dāng)考慮轉(zhuǎn)矩隨位置的變動(dòng)情況。其實(shí)這類似于在相反的兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。運(yùn)用有限元方法求解拉普拉斯方程，進(jìn)而求出各點(diǎn)的電位。m ,虛線框?yàn)檎叫? 圖3 5 二次多項(xiàng)式電極示意圖二次多項(xiàng)式電極組有很多好處，不但在電旋轉(zhuǎn)方面有很多優(yōu)點(diǎn)，它還有很好的擴(kuò)展性，還能夠捕捉粒子、或通過改變施加激勵(lì)信號(hào)的方式，進(jìn)行其他形式的粒子操縱，所以，將這種二次多項(xiàng)式電極組作為測(cè)試平臺(tái)的關(guān)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(gè)數(shù)量級(jí)。圖3 4各種電極形狀(a)多項(xiàng)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(zhǎng)橢圓型，（j）窄扁長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中被其他研究者使用過。因?yàn)榱Ｗ釉诮殡娪玖Υ蟮膮^(qū)域會(huì)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(huì)朝向或遠(yuǎn)離電極運(yùn)動(dòng)。有時(shí)不希望過多的粒子都聚集在電極腔中，則可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電場(chǎng)頻率使得某些多余的粒子向遠(yuǎn)離電極腔的方向運(yùn)動(dòng)。90176。這對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析具有一定的參考價(jià)值。例如，（激勵(lì)電壓的峰峰值為20V）的介質(zhì)，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(duì)于大于1μm 的細(xì)胞而言，由于介電泳力和重力會(huì)同時(shí)隨著R3 而增加，因此介電泳力并不會(huì)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(jìn)力（水平方向）為： 其中是行進(jìn)電場(chǎng)的波長(zhǎng)，等于相鄰兩個(gè)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(shí)以恒定速度V行進(jìn)，則與Stokes粘滯阻力相平衡，其中, 由得 圖2 11中的，當(dāng)粒子在豎直方向受力平衡時(shí)，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(shí)，在較小的范圍內(nèi)，電導(dǎo)率增加（主要是細(xì)胞質(zhì)和介質(zhì)）以及介電常數(shù)的減小（主要是介質(zhì)）對(duì)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(gè)主軸的有效復(fù)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(shè)電場(chǎng)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(chǎng)平行。人類紅細(xì)胞本質(zhì)上是扁平橢圓體，并且一邊帶有鋸齒。下標(biāo)p表示粒子（particle），下標(biāo)m表示介質(zhì)（medium），和分別表示介電常數(shù)（permittivity）和電導(dǎo)率（conductivity）,在實(shí)驗(yàn)中，通常選取具有較低電導(dǎo)率的懸浮液介質(zhì)?？梢栽O(shè)四個(gè)電極按順時(shí)針方向的電位分別為： ；；；任一瞬時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度可以分解為沿x軸的分量和沿y軸的分量。當(dāng)K(ω)的實(shí)數(shù)部分?jǐn)?shù)值為正時(shí)，代表此介電泳型式為正介電泳，此時(shí)粒子會(huì)往電場(chǎng)強(qiáng)度最高的區(qū)域移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為正介電泳，如圖2 4（a）；而當(dāng)K(ω)的實(shí)數(shù)部分?jǐn)?shù)值為負(fù)時(shí)，代表此時(shí)介電泳型式為負(fù)介電泳，此時(shí)粒子會(huì)往電場(chǎng)強(qiáng)度最低的區(qū)域移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為負(fù)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(gè)粒子就被等效成一個(gè)和原來最外面的殼的半徑相同的均勻球體?，F(xiàn)在用一個(gè)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(gè)粒子具有擾動(dòng)電場(chǎng)的作用，此時(shí)靜電勢(shì)表達(dá)式為[6]： 這里假定粒子半徑遠(yuǎn)小于激勵(lì)電場(chǎng)的不均勻分布尺度，且。本章詳細(xì)給出了粒子角速度自動(dòng)測(cè)量的算法，本算法考慮了粒子在旋轉(zhuǎn)過程中的遷移運(yùn)動(dòng)，通過相應(yīng)的模塊降低了遷移運(yùn)動(dòng)引起的誤差。m的圓形區(qū)域?yàn)樽罴褏^(qū)域，在這個(gè)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(cè)試過程中影響粒子測(cè)量精度的遷移運(yùn)動(dòng)問題，降低了測(cè)試誤差,并且螺旋線電極組可以在一定頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)粒子的集中和分散。第三章：微電極組設(shè)計(jì)。本文受國(guó)家863項(xiàng)目：基于光誘導(dǎo)介電泳的微納米生物粒子操縱機(jī)理與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法的研究（項(xiàng)目號(hào)：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(cè)試平臺(tái)的的關(guān)鍵技術(shù)，在一定程度上解決本領(lǐng)域研究中存在的問題，以獲得更好的測(cè)試效果。本文的研究?jī)?nèi)容包括：理論模型與分析、介電泳測(cè)試芯片的設(shè)計(jì)、仿真分析以及自動(dòng)測(cè)量平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建。一般情況下，離電極腔中心越遠(yuǎn)，電場(chǎng)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(yīng)用電旋轉(zhuǎn)頻譜的計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)成像技術(shù)探究了他人報(bào)道的針對(duì)酵母細(xì)胞的熱沖擊和低頻EM場(chǎng)的生物影響。,于是G D Gasperis等人[17],能在5min之內(nèi)測(cè)出1k200MHz范圍內(nèi)的頻譜,、精度、及關(guān)于人工測(cè)量的線性度來評(píng)定。ER和EO理論模型的應(yīng)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(yīng)以及用于識(shí)別及分離特定生物粒子的介電顯形的基礎(chǔ)和前提，其地位相當(dāng)重要，因此生物粒子的介電參數(shù)（主要是介電常數(shù)）的測(cè)量也成為現(xiàn)今工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。這也是行波介電泳名稱的來源。其中，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)介電泳（Electrorotation Dielectrophoresis，簡(jiǎn)記為ERDEP或ROTDEP）是一種簡(jiǎn)捷、非入侵的通用分析技術(shù)（下文簡(jiǎn)稱為電旋轉(zhuǎn)），適用于各種類型的粒子，并且能夠應(yīng)用于芯片實(shí)驗(yàn)室（Labonachip）。當(dāng)在芯片實(shí)驗(yàn)室中加入自動(dòng)控制技術(shù)時(shí)，小型化的系統(tǒng)就有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。東南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文微納米生物粒子介電常數(shù)測(cè)試平臺(tái)關(guān)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(dǎo)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(duì)電旋轉(zhuǎn)測(cè)量精度的影響 18 20 21 22第三章 微電極組設(shè)計(jì) 24 24 行波電極組設(shè)計(jì) 24 方案比較 24 螺旋線微電極組 25 電旋轉(zhuǎn)腔設(shè)計(jì) 26 方案比較 26 二次多項(xiàng)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(chǎng)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(duì)電旋轉(zhuǎn)頻譜的模擬 46第五章 測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建 49 測(cè)試平臺(tái)的組成 49 粒子角速度的自動(dòng)檢測(cè) 49 50 50 51 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)估算模塊 51 后處理模塊 52 測(cè)試平臺(tái)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(shè)計(jì)期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文的情況 58致謝 59參考文獻(xiàn)（references） 60附錄A 對(duì)電旋轉(zhuǎn)腔的電場(chǎng)的仿真及相關(guān)參量的數(shù)值計(jì)算 63附錄B 對(duì)螺旋電極上方的電場(chǎng)仿真及相關(guān)參量的數(shù)值計(jì)算 73附錄C 電極腔中場(chǎng)強(qiáng)均方值分布的數(shù)值矩陣 78圖目錄圖1 1主要研究?jī)?nèi)容及相互關(guān)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(chǎng)中介電球體的受力示意圖 12圖2 4 正負(fù)介電泳示意圖 13圖2 5 σpσm且εpεm時(shí)的介電泳頻譜 14圖2 6 σpσm且εpεm時(shí)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(xì)胞不同溫度時(shí)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.....................................