【正文】 .................................................................................24圖3 2 螺旋線微電極組 25圖3 3 螺旋線電極剖面圖 26圖3 4各種電極形狀 27圖3 5 二次多項式電極示意圖 29圖3 6介電泳測試芯片實體模型（綠色為基底） 30圖3 7 介電泳測試芯片平面圖 30圖3 8基底及引腳尺寸 31圖3 9中心區(qū)域放大圖（單位：微米） 31圖3 10 螺旋線電極剖面圖（單位: 微米） 32圖3 11 微電極制造過程 32圖4 1幾何參數(shù)及邊界條件設定...........................................................................................................33圖4 2網格劃分情況 34圖4 3電極腔內的等電位線分布圖 35圖4 4 電極腔中電場分布圖 35圖4 5場強均方值在電極腔中的分布圖 37圖4 6 場強均方值的等值線圖 38圖4 7 行波仿真的邊界條件設定 40圖4 8 在行波電極截面的方向分布圖 41圖4 9 在行波電極截面的大小分布圖 42圖4 10 E2在行波電極截面的分布圖 43圖4 11三種不同細胞質介電常數(shù)的粒子的電旋轉頻譜 47圖4 12 不同細胞質電導率的粒子的電旋轉頻譜 48圖5 1測試平臺組成示意圖...................................................................................................................49圖5 2 粒子角速度測量算法流程圖(T為采樣周期) 50圖5 3 測試平臺的硬件組成 53圖5 4 粒子轉速檢測平臺主界面 54圖5 5 軟件中單個粒子轉速隨幀變化規(guī)律 54圖5 6 粒子的圖像處理前后的對比 55圖A 1二次多項式電極的邊界曲線繪制..............................................................................................64圖A 2 x方向的電場分量的幅值Ex在電極腔中的分布 71圖A 3 y方向的電場分量的幅值Ey在電極腔中的分布 71圖A 4 x和y方向電場分量的幅值之比Ex/Ey在電極腔中的分布 72圖B 1 行波電場仿真的邊界幾何設定.................................................................................................73圖B 2 行波仿真的網格劃分情況 75表目錄表22 介電泳力與電泳力比較 22表3 1電旋轉實驗中各種電極幾何形狀的性能比較[20].......................................................................28表A 1 initmesh函數(shù)的屬性名－屬性值...............................................................................................63表A 2 pdeplot函數(shù)的屬性名－屬性值 7024 第一章 緒論 第一章 緒論隨著微電子技術的高速發(fā)展和生物研究的不斷深入，微電子制造和小型化方面的許多先進技術逐漸應用于生物研究領域。此外，可以將許多芯片實驗室并行工作，這樣效率會大大增加。它是一種使懸浮在旋轉電場中的粒子旋轉的技術。行波介電泳在介電泳芯片中占有重要地位，它可以完成滿足許多對粒子的操縱要求，本研究中的介電泳測試芯片在測試過程中涉及對粒子的操縱，因此也用到行波介電泳技術。非均勻交流電場產生的力可用來移動極化的微粒子—例如懸浮在液體介質中的細胞、鑒別粒子等，旋轉電場可以誘導這些粒子旋轉。lzel等人[9] 測出了Saccharomyces cerevisiae strain R XI這種活酵母細胞的細胞質、。酵母細胞的介電特性在生物工程和生物醫(yī)學方面具有重大影響，因為電場脈沖技術（電穿孔和細胞監(jiān)視）廣泛用于具有經濟重要性的轉基因變種的生產。本系統(tǒng)廣泛應用于各種哺乳動物細胞形態(tài)和光學外觀。盡管觀察到了熱沖擊效果，但是將細胞暴露于50Hz、8和80微特的場之后并未探測到電旋轉行為的變化。另一方面，相鄰電極間距離應大，以避免電場熱效應并使介電泳粒子收集程度最小。本文主要完成的工作如下：微納米生物粒子介電常數(shù)測試平臺關鍵技術的研究理論模型與分析微電極組設計仿真與分析測試平臺的系統(tǒng)構建圖1 1主要研究內容及相互關系l 理論模型與分析通過研究基本理論，包括生物粒子的理論模型、介電泳對粒子的作用力的理論模型，得出介電常數(shù)測試中所需的理論表達式。本文主要研究內容包括理論模型與分析、微電極組設計、仿真與分析、測試平臺系統(tǒng)構建四個部分。介電泳測試芯片的設計主要就是微電極組的設計。粒子在輸運過程中距離螺旋電極表面的高度應大于25um，以保證粒子行進的穩(wěn)定性。融合了概率統(tǒng)計的算法，可以實現(xiàn)了對單個和多個粒子進行測量，且對粒子的形狀沒有特殊要求。式和具有相同的形式，比較兩表達式，得出有效偶極矩為： 其中是克勞休斯－莫索提因子（ClausiusMossotti factor）。嚴格來說，用上面的有效介電常數(shù)用于高階的極矩是不正確的。假設懸浮介質和粒子是均勻的介質，歐姆電導率分別為和。粒子表面極化電荷的產生需要一特征時間(characteristic time constant)： 結合式和式可以得到ClausiusMossotti factor的實部為： 圖2 3 非均勻電場中介電球體的受力示意圖圖2 4 正負介電泳示意圖Re[K]的高頻和低頻界限可以定義為： Re[K] =(σp ? σm) /（σp + 2σm），ω→0 Re[K] =(εp ? εm)/ (εp + 2εm ) ， ω0 從和中可以得出：在低頻DEP現(xiàn)象中，電導率起主導作用；在高頻DEP現(xiàn)象中，介電常數(shù)起主導作用。則理想的電場強度為: 其中，分別沿x和y軸方向的單位矢量 ，是所加電勢的角頻率。當電場高速旋轉時, 由于偶極子產生需要時間, 所以偶極矩 的方向與外電場的方向產生一個相位差θ，當滯后的角度范圍為時，粒子與電場的旋轉方向相同，當超前的角度范圍為時，粒子的轉向與電場旋轉方向相反。例如，駱駝的紅細胞和理想的橢球體相當接近。只有一個定向是穩(wěn)定的，即粒子的最長軸與電場平行的定向是穩(wěn)定的。 圖2 8 橢球體粒子模型 溫度對電旋轉測量精度的影響 電導率(conductivity)、介電常數(shù)(permittivity)、粘度(viscosity)與溫度的關系式如下： 通常情況下，電旋轉頻譜只是輕微受到溫度的影響。由于這些互補的因素，在較寬范圍的實驗條件下，溫度對旋轉速度的無顯著影響。和分別是粒子和懸浮液的密度。但是對于小于1μm的粒子而言，由于布朗效應會隨著1/r 增加[28]，而介電泳力會隨著R3 快速降低，因此布朗效應將會是次微米粒子受介電泳力操控之最大障礙。更小的粒子所受的布朗運動的影響大于了介電泳力的影響，因此需增大電場強度，但這樣會帶來流體介質的局部熱效應而增加了流體的流動，于是仍然對介電泳操縱帶來阻礙作用。大多數(shù)情況下，這種溫度增長不可能導致生物活性的喪失。上述的理論對實驗材料的選取及測試芯片的設計具有一定的指導意義。270176。粒子的具體懸浮和沿電極組徑向的水平行進運動的相關理論在理論模型中已分析過。有些粒子也可能不再進行旋轉運動，甚至會不動，這對完成測試過程不利。同時其他用來和已有設計進行比較的任意的形狀?？偟膩碚f，施加更高強度的電場，會使中心轉矩值更大，但同時也會產生大范圍的不均勻電場導致A值隨之減小。 另外，除了二次多項式電極，還可以進行三次多項式電極、四次多項式電極的設計，但三次或四次的情況都相當復雜，而且在這里所達到的效果與二次多項式電極相差無幾，所以完全沒有必要使用。電極腔幾何參數(shù)及邊界條件的設定如圖4 1所示；網格劃分情況如圖4 2所示，三角形網格在邊界區(qū)域較密，而中心區(qū)域較疏，這是符合求解的精度要求的，在參數(shù)設置中，Mesh growth 。 轉矩分布與分析跟據上述仿真，電極腔內各點的電場強度均方根值及各點的轉矩都是不同的。一個實用的方案是采用掩蔽的方法，即只有旋轉腔的一部分作為有效的研究區(qū)域，這個區(qū)域內的轉矩相對來說是個常量，不妨將這個區(qū)域稱為“觀察限定區(qū)”。從圖4 5或圖4 6中可以看出在觀察限定區(qū)的梯度值很??；而在觀察限定區(qū)以外則增大的非常迅速。從式中可以看出，介電泳力并不只和 K的實部有關，和虛部也是有關的，只是在許多情況下，包含虛部的那一項的值相對較小，可以忽略。圖4 7 行波仿真的邊界條件設定 仿真結果與分析結合理論模型的分析，下面是對一些重要參量的計算，并給出了可視化結果。理論模型中的相關公式在此區(qū)域的準確性也大大下降，所以，實驗中的考察區(qū)域應在離電極表面的高度在25um以上的區(qū)域。因此會出現(xiàn)這樣一種情況：當電壓增大到一定程度的時候，粒子速度的增加極小，甚至不再增加了。對實驗結果進行模擬需繪制出相關粒子的電旋轉頻譜。圖4 11是具有不同細胞質介電常數(shù)的粒子的電旋轉頻譜的模擬結果，圖例中的60、80是指細胞質的相對介電常數(shù)。其實，求解粒子各層的介電常數(shù)，就是上述模擬過程的反過程，根據實驗頻譜，可以根據經驗公式或運用最小二乘法進行回歸分析，求出粒子各層的介電常數(shù)。下面將分別對每個粒子進行角速度測量，本算法包括5部分：1)粒子在電極腔中的位置獲取模塊；2)中心運動軌跡評估模塊；3)極坐標轉換模塊；4)旋轉運動估計模塊；5)后處理模塊。其實，(dx ,dy ) 就是粒子中心的相對于ROI中心的偏移量；接著，更新中心坐標，如果中心修正大于半徑方向的兩個像素點，則將GOOD標志設置成 FALSE，（比如，如果粒子遷移的距離太大，則標志成出錯)。 旋轉運動估算模塊 本模塊的算法是根據幀之間的相關程度[17, 40]并結合概率統(tǒng)計的思想對當前的角度進行估算的。其中，Ｔ是采樣周期；是相關性系數(shù)，其中，和是分別是當前和預計幀的像素值。具體步驟如下：1) 獲取查詢表中值為的表項下標；2)；3)；4）獲取中的最大值，此最大值所對應的查詢表中的那一項旋轉角速度就是輸出值。圖5 3 測試平臺的硬件組成在研究過程中，開發(fā)了相應的配套軟件，主要是粒子角速的自動測量軟件。本軟件的所測出的轉速隨幀的變化規(guī)律如圖5 5所示。一般情況下，由于粒子群被稀釋后很分散，而粒子在觀察限定區(qū)的遷移速度又相對很慢，所以測試過程中每個粒子都在自己的領域范圍內活動，不會進入其它粒子的領域范圍。一般情況下，數(shù)列是收斂的。預計的三幀是用先前估計的轉角加上后得到的。在一個新的幀（此幀的中心在粒子的中心上）獲取之后，利用同心旋轉假設A2，通過變換完成笛卡爾（Cartesian）坐標到極坐標（Polar）的轉換。每隔3T時間，就檢測一下粒子所在的位置，若粒子已遷移到了觀察限定區(qū)以外，則結束程序。圖4 11三種不同細胞質介電常數(shù)的粒子的電旋轉頻譜圖4 12 不同細胞質電導率的粒子的電旋轉頻譜 第五章 測試平臺的系統(tǒng)構建 第五章 測試平臺的系統(tǒng)構建 測試平臺的組成根據上述研究，建立如圖5 1所示的基于電旋轉的生物粒子介電常數(shù)自動測量平臺，對生物粒子的旋轉頻譜進行實時測量，進而獲得其介電屬性。在懸浮液電導率較小的情況下，出現(xiàn)的只有正峰，隨著懸浮液電導率的增大，介電常數(shù)最大的細胞首先出現(xiàn)負峰，隨著懸浮液介電常數(shù)的增大，最終三種粒子都出現(xiàn)了負峰?，F(xiàn)將細胞結構分為細胞壁、細胞膜、細胞質，即用三層結構模型來描述。通過調節(jié)激勵信號的頻率也可以達到調節(jié)粒子行進速度的目的，通過調頻可以改變Re[K(ω)]和Im[K(ω)]，進而改變了懸浮介電泳力和行波介電泳力，于是粒子的懸浮高度發(fā)生了變化，粒子所受的電場強度改變，進而影響了粒子所受的行波介電泳力，于是達到調節(jié)粒子行進速度的目的。因此粒子懸浮的高度是可調的，通過調頻或調壓使粒子當前所受的懸浮介電泳力增大，則粒子會上浮，而隨高度增加，懸浮介電泳力減小，于是粒子又在新的位置再次受力平衡，也就是說，粒子懸浮在更高的位置了；反之亦然。 數(shù)據表示方式：常用對數(shù))0度90度180度270度圖4 9 在行波電極截面的大小分布圖E2在行波電極截面的分布圖（坐標軸數(shù)據單位：微米；數(shù)據表示方式：常用對數(shù)）0度90度180度270度圖4 10 E2在行波電極截面的分布圖根據圖4 8所示，在大概高度為25微米以上的區(qū)域，的方向基本上很規(guī)則的，都是豎直向下，經驗表明：在進行電場仿真時，有限元網格劃分越細，的方向箭頭的指向越趨于一致向下。 行波介電泳仿真與粒子操縱分析 仿真模型的建立根據行波介電泳的理論模型，本設計中行波電極組中每4個電極為一組，每組中的電極均施加AC信號，相鄰電極之間的相位相差90度，電極組周期陣列排布。另外，由于粒子直徑遠小于電極腔的尺度，在觀察限定區(qū)內，由電場z軸分量引起的電旋轉轉矩分量和介電泳力分量的影響效果可以忽略不計。接下來測出的旋轉速率直接具有可比性。圖4 5是它在xy平面上的分布情況，中心位置是場強最弱的地方。 (a)