基于光誘導介電泳的生物粒子微操縱機理與平臺實現(xiàn)方法研究.pdf

1、光誘導介電泳作為一項新興的微操縱技術,因其操作功能的光控實時可重構性、單粒子操控的靈活性與定位精度以及多粒子大規(guī)模并行處理能力有望成為微操縱領域極具潛力并具有重大應用前景的新一代微操縱技術。為此,本論文以面向生物工程的微操縱為應用背景,在全面回顧目前幾類典型生物微操縱技術(尤其是介電泳微操縱技術)發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題的基礎上,研究了光誘導介電泳微操縱機理,探討了光誘導介電泳驅動的多物理場耦合模型,完成了光誘導介電泳芯片的結構設計、加工及封

2、裝測試,并通過整合新型光模式虛擬電極灰度直寫系統(tǒng)及顯微視覺伺服控制系統(tǒng),構建了同時具備人機交互操作及顯微視覺伺服控制兩類操控模式,能夠對微納米生物粒子進行聚集、捕獲、輸運、定位、排布或分選等功能性操作的通用型、智能化微操作平臺.本論文的關鍵性研究內(nèi)容及創(chuàng)新性研究成果主要集中在以下幾個方面:
　　 1、在光誘導介電泳微操縱基礎理論方面:首次發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)驗證了在光誘導介電泳微操縱過程中不僅存在因電場幅值及相位非均勻度所引起的兩類光誘導

3、介電泳力,而且還存在由光致旋轉電場而產(chǎn)生的光誘導電旋轉現(xiàn)象。目前,尚未有對由光致相位非均勻度而產(chǎn)生的第二類光誘導介電泳力及光誘導電旋轉現(xiàn)象的公開文獻報道。本論文基于分壓轉移率RVAS對光誘導介電泳芯片的光電特性進行分析優(yōu)化,并分別從等效電路、有限元模型及物理實驗等三個方面,深入理解并首次系統(tǒng)驗證了在光誘導介電泳微操縱過程中因光電導效應不僅存在因亮暗分壓(電場幅值非均勻分布)而產(chǎn)生的第一類光誘導介電泳力,而且還存在由亮暗相位差(電場相位非

4、均勻分布)而產(chǎn)生的第二類光誘導介電泳力,并存在因光致旋轉電場而產(chǎn)生的光誘導電旋轉現(xiàn)象,解決了目前光誘導介電泳力計算中因采用僅考慮光致分壓效應的簡化點電偶極矩模型而造成實際光誘導介電泳力被嚴重低估的困局,并通過相應過程的有限元精確數(shù)值模擬及酵母菌細胞的光控電旋轉實驗嚴格確認了光誘導電旋轉現(xiàn)象的真實存在,得出了光誘導電旋轉轉向與微粒相對于光電極邊緣的位置有關且對應旋轉速率與二者相對距離成反比的一般規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),在三電極式光誘導電旋轉結構中

5、對應扭矩分布極不均勻且相應位置的橫向光誘導介電泳力不利于目標微粒的定軸旋轉測量。為此,提出了具有對稱相位角分布的雙層四電極式光誘導電旋轉設計方案,為后續(xù)光誘導介電泳芯片實現(xiàn)生物粒子微操縱與介電頻譜測量一體化提供了必要的理論準備及技術支撐。
　　 2、在光誘導介電泳微操縱機理方面:首次在傳統(tǒng)介電泳理論的基礎上,將勢能形貌調(diào)制理念引入光誘導介電泳微操縱領域,建立了包含光信息在內(nèi)的—體化光誘導介電泳勢能形貌調(diào)制數(shù)學模型。通過對基于高斯

6、點擴展函數(shù)的光模式虛擬電極成像、光生載流子濃度及其電導率分布、光誘導介電泳電場計算以及光誘導介電泳勢能形貌調(diào)制等分系統(tǒng)數(shù)學模型的研究,首次建立了面向光誘導介電泳勢能形貌調(diào)制過程的完整數(shù)學模型,為后續(xù)光模式虛擬電極的精確數(shù)字化設計及光誘導介電泳勢能陷阱的關鍵參數(shù)化控制(光電極光強分布、芯片結構以及激勵電信號等)提供了必要的理論模型。
　　 3、在光誘導介電泳系統(tǒng)建模、參數(shù)優(yōu)化及多物理場耦合數(shù)值模擬方面:建立了涉及光誘導介電泳、互介

7、電泳、光致交流電滲以及光誘導交流電致熱效應等多種交流動電現(xiàn)象在內(nèi)的多物理場耦合計算模型.在分析等效多極矩模型有效性及粒子有限尺寸效應的基礎上,以阱域范圍、剛度、穩(wěn)定性以及逃逸速度等為評價指標,分別針對正介電泳模式下的圓形光電極與負介電泳模式下的圓環(huán)光電極尺寸參數(shù)、芯片結構及電信號等對于其捕獲效率及穩(wěn)定性的影響進行分析；基于麥克斯韋應力張量(MST)直接數(shù)值模擬,精確分析了互介電泳效應對于光誘導介電泳微操縱過程中粒子間動力學行為的影響；并

8、綜合電場、溫度場、流場以及位移場等多物理場耦合效應影響,分析了光致交流電滲流及光誘導交流電致熱流等光致交流液動效應對全光誘導介電泳(包括互介電泳效應)驅動的粒子捕獲、定位及粒子間聚集或排斥等動力學行為的影響.研究結果表明:(1)在正介電泳模式下粒子半徑與圓形光電極尺寸相當時可在捕獲剛度及穩(wěn)定性方面獲得最佳,而在負介電泳模式下可控制內(nèi)環(huán)半徑以保證其捕獲的軸向穩(wěn)定性,且光電極內(nèi)徑一般取擬捕獲粒子半徑的1.5倍可獲得最佳捕獲性能；(2)粒子間

9、距離越近,粒子間互介電泳效應相對于粒子與電場之間的傳統(tǒng)介電泳效應影響越明顯,且通過控制粒子間中心連線相對于電場方向的角度可出現(xiàn)先排斥后吸引的特殊現(xiàn)象；(3)光致交流電滲具有頻率相關及尺寸選擇性,有助于實現(xiàn)相應微、納米粒子的高效濃縮、捕獲或排布；(4)在一定條件下,光誘導交流電致熱效應與光致交流電滲具有類似流型,但二者不同源且后者一般僅出現(xiàn)在生理鹽水等高電導率溶液中。
　　 4、在光誘導介電泳芯片材科選擇及制備工藝研究優(yōu)化等方面:

10、建立了光誘導介電泳芯片對應光導層材料選擇的評判標準并制定了符合可拋棄式芯片設計要求的芯片制備及封裝測試工藝流程。根據(jù)光誘導介電泳芯片在工作波長方面的要求,系統(tǒng)研究了可見光區(qū)內(nèi)常見光敏材料的光譜響應特性,并在其光電導特性(暗態(tài)電導率與亮、暗電導比)、工藝成熟度、加工成本、生物相容性、電化學穩(wěn)定性等指標的基礎上,確定α-Si:H是符合上述標準的最佳之選,并通過VHF-PECVD技術成功地在透明導電玻璃基材料上實現(xiàn)了復合光電導薄膜的沉積。

11、r>　　 5、在光誘導介電泳微操縱系統(tǒng)的顯微視覺伺服控制方面:設計并構建了集顯微視覺采集、處理及光電極定義與實時重構等功能模塊于—體的顯微視覺伺服控制系統(tǒng)。顯微視覺伺服控制對于提高微操作系統(tǒng)的自動化程度和操作穩(wěn)定性至關重要。為此,本論文基于面向任務的系統(tǒng)設計思想,設計了一套適合于光誘導介電泳微操作環(huán)境的顯微視覺系統(tǒng)體系架構,完成了精縮投影-顯微成像系統(tǒng)的建模,并根據(jù)平面單應原理進行了系統(tǒng)標定與誤差校正；針對兩類不同目標任務,分別采用結

12、合過程定義、路徑規(guī)劃及運動預測等高級功能的模板匹配算法與均值轉移算法以實現(xiàn)復雜背景環(huán)境下的多目標快速檢測、識別、追蹤以及亞像素級別的目標精確定位:將已獲取的微操作空間目標信息實時傳遞至及光電極設計與控制模塊實現(xiàn)了基于顯微視覺伺服控制的多粒子并行操縱。
　　 6、在光誘導介電泳微操縱系統(tǒng)平臺功能實現(xiàn)方面:在實現(xiàn)顯微觀察與光電極精縮投影系統(tǒng)完美光學耦合的基礎上,針對不同類型目標初步進行了典型性功能微操控實驗.在完成光誘導介電泳芯片設